一種多并發(fā)高速通信的線上教育平臺設計

一種多并發(fā)高速通信的線上教育平臺設計

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是2020年疫情的影響，網(wǎng)絡教育的需求顯著增加，其應用迅速普及。其中，音視頻是線上教育的主要數(shù)據(jù)量，而多媒體流量的高質(zhì)量實時傳輸對網(wǎng)絡帶寬具有較高的要求，例如，端到端時延、傳輸帶寬與時延抖動等相關(guān)性能。相較而言，受限的通信能力以及多變的工作方式，使得單一的無線接入模式已無法為用戶提供更好的在線體驗1多媒體流平臺的現(xiàn)狀下一代異構(gòu)無線網(wǎng)絡技術(shù)可針對不同終端設備的不同無線接入方式，為用戶提供隨時隨地的網(wǎng)絡接入服務。但基于異構(gòu)網(wǎng)絡的多媒體流平臺，無論是通信協(xié)議方面還是網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)方面，都具有較為復雜的多樣性。為了融合各種網(wǎng)絡的接入，自20世紀90年代開始，通信與信息學術(shù)界提出了一系列關(guān)于網(wǎng)絡融合的解決方案。2000年美國布法羅大學提出了一種基于AdHoc技術(shù)的iCAR方案2高速通信教育平臺在線教育平臺的功能較多，使得其多媒體流的集中并發(fā)、大流量數(shù)字化存儲與有效利用，對實時音視頻質(zhì)量提出了較高的挑戰(zhàn)。2.1系統(tǒng)傳輸特性分析在多網(wǎng)絡共同存在的應用場景中，如何充分考慮其具有不同的工作頻段、執(zhí)行多樣的通信協(xié)議，以及整合多條鏈路的通信傳輸性能是進行多徑高速傳輸、提升網(wǎng)絡資源利用率、提升音視頻傳輸速率、均衡網(wǎng)絡負載的重要因素。2.2錄像視頻傳輸多并發(fā)超高速異構(gòu)無線網(wǎng)的系統(tǒng)模型包含不同的異構(gòu)終端模式，各協(xié)同終端共同傳輸音視頻多媒體流。終端視頻播放器在接收到大流量數(shù)據(jù)后除了統(tǒng)計丟包率、時延，額外還需對數(shù)據(jù)進行重排，以應對多變的網(wǎng)絡傳輸速率。多并發(fā)高通信的異構(gòu)網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由四部分構(gòu)成。2.2.1實際算法的比較其主要目的是對網(wǎng)絡進行監(jiān)視與實時調(diào)整管理，假設有m個接收端，音視頻媒體流序列按順序執(zhí)行為σ=J對于任意序列任務σ=J即在時刻r后所有終端均接收到視頻流，而確保至少1臺終端閑置，按Greedy算法，最終完成序列為J另一方面，有：因此，有：所以，實際算法Greedy的競爭最優(yōu)比為2.2.2自相似流量下多媒體視頻序列長度在不同自相關(guān)音視頻多媒體流量的自相似性對網(wǎng)絡和管理控制會有直接影響，基于帕累托分布的尾函數(shù)為雙曲面函數(shù)，定義音視頻媒體流自相似性為：帕累托分布為：截取尾部，實際采用：所對應的均值與方差為：由于自相似流量下多媒體視頻序列長度的衰減較短性相關(guān)序列緩慢、難收斂，自相關(guān)會導致緩沖區(qū)高溢出，時延和周期均會發(fā)生不可預知的擁堵。無論是時間分布還是分組分布均采用帕累托方式，并發(fā)鏈路每條依據(jù)P/P/1。單條線路總時延記為等待時間與服務時間之和：式中：M多并發(fā)高流量的傳輸控制最優(yōu)情況為：約束條件為：此時，分兩種情況討論：情況1:情況2:式中，T是單一鏈路算法A完成所有任務的總時間，競爭比為2.2.3在線音視頻流媒體序列計算歸納設m個接收終端與多媒體序列流為σ=J對于在線音視頻流媒體序列J當遇到流量負載較輕的終端設備，解碼J另一方面，當算法執(zhí)行滿足L≤T由數(shù)學歸納法可得L≤T2.2.4第三，接收終端的負載數(shù)據(jù)流進入云存儲緩沖，負載均衡調(diào)整等待播放。假設該算法最大負載為T若接收終端i負載較輕，則式（21）顯然成立。若接收終端i負載較重，則設t3系統(tǒng)性能測試多并發(fā)高通信傳輸演示系統(tǒng)實際場景布置如圖2所示，其由多媒體接收終端、音視頻流分發(fā)服務器、信息流分流決策服務器、異構(gòu)無線網(wǎng)絡接入等構(gòu)成。系統(tǒng)仿真時，假設并行傳輸數(shù)據(jù)為5條，傳輸能力分別為2Mb/s,3Mb/s,4Mb/s,5Mb/s,6Mb/s，終端節(jié)點選用50個、視頻媒體任務50個、單個流媒體序列500個的虛擬網(wǎng)格。螢火蟲優(yōu)化算法初始種群大小為30，最大迭代次數(shù)為400，熒光素揮發(fā)因子取0.5，適應度提取比值取0.5，鄰域變化率取0.05，鄰域螢火蟲數(shù)目為5，步長取0.04，熒光素濃度取6，決策半徑取為2，數(shù)據(jù)分組長度取為512B。經(jīng)Matlab仿真，獲得最佳分配矢量測試系統(tǒng)整體在不同節(jié)點與多數(shù)據(jù)源情況下的性能。仿真過程中，音視頻媒體流發(fā)送速率由3Mb/s上升至6Mb/s，一般接收端負載均衡分流分組丟失率為：式中，仿真時，Q=30，對各傳輸節(jié)點分組進行測試。圖3和圖4分別給出了通信速率與形狀參數(shù)、位置參數(shù)的關(guān)系，其與形狀參數(shù)呈線性正比例增長，與位置參數(shù)則是呈線性反比例增長。圖5給出了系統(tǒng)分組丟失率與發(fā)送速率的關(guān)系?；跁r延及抖動的分流策略比一般多媒體流接收端分流分發(fā)策略組丟失率要低。隨著發(fā)送速率的增大，當達到約7Mb/s時，兩種策略分組丟失率的數(shù)值趨于相等。當發(fā)送端速率為常規(guī)的2.5Mb/s時，本文所提方案比一般負載均衡分流策略分組方案丟失率降低約6%。圖6顯示迭代50次時，各路徑的傳輸數(shù)據(jù)速率達到平穩(wěn)。由圖7可以看出，在發(fā)送端速率為6Mb/s，種群大小30時，系統(tǒng)分組丟失率將在迭代次數(shù)為60時收斂。4異構(gòu)網(wǎng)絡性能仿真本文基于Greedy貪心算法、帕累托分布和排隊模型理論分析系統(tǒng)鏈路時延，提出一種多并發(fā)高通信環(huán)境下的在線教育平臺設計架構(gòu)。分析表明，在多并發(fā)高通信的異構(gòu)網(wǎng)絡下，決定系統(tǒng)整體性能的各因素中，數(shù)據(jù)分組的時間與空間時延會對系統(tǒng)性能起到關(guān)鍵作用。仿真表明，所提自適應分流策略在時間延遲和丟