基于分布云的微格錄播系統的可靠調度設計

張春輝

摘 要： 傳統的微格錄播系統受網絡環境干擾，無法進行有效的可靠調度，為了解決這一問題，設計基于分布云的微格錄播系統可靠調度模型，提出可靠調度方法。分布云對模型中教學任務和調度量的可靠性度量值進行了定義。教學任務的傳輸介質是獨立載波和聚集載波，通過分析可靠性度量值，在MAC層上設計獨立載波和聚集載波的可靠調度方法，使用M/G/1的排隊理論對兩種方法進行融合，使系統不同通道中的教學任務實現動態平衡調度。實驗結果表明，所提設計方法的有效性強，對信道實時吞吐量的增益效果明顯。

關鍵詞： 分布云； 微格錄播系統； 可靠調度； 多載波

中圖分類號： TN921?34； TP393.09 文獻標識碼： A 文章編號： 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

信息技術的高度發展為教育事業帶來了勃勃生機，信息技術已不再是輔助教學的工具，而逐漸成為教學資料制定和改革的中堅力量，影響著教育者的思維方式，遠程教學機構逐漸壯大。微格錄播系統是一種可提供教育資料，對遠程課堂實施管理的系統，可將多媒體錄播內容有計劃地發布到教學網站上，學生可隨時進行課程點播。可靠調度是保證微格錄播系統提供優質教學的基礎，它是基于無線資源管理提出的處理項目，具有規劃任務分布率、自動選擇互聯網接入點的功能。

傳統的微格錄播系統存在錄播融合度低、多媒體資料發布慢和課程可用性不強等缺點，造成這些缺點的主要原因是網絡環境的存儲機制不完善、資源調度可靠性不佳[1]。相關單位經研究后發現分布云能夠有效解決這些問題，為此，設計基于分布云的微格錄播系統可靠調度模型，提出模型的可靠調度方法。

1 分布云的微格錄播系統可靠調度模型

基于分布云的微格錄播系統整體框架如圖1所示，由分布云控制中心、高清攝像機、多媒體處理中心、錄播器、機械化數據處理系統和定位系統構成。高清攝像機錄制多媒體教學資料，經多媒體處理中心降噪并提高分辨率后傳送到錄播器進行回放，通過分布云控制中心傳送到網站上，并在分布云數據庫中進行備份與存儲[2]。機械化數據處理系統和定位系統的作用是監控學生的接入方位，對學生的學習請求進行處理，提供可靠調度策略。

為了實現系統的可靠調度，對經過上述6個模塊處理后輸出的教學任務進行動態調度，利用分布云組建可靠調度模型。設同時進行多媒體資料錄播的子機共有[n]臺，產生的教學任務集合為[x，]集合[x]中的任務序列為[i]，基于分布云的微格錄播系統教學任務與調度量的算術函數關系式可表示為：

[Exi=Rmini，i=112（Rmini+Rmaxi）， 1

[Eni=13（Rmini+Rmaxi）] （2）

式中：[Exi]和[Eni]分別代表教學任務和調度量的可靠性度量值；[Rmini]是分布云數據庫中的調度量最小值；[Rmaxi]是調度量最大值。

式（1），式（2）所示的分布云可靠調度模型在訓練后才能使用[3]。從教學任務集合中任意選擇[N]個任務進行初次調度，組成集合[S，]在調度開始后的[t]時間內，[S]的可靠性度量值為：

[ESt=Exi×Eni×wj（t+1）] （3）

式中：[w]是權值，權值序列[j∈[i，Nt]]。通過調整[j]值，對式（3）進行循環迭代，直到教學任務集合中所有的任務均被訓練成矢量，基于分布云的微格錄播系統的可靠調度模型訓練完畢。

2 分布云的微格錄播系統的可靠調度設計

基于分布云的微格錄播系統通過多載波傳輸教學任務，按照多載波的形成方式可將其分為獨立載波和聚集載波兩種[4]，所提出的可靠調度方法研究了獨立載波和聚集載波的不同點，依次給出兩種多載波的可靠調度方法，使不同通道中的教學任務達到動態平衡調度。

2.1 多載波分析

圖2描述了獨立載波和聚集載波的通信聚合形式。獨立載波以斷續形式傳輸，學生在使用基于分布云的微格錄播系統時需要使用[m]個射頻接收器、經[m]次快速傅氏變換才能接收到完整的獨立載波，互聯網配置動態變化大[5]。聚集載波則呈現連續傳輸形式，一個射頻接收器以及一次快速傅氏變換便可實現多載波接收，互聯網配置相對簡單。在可靠調度中需要尋找到獨立載波和聚集載波中的連續寬頻區域[6]。與獨立載波相比，聚集載波的連續性強，可靠調度實現相對簡單。

在基于分布云的微格錄播系統的實際應用中，學生使用的上、下行帶寬經常出現不對稱狀態，上、下行帶寬中的多載波數量難以確定[7]，為了方便可靠調度與錄播資料管理，系統管理人員會給出多載波標準，約束上、下行帶寬的差值，以此來降低可靠調度模型的復雜程度。

從學生接入端來講，MAC（Media Access Control，媒體介入控制）層擁有自主控制和糾錯功能，教學任務在MAC層多載波上的調度量可以被完整分配到一個傳輸塊上，也可以拆分開分配到不同的傳輸塊上。MAC層是實現系統教學任務可靠調度最方便的區域，所提可靠調度方法將充分利用MAC層的固有功能，增強多載波的自適應能力，實現可靠調度。

2.2 獨立載波的可靠調度設計

在獨立載波基于分布云的微格錄播系統可靠調度中，由于各載波之間不存在任何干擾，并且分布云數據庫提供了足夠的載波存儲空間，因此無需對MAC層既定的可靠調度規則進行更改。獨立載波的[m]個帶寬由相應的調度器產生，通信聚合后仍使用原來的調度器將教學任務分配到原載波上，其可靠調度原理如圖3所示，在MAC層中，調度器將各自的教學任務統一輸入到獨立載波的特定傳輸塊上，待調度開始后（此時需保證教學任務在分布云上的存儲位置穩定不變[8]），通過衡量教學任務和調度量的可靠性為學生接入端分配多媒體錄播內容。

教學任務和調度量的可靠性利用式（1）和式（2）獲取，根據教學任務可靠性結果[Exi]重新對教學任務集合進行排序，設學生想取得第[i]個教學任務，任務在第[k]個調度器上的可靠調度優先級別用下式獲?。?/p>

[Pi=r（xi，k）Eni] （4）

式中[r（xi，k）]代表第[k]個調度器上的調度速率。

一個可靠調度周期內的平均調度速率為：

[r（xi）=（1-1Tc）r（xi，k）+1TcEni] （5）

式中[Tc]代表可靠調度周期。

2.3 聚集載波的可靠調度設計

聚集載波擁有兩個調度器，兩個調度器交替使用，一級調度器負責對通信聚合前的聚集載波進行教學任務排序，排序結果傳送到二級調度器進行通信聚合分配。在聚集載波的可靠調度中，不同載波中的教學任務排序結果都是相同的，單獨的二級調度器便能夠實現精準分配[9]。如圖4所示，通信聚合后的聚集載波不會像獨立載波那樣被分配到原載波上，聚集載波的分配是自適應選擇的，可能存在于任何原載波之上。

在聚集載波的可靠調度中，如果學生想取得第[i]個教學任務，任務在二級調度器上的可靠調度優先級別為：

[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）]代表二級調度器上的調度速率。對于聚集載波在一個可靠調度周期內的平均調度速率用一級調度器中所有載波調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）]表示一級調度器中各聚集載波的調度速率。

聚集載波可靠調度的教學任務之間是能夠進行實時溝通的，在一定程度上打亂了分布云數據庫中的任務排序結果，提高了MAC層多載波的自適應能力，使分布云數據庫所能容納的調度量得到了提升。

2.4 獨立載波與聚集載波相融合的可靠調度設計

通過對獨立載波與聚集載波的分布式可靠調度設計，使用排隊理論對基于分布云的微格錄播系統在實際使用中最常遇到的載波——獨立載波與聚集載波相融合形式進行可靠調度設計。分別提取式（4）和式（6）中計算出的可靠調度優先級別，將兩個優先級別以M/G/1的排隊理論形式輸入到分布云可靠調度模型中。M/G/1是一種泊松分布[10]，設泊松分布中的教育任務容納率為[λ，]所有教學任務的載波調度速率都滿足平均值為[τ]的指數分布。分布云數據庫的最大通信時延為[1τ，]那么學生接收到所需多媒體錄播資料的時間為：

[T=1τ（1-ρ）] （8）

式中：[ρ]是業務強度，可表示為[ρ=λτ]。一般來講，基于分布云的微格錄播系統的控制中心只有一個，因此，在[ρ≤1]的情況下，系統的可靠調度是非常穩定的。

設基于分布云的微格錄播系統中共有[M]個載波，每個載波的平均業務強度為[ρM，]那么系統所用的平均調度時間可表示為：

[Ta=1Mτ1-ρM] （9）

當[Ta≥T]且[ρ≤1]時，即可實現基于分布云的微格錄播系統的可靠調度。

從式（9）還能夠看出，所提設計方法能夠減少[M]倍的平均調度時間，微格錄播系統的學生請求接入數量可提高[M]倍。

3 實驗測試

在多載波環境下，測試本文設計方法、文獻[2]的模糊算法和文獻[6]的關聯規則調度方法的性能。在教學任務通信中，載波平衡與不平衡情況的出現幾率各占一半，多載波環境的實驗劃分有平衡負載和不平衡負載。

3.1 載波平衡負載測試

載波平衡負載是指微格錄播系統中所有載波上的調度量都是相等或相似的。實驗考察以圓形的信道容納微格錄播系統中的載波數，將圓形平均切分成10個載波的扇形，每個扇形中所容納的實時吞吐量是實驗所需的測試數據。

圖5表示扇形區域任務滿溢時的實時吞吐量曲線，圖6表示扇形區域未滿溢時的實時吞吐量曲線。信道的實時吞吐量與教學任務在信道中的滿溢程度有關，表現出實時吞吐量曲線下降或上升。對比三種可靠調度方法，可非常清晰地看出本文設計方法的實時吞吐量在三種方法中最為優異，說明其對微格錄播系統的增益度最佳，可實現有效的可靠調度。

3.2 載波不平衡負載測試

在微格錄播系統中，如果不同載波的調度量存在明顯差異，則表現為載波不平衡負載，此時圓形信道中10個扇形區域的教學任務均不滿溢，實時吞吐量曲線如圖7所示，所得實驗測試結果與3.1節所述的結論相同，都能夠證明本文設計方法的有效性強且增益效果明顯。

4 結 論

在微格錄播系統中，由于網絡存儲機制和資源調度問題造成的遠程教學任務調度不合理為教師和學生帶來了極大不便。為此，本文進行基于分布云的微格錄播系統可靠調度設計，并在多載波環境下對設計方法進行測試，結果表明本文設計方法的有效性強，信道吞吐量的增益效果明顯。

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