基于分布云的微格錄播系統(tǒng)的可靠調(diào)度設(shè)計(jì)

張春輝

摘 要： 傳統(tǒng)的微格錄播系統(tǒng)受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境干擾，無法進(jìn)行有效的可靠調(diào)度，為了解決這一問題，設(shè)計(jì)基于分布云的微格錄播系統(tǒng)可靠調(diào)度模型，提出可靠調(diào)度方法。分布云對(duì)模型中教學(xué)任務(wù)和調(diào)度量的可靠性度量值進(jìn)行了定義。教學(xué)任務(wù)的傳輸介質(zhì)是獨(dú)立載波和聚集載波，通過分析可靠性度量值，在MAC層上設(shè)計(jì)獨(dú)立載波和聚集載波的可靠調(diào)度方法，使用M/G/1的排隊(duì)理論對(duì)兩種方法進(jìn)行融合，使系統(tǒng)不同通道中的教學(xué)任務(wù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡調(diào)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提設(shè)計(jì)方法的有效性強(qiáng)，對(duì)信道實(shí)時(shí)吞吐量的增益效果明顯。

關(guān)鍵詞： 分布云； 微格錄播系統(tǒng)； 可靠調(diào)度； 多載波

中圖分類號(hào)： TN921?34； TP393.09 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）19?0169?04

Design for reliable scheduling of micro recording and broadcasting

system based on distributed cloud

ZHANG Chunhui

（Electrified Teaching Center， Taiyuan Normal University， Taiyuan 030031， China）

Abstract： The traditional micro recording and broadcasting system interfered on network environment can′t perform the effective reliable operation. In order to solve this problem， a reliable scheduling model of micro recording and broadcasting system based on distributed cloud is designed， and the reliable scheduling method is proposed. The distributed cloud is used to define the reliability measure values of teaching task and scheduling quantity in the model. Taking the independent carrier and aggregation carrier as the transmission mediums of teaching task and analyzing the reliability measure values， the reliable dispatching methods of independent carrier and aggregation carrier were designed on MAC layer. The M/G/1 queuing theory is adopted to fuse the two methods to make the teaching task in different channels realize the dynamic balance scheduling. The experimental results show that the proposed method has strong effectiveness， and obvious gain effect of the real?time channel throughput.

Keywords： distributed cloud； micro recording and broadcasting system； reliable scheduling； multi?carrier

0 引 言

信息技術(shù)的高度發(fā)展為教育事業(yè)帶來了勃勃生機(jī)，信息技術(shù)已不再是輔助教學(xué)的工具，而逐漸成為教學(xué)資料制定和改革的中堅(jiān)力量，影響著教育者的思維方式，遠(yuǎn)程教學(xué)機(jī)構(gòu)逐漸壯大。微格錄播系統(tǒng)是一種可提供教育資料，對(duì)遠(yuǎn)程課堂實(shí)施管理的系統(tǒng)，可將多媒體錄播內(nèi)容有計(jì)劃地發(fā)布到教學(xué)網(wǎng)站上，學(xué)生可隨時(shí)進(jìn)行課程點(diǎn)播?？煽空{(diào)度是保證微格錄播系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)教學(xué)的基礎(chǔ)，它是基于無線資源管理提出的處理項(xiàng)目，具有規(guī)劃任務(wù)分布率、自動(dòng)選擇互聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)的功能。

傳統(tǒng)的微格錄播系統(tǒng)存在錄播融合度低、多媒體資料發(fā)布慢和課程可用性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，造成這些缺點(diǎn)的主要原因是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的存儲(chǔ)機(jī)制不完善、資源調(diào)度可靠性不佳[1]。相關(guān)單位經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)分布云能夠有效解決這些問題，為此，設(shè)計(jì)基于分布云的微格錄播系統(tǒng)可靠調(diào)度模型，提出模型的可靠調(diào)度方法。

1 分布云的微格錄播系統(tǒng)可靠調(diào)度模型

基于分布云的微格錄播系統(tǒng)整體框架如圖1所示，由分布云控制中心、高清攝像機(jī)、多媒體處理中心、錄播器、機(jī)械化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和定位系統(tǒng)構(gòu)成。高清攝像機(jī)錄制多媒體教學(xué)資料，經(jīng)多媒體處理中心降噪并提高分辨率后傳送到錄播器進(jìn)行回放，通過分布云控制中心傳送到網(wǎng)站上，并在分布云數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行備份與存儲(chǔ)[2]。機(jī)械化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和定位系統(tǒng)的作用是監(jiān)控學(xué)生的接入方位，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)請(qǐng)求進(jìn)行處理，提供可靠調(diào)度策略。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠調(diào)度，對(duì)經(jīng)過上述6個(gè)模塊處理后輸出的教學(xué)任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，利用分布云組建可靠調(diào)度模型。設(shè)同時(shí)進(jìn)行多媒體資料錄播的子機(jī)共有[n]臺(tái)，產(chǎn)生的教學(xué)任務(wù)集合為[x，]集合[x]中的任務(wù)序列為[i]，基于分布云的微格錄播系統(tǒng)教學(xué)任務(wù)與調(diào)度量的算術(shù)函數(shù)關(guān)系式可表示為：

[Exi=Rmini，i=112（Rmini+Rmaxi）， 1

[Eni=13（Rmini+Rmaxi）] （2）

式中：[Exi]和[Eni]分別代表教學(xué)任務(wù)和調(diào)度量的可靠性度量值；[Rmini]是分布云數(shù)據(jù)庫中的調(diào)度量最小值；[Rmaxi]是調(diào)度量最大值。

式（1），式（2）所示的分布云可靠調(diào)度模型在訓(xùn)練后才能使用[3]。從教學(xué)任務(wù)集合中任意選擇[N]個(gè)任務(wù)進(jìn)行初次調(diào)度，組成集合[S，]在調(diào)度開始后的[t]時(shí)間內(nèi)，[S]的可靠性度量值為：

[ESt=Exi×Eni×wj（t+1）] （3）

式中：[w]是權(quán)值，權(quán)值序列[j∈[i，Nt]]。通過調(diào)整[j]值，對(duì)式（3）進(jìn)行循環(huán)迭代，直到教學(xué)任務(wù)集合中所有的任務(wù)均被訓(xùn)練成矢量，基于分布云的微格錄播系統(tǒng)的可靠調(diào)度模型訓(xùn)練完畢。

2 分布云的微格錄播系統(tǒng)的可靠調(diào)度設(shè)計(jì)

基于分布云的微格錄播系統(tǒng)通過多載波傳輸教學(xué)任務(wù)，按照多載波的形成方式可將其分為獨(dú)立載波和聚集載波兩種[4]，所提出的可靠調(diào)度方法研究了獨(dú)立載波和聚集載波的不同點(diǎn)，依次給出兩種多載波的可靠調(diào)度方法，使不同通道中的教學(xué)任務(wù)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡調(diào)度。

2.1 多載波分析

圖2描述了獨(dú)立載波和聚集載波的通信聚合形式。獨(dú)立載波以斷續(xù)形式傳輸，學(xué)生在使用基于分布云的微格錄播系統(tǒng)時(shí)需要使用[m]個(gè)射頻接收器、經(jīng)[m]次快速傅氏變換才能接收到完整的獨(dú)立載波，互聯(lián)網(wǎng)配置動(dòng)態(tài)變化大[5]。聚集載波則呈現(xiàn)連續(xù)傳輸形式，一個(gè)射頻接收器以及一次快速傅氏變換便可實(shí)現(xiàn)多載波接收，互聯(lián)網(wǎng)配置相對(duì)簡單。在可靠調(diào)度中需要尋找到獨(dú)立載波和聚集載波中的連續(xù)寬頻區(qū)域[6]。與獨(dú)立載波相比，聚集載波的連續(xù)性強(qiáng)，可靠調(diào)度實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單。

在基于分布云的微格錄播系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，學(xué)生使用的上、下行帶寬經(jīng)常出現(xiàn)不對(duì)稱狀態(tài)，上、下行帶寬中的多載波數(shù)量難以確定[7]，為了方便可靠調(diào)度與錄播資料管理，系統(tǒng)管理人員會(huì)給出多載波標(biāo)準(zhǔn)，約束上、下行帶寬的差值，以此來降低可靠調(diào)度模型的復(fù)雜程度。

從學(xué)生接入端來講，MAC（Media Access Control，媒體介入控制）層擁有自主控制和糾錯(cuò)功能，教學(xué)任務(wù)在MAC層多載波上的調(diào)度量可以被完整分配到一個(gè)傳輸塊上，也可以拆分開分配到不同的傳輸塊上。MAC層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)教學(xué)任務(wù)可靠調(diào)度最方便的區(qū)域，所提可靠調(diào)度方法將充分利用MAC層的固有功能，增強(qiáng)多載波的自適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)可靠調(diào)度。

2.2 獨(dú)立載波的可靠調(diào)度設(shè)計(jì)

在獨(dú)立載波基于分布云的微格錄播系統(tǒng)可靠調(diào)度中，由于各載波之間不存在任何干擾，并且分布云數(shù)據(jù)庫提供了足夠的載波存儲(chǔ)空間，因此無需對(duì)MAC層既定的可靠調(diào)度規(guī)則進(jìn)行更改。獨(dú)立載波的[m]個(gè)帶寬由相應(yīng)的調(diào)度器產(chǎn)生，通信聚合后仍使用原來的調(diào)度器將教學(xué)任務(wù)分配到原載波上，其可靠調(diào)度原理如圖3所示，在MAC層中，調(diào)度器將各自的教學(xué)任務(wù)統(tǒng)一輸入到獨(dú)立載波的特定傳輸塊上，待調(diào)度開始后（此時(shí)需保證教學(xué)任務(wù)在分布云上的存儲(chǔ)位置穩(wěn)定不變[8]），通過衡量教學(xué)任務(wù)和調(diào)度量的可靠性為學(xué)生接入端分配多媒體錄播內(nèi)容。

教學(xué)任務(wù)和調(diào)度量的可靠性利用式（1）和式（2）獲取，根據(jù)教學(xué)任務(wù)可靠性結(jié)果[Exi]重新對(duì)教學(xué)任務(wù)集合進(jìn)行排序，設(shè)學(xué)生想取得第[i]個(gè)教學(xué)任務(wù)，任務(wù)在第[k]個(gè)調(diào)度器上的可靠調(diào)度優(yōu)先級(jí)別用下式獲?。?/p>

[Pi=r（xi，k）Eni] （4）

式中[r（xi，k）]代表第[k]個(gè)調(diào)度器上的調(diào)度速率。

一個(gè)可靠調(diào)度周期內(nèi)的平均調(diào)度速率為：

[r（xi）=（1-1Tc）r（xi，k）+1TcEni] （5）

式中[Tc]代表可靠調(diào)度周期。

2.3 聚集載波的可靠調(diào)度設(shè)計(jì)

聚集載波擁有兩個(gè)調(diào)度器，兩個(gè)調(diào)度器交替使用，一級(jí)調(diào)度器負(fù)責(zé)對(duì)通信聚合前的聚集載波進(jìn)行教學(xué)任務(wù)排序，排序結(jié)果傳送到二級(jí)調(diào)度器進(jìn)行通信聚合分配。在聚集載波的可靠調(diào)度中，不同載波中的教學(xué)任務(wù)排序結(jié)果都是相同的，單獨(dú)的二級(jí)調(diào)度器便能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)分配[9]。如圖4所示，通信聚合后的聚集載波不會(huì)像獨(dú)立載波那樣被分配到原載波上，聚集載波的分配是自適應(yīng)選擇的，可能存在于任何原載波之上。

在聚集載波的可靠調(diào)度中，如果學(xué)生想取得第[i]個(gè)教學(xué)任務(wù)，任務(wù)在二級(jí)調(diào)度器上的可靠調(diào)度優(yōu)先級(jí)別為：

[Pi=ra（xi，k）Eni，a] （6）

式中：[Eni，a]代表聚集載波總的可靠性度量值；[ra（xi，k）]代表二級(jí)調(diào)度器上的調(diào)度速率。對(duì)于聚集載波在一個(gè)可靠調(diào)度周期內(nèi)的平均調(diào)度速率用一級(jí)調(diào)度器中所有載波調(diào)度速率的平均值表示，有：

[ra（xi）=1-1Tcra（xi，k）+1Tcra（x1，k）+ra（x2，k）+…+ra（xi，k）] （7）

式中：[ra（x1，k），ra（x2，k），…，][ra（xi，k）]表示一級(jí)調(diào)度器中各聚集載波的調(diào)度速率。

聚集載波可靠調(diào)度的教學(xué)任務(wù)之間是能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通的，在一定程度上打亂了分布云數(shù)據(jù)庫中的任務(wù)排序結(jié)果，提高了MAC層多載波的自適應(yīng)能力，使分布云數(shù)據(jù)庫所能容納的調(diào)度量得到了提升。

2.4 獨(dú)立載波與聚集載波相融合的可靠調(diào)度設(shè)計(jì)

通過對(duì)獨(dú)立載波與聚集載波的分布式可靠調(diào)度設(shè)計(jì)，使用排隊(duì)理論對(duì)基于分布云的微格錄播系統(tǒng)在實(shí)際使用中最常遇到的載波——獨(dú)立載波與聚集載波相融合形式進(jìn)行可靠調(diào)度設(shè)計(jì)。分別提取式（4）和式（6）中計(jì)算出的可靠調(diào)度優(yōu)先級(jí)別，將兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別以M/G/1的排隊(duì)理論形式輸入到分布云可靠調(diào)度模型中。M/G/1是一種泊松分布[10]，設(shè)泊松分布中的教育任務(wù)容納率為[λ，]所有教學(xué)任務(wù)的載波調(diào)度速率都滿足平均值為[τ]的指數(shù)分布。分布云數(shù)據(jù)庫的最大通信時(shí)延為[1τ，]那么學(xué)生接收到所需多媒體錄播資料的時(shí)間為：

[T=1τ（1-ρ）] （8）

式中：[ρ]是業(yè)務(wù)強(qiáng)度，可表示為[ρ=λτ]。一般來講，基于分布云的微格錄播系統(tǒng)的控制中心只有一個(gè)，因此，在[ρ≤1]的情況下，系統(tǒng)的可靠調(diào)度是非常穩(wěn)定的。

設(shè)基于分布云的微格錄播系統(tǒng)中共有[M]個(gè)載波，每個(gè)載波的平均業(yè)務(wù)強(qiáng)度為[ρM，]那么系統(tǒng)所用的平均調(diào)度時(shí)間可表示為：

[Ta=1Mτ1-ρM] （9）

當(dāng)[Ta≥T]且[ρ≤1]時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)基于分布云的微格錄播系統(tǒng)的可靠調(diào)度。

從式（9）還能夠看出，所提設(shè)計(jì)方法能夠減少[M]倍的平均調(diào)度時(shí)間，微格錄播系統(tǒng)的學(xué)生請(qǐng)求接入數(shù)量可提高[M]倍。

3 實(shí)驗(yàn)測試

在多載波環(huán)境下，測試本文設(shè)計(jì)方法、文獻(xiàn)[2]的模糊算法和文獻(xiàn)[6]的關(guān)聯(lián)規(guī)則調(diào)度方法的性能。在教學(xué)任務(wù)通信中，載波平衡與不平衡情況的出現(xiàn)幾率各占一半，多載波環(huán)境的實(shí)驗(yàn)劃分有平衡負(fù)載和不平衡負(fù)載。

3.1 載波平衡負(fù)載測試

載波平衡負(fù)載是指微格錄播系統(tǒng)中所有載波上的調(diào)度量都是相等或相似的。實(shí)驗(yàn)考察以圓形的信道容納微格錄播系統(tǒng)中的載波數(shù)，將圓形平均切分成10個(gè)載波的扇形，每個(gè)扇形中所容納的實(shí)時(shí)吞吐量是實(shí)驗(yàn)所需的測試數(shù)據(jù)。

圖5表示扇形區(qū)域任務(wù)滿溢時(shí)的實(shí)時(shí)吞吐量曲線，圖6表示扇形區(qū)域未滿溢時(shí)的實(shí)時(shí)吞吐量曲線。信道的實(shí)時(shí)吞吐量與教學(xué)任務(wù)在信道中的滿溢程度有關(guān)，表現(xiàn)出實(shí)時(shí)吞吐量曲線下降或上升。對(duì)比三種可靠調(diào)度方法，可非常清晰地看出本文設(shè)計(jì)方法的實(shí)時(shí)吞吐量在三種方法中最為優(yōu)異，說明其對(duì)微格錄播系統(tǒng)的增益度最佳，可實(shí)現(xiàn)有效的可靠調(diào)度。

3.2 載波不平衡負(fù)載測試

在微格錄播系統(tǒng)中，如果不同載波的調(diào)度量存在明顯差異，則表現(xiàn)為載波不平衡負(fù)載，此時(shí)圓形信道中10個(gè)扇形區(qū)域的教學(xué)任務(wù)均不滿溢，實(shí)時(shí)吞吐量曲線如圖7所示，所得實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與3.1節(jié)所述的結(jié)論相同，都能夠證明本文設(shè)計(jì)方法的有效性強(qiáng)且增益效果明顯。

4 結(jié) 論

在微格錄播系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)機(jī)制和資源調(diào)度問題造成的遠(yuǎn)程教學(xué)任務(wù)調(diào)度不合理為教師和學(xué)生帶來了極大不便。為此，本文進(jìn)行基于分布云的微格錄播系統(tǒng)可靠調(diào)度設(shè)計(jì)，并在多載波環(huán)境下對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行測試，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)方法的有效性強(qiáng)，信道吞吐量的增益效果明顯。

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