嵌入式多媒體流計算的質量驅動機制與共生調優

《嵌入式多媒體流計算的質量驅動機制與共生調優》是依託華中科技大學，由郭紅星擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：嵌入式多媒體流計算的質量驅動機制與共生調優
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：郭紅星
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

目前常用的嵌入式多媒體流計算系統缺乏質量驅動的動態最佳化機制，不能主動增強套用資源需求的相容性，導致系統資源利用效率不高。本項目根據多媒體流計算的質量可伸縮性，提出結合主動調節計算服務質量的雙向跨層適應來替代傳統的單向被動適應，實現服務質量和計算資源的聯合共生最佳化。研究內容包括動態流計算的系統分析模型，有限系統資源的協同最佳化管理方法，分析跨層互動作用的理論框架和支持多層聯合最佳化的跨層適應機制。創新性地提出場景感知數據流圖描述流計算的動態行為，以模型驅動的灰盒式合作資源分配替代原有的黑盒式競爭資源分配，實現對共享資源的合理分配與高效利用。建立非線性回歸模型來定量分析跨層互動的複雜行為，從而獲得精確的跨層最佳化模型；並基於馬爾柯夫決策過程進行跨層適應，以最佳化系統的長期效用。這種計算模式具有隨套用需求和系統資源變化自行向最優工作點遷移的能力，可節省能耗。研究結果具有重要的理論意義和廣泛的套用前景。

結題摘要

目前常用的嵌入式多媒體流計算系統缺乏質量驅動的動態最佳化機制，不能主動增強套用資源需求的相容性，導致系統資源利用效率不高。本項目根據多媒體流計算的質量可伸縮性，提出結合主動調節計算服務質量的雙向跨層適應來替代傳統的單向被動適應，實現服務質量和計算資源的聯合共生最佳化。研究內容包括動態流計算的系統分析模型，有限系統資源的協同最佳化管理方法，分析跨層互動作用的理論框架和支持多層聯合最佳化的跨層適應機制。創新性地提出場景感知數據流圖描述流計算的動態行為，通過建立狀態方程表征計算過程的狀態變遷軌跡以實現對計算複雜度的動態估計，從而拓展了項目組原來提出的基於簡單線性模型的計算複雜度估計方法（該研究結果曾獲得IEEE ICME 2011最佳論文提名）。使用該狀態方程對計算複雜度進行線上估計，平均估計誤差在7%以內，不僅預測精度高，而且狀態方程更新過程簡單，線上運行負荷極低，特別適用於嵌入式移動設備。同時，利用視頻場景切換時計算過程所需的訪存量不同和在不同快取大小下系統能耗不同的特點，提出頻寬感知的Cache模型和劃分策略，在保證視頻解碼軟實時性的前提下，降低系統能耗。以這兩個模型為基礎，通過模型驅動的灰盒式合作資源分配替代原有的黑盒式競爭資源分配，實現對共享資源的合理分配與高效利用。 利用計算複雜度與能耗之間的依賴關係，建立了通用的系統能耗預測模型。利用峰值信噪比（PSNR）隨碼率改變的變化規律，建立了視頻質量的線上估計模型。基於上述能耗和質量預測模型，提出了質量感知的系統跨層最佳化框架，並建立非線性回歸模型來定量分析跨層互動的複雜行為，從而獲得精確的跨層最佳化模型，實現在滿足用戶質量體驗的基礎上，系統根據運行狀態和用戶需求確定合適的系統參數提供所需的視頻服務。在分析視頻流數據包調度與計算任務的協同性，揭示嵌入式多媒體系統低功耗模型中各個參數相互影響關係的基礎上，提出了以CPU頻率選擇策略為主，網卡狀態調節策略為輔的協同調度節能策略。通過建立無線信道狀態變化的馬爾柯夫模型，預測最佳信道狀態，並綜合CPU處理時延約束影響，動態地調整網卡收發數據包的狀態，並基於馬爾柯夫決策過程進行跨層適應，以最佳化系統的長期效用，實現在保證視頻流套用服務質量的前提下，降低系統能耗。這種計算模式具有隨套用需求和系統資源變化自行向最優工作點遷移的能力，可節省能耗。研究結果具有重要的理論意義和廣泛的套用前景。