一种多并发高速通信的线上教育平台设计

分类：论文范文 发表时间：2021-09-11 11:17

　　摘要：针对现有线上教育平台的低质量、高时延与弱互动的用户体验问题，文中提出一种支持多并发高速通信功能的新型线上教育平台。首先，通过分析接收端缓冲区与带宽、网络时延与丢失率，设计通信网络链路分发分流策略；然后，结合Greedy算法、帕累托分布与排队模型理论，建立一种异构网络环境下的多流并发通信传输控制模型；最终，采用萤火虫群算法模拟最优求解目标，完成系统总体设计。仿真测试结果表明，与传统的负载均衡分流策略分组方案相比，文中所提方案的通信丢失率可降低约8%；在传输音视频数据方面，该平台具有更高的通信质量、更低的传输时间和更强的互动体验。

　　关键词：线上教育平台；多并发通信；异构网络；网络链路分发；传输控制模型；系统设计

　　随着互联网技术的高速发展，尤其是受到2020年疫情的影响，线上教育的需求急剧增加，使其应用迅速普及。其中，音视频是线上教育的主要数据量，而多媒体流量的高质量实时传输对网络带宽具有较高的要求，例如，端到端时延、传输带宽与时延抖动等相关性能。相较而言，受限的通信能力以及多变的工作方式，使得单一的无线接入模式已无法为用户提供更好的在线体验[1]。

　　1相关研究

　　下一代异构无线网络技术可针对不同终端设备的不同无线接入方式，为用户提供随时随地的网络接入服务。但基于异构网络的多媒体流平台，无论是通信协议方面还是网络结构方面，都具有较为复杂的多样性。为了融合各种网络的接入，自20世纪90年代开始，通信与信息学术界提出了一系列关于网络融合的解决方案。2000年美国布法罗大学提出了一种基于AdHoc技术的iCAR方案[2]，但增加专用设备使得网络的覆盖范围和效果与AdHoc的部署位置有关，无法真正实现无缝切换。随后发展出了基于蜂窝网络的ODMA机会驱动多址接入技术，优点是解决了边缘移动终端的高传输业务，但缺少了对基站外的移动终端转发问题的关注[3]。而在TS22.934标准中，通过将WLAN与3G融合，完成了异构网络的切换设计。接着，日本滨松大学提出一种节点与基站可直接通信、也可组成AdHoc进行一跳或多跳通信的模式，但要求节点与基站同步[4]。飞利浦公司于2012年提出一种由蜂窝、WLAN和MANET[5]构成的可自由配置服务的网络模式，但需要移动端配备多标准接口且存在同信道干扰问题。此后，还有学者提出借助转发代理将高并发的业务数据流引入临近信道以解决网络堵塞问题，但最终并未实现。除了网络架构，影响系统性能的还有自适应分配策略。还有学者在将无线广域网和无线个域网融合时，考虑了泊松分布的网络下负载均衡的最小时延系统的传输问题。然而，文献[6]指出的实际网络流量数据表明，分组仅能满足自相似性和长相关性，对指数与泊松分布提出了质疑。文献[7?8]也分别指出了数据的分组和长度更适合重尾分布，并对比分析了泊松与指数分布时系统性能的区别。关于自相似性，文献[9]在时延约束条件下提出了分解数据流，根据容量占比设计路径分配流量解决系统时延抖动。综上所述，多并发高通信视频业务无论是在单跳、多跳，还是在其他移动网络，自相似流量在时延影响中均占有重要因素。因此，如何分配资源是保证网络服务质量的关键因素。

　　2高速通信线上教育平台

　　在线教育平台的功能较多，使得其多媒体流的集中并发、大流量数字化存储与有效利用，对实时音视频质量提出了较高的挑战。

　　2.1应用场景及需求分析

　　在多网络共同存在的应用场景中，如何充分考虑其具有不同的工作频段、执行多样的通信协议，以及整合多条链路的通信传输性能是进行多径高速传输、提升网络资源利用率、提升音视频传输速率、均衡网络负载的重要因素。

　　2.2系统架构设计

　　多并发超高速异构无线网的系统模型包含不同的异构终端模式，各协同终端共同传输音视频多媒体流。终端视频播放器在接收到大流量数据后除了统计丢包率、时延，额外还需对数据进行重排，以应对多变的网络传输速率。多并发高通信的异构网络系统结构如图1所示，其由四部分构成。

　　3系统实现与性能测试

　　多并发高通信传输演示系统实际场景布置如图2所示，其由多媒体接收终端、音视频流分发服务器、信息流分流决策服务器、异构无线网络接入等构成。

　　系统仿真时，假设并行传输数据为5条，传输能力分别为2Mb/s，3Mb/s，4Mb/s，5Mb/s，6Mb/s，终端节点选用50个、视频媒体任务50个、单个流媒体序列500个的虚拟网格。萤火虫优化算法初始种群大小为30，最大迭代次数为400，荧光素挥发因子取0.5，适应度提取比值取0.5，邻域变化率取0.05，邻域萤火虫数目为5，步长取0.04，荧光素浓度取6，决策半径取为2，数据分组长度取为512B。经Matlab仿真，获得最佳分配矢量测试系统整体在不同节点与多数据源情况下的性能。

　　图5给出了系统分组丢失率与发送速率的关系。基于时延及抖动的分流策略比一般多媒体流接收端分流分发策略组丢失率要低。随着发送速率的增大，当达到约7Mb/s时，两种策略分组丢失率的数值趋于相等。当发送端速率为常规的2.5Mb/s时，本文所提方案比一般负载均衡分流策略分组方案丢失率降低约6%。

　　图6显示迭代50次时，各路径的传输数据速率达到平稳。由图7可以看出，在发送端速率为6Mb/s，种群大小30时，系统分组丢失率将在迭代次数为60时收敛。

　　4结语

　　本文基于Greedy贪心算法、帕累托分布和排队模型理论分析系统链路时延，提出一种多并发高通信环境下的在线教育平台设计架构。分析表明，在多并发高通信的异构网络下，决定系统整体性能的各因素中，数据分组的时间与空间时延会对系统性能起到关键作用。仿真表明，所提自适应分流策略在时间延迟和丢包率方面较现有线上多并发通信方案具有一定优越性。在后续研究中，将重点研究与分析在不同网络架构和接入方式下，相邻链路或前一链路的性能对系统总性能的影响，如反馈状态下各链路的抖动时延，以获得更为精准的分析结果。注：本文通讯作者为廖频。

　　参考文献

　　[1]梁凯，张银克.基于大数据的网络通信系统改进[J].现代电子技术，2019，42（4）：109?111.

　　[2]SHUMINOSKITomislav，JANEVSKIToni.Radionetworkaggregationfor5Gmobileterminalinheterogeneouswirelessnetworks[C]//201311thInternationalConferenceonTelecommunicationinModernSatellite，CableandBroadcastingService.Serbia：IEEE，2013：225?228.

　　[3]王振朝，李哲，田晓燕.基于ODMA?WiFi网络的无线视频监控系统[J].计算机应用与软件，2015，32（6）：156?159.

　　[4]FUJIWARAT，IIDAN，WATANABET.Ahybridwirelessnetworkenhancedwithmultihoppingforemergencycommunications[C]//IEEEInternationalConferenceonCommunications.Boston：IEEE，2004：1130?1146.

　　[5]齐法制，张红梅，张瀚文，等.MANET网络中基于队列长度的逐跳AC自适应调整机制[J].计算机科学，2016，43（3）：84?88.

　　彭小华1，李昆仑1，钟林辉2，廖频3

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