摘 要： 隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的普及，基于DASH的流媒體傳輸協(xié)議的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。如何在帶寬波動(dòng)較大的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中保證用戶(hù)實(shí)現(xiàn)流媒體的流暢點(diǎn)播，提高用戶(hù)的體驗(yàn)度是DASH調(diào)度算法最主要研究的問(wèn)題。以提高用戶(hù)體驗(yàn)度為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合帶寬和緩存深度兩方面因素，對(duì)帶寬預(yù)測(cè)模型的置信度進(jìn)行評(píng)價(jià)。在高置信度情況下，大膽地對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬估計(jì)模型的模型參量進(jìn)行調(diào)整；在低置信度情況下，以保護(hù)緩沖區(qū)深度為目的，謹(jǐn)慎地對(duì)模型參量進(jìn)行調(diào)整。這種調(diào)整勢(shì)必會(huì)對(duì)QoE造成相應(yīng)的影響，該影響作為“罰因子”反饋回模型置信度的評(píng)價(jià)，以獲得模型參數(shù)的動(dòng)態(tài)最優(yōu)解，得到一種較好的DASH調(diào)度算法。

關(guān)鍵詞： 罰因子； 體驗(yàn)度； 自適應(yīng)帶寬估計(jì)； DASH

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）16?0045?04

DASH scheduling algorithm based on a penalty factor

YOU Xiao?quan

（Communication Engineering Department， Chengdu Technological University， Chengdu 610031， China）

Abstract： As the mobile network has become universal in recent years， DASH?based streaming media transmission protocol is used more and more widely. Thus， how to guarantee the fluent video?on?demand in the mobile network circumstance with large bandwidth fluctuation and improve the quality of experience （QoE） are the major problems for DASH algorithm. In this paper， in order to improve the users QoE， an evaluation on the confidence coefficient of the bandwidth prediction model is adopted in combination with the bandwidth and buffer depth. A bold adjustment of network bandwidth estimation model parameters under the condition of high degree of confidence. A careful adjustment of the model parameters should be conducted to protect the buffer depth under the condition of low degree of confidence. This adjustment will certainly cause corresponding influence on the QoE. The influence will be taken as the "penalty factor" evaluation of feedback back to the model confidence level for dynamic optimal solution of model parameters and better DASH scheduling algorithm.

Keywords： penalty factor； quality of experience； adaptive bandwidth estimation； DASH

DASH傳輸協(xié)議是一種基于HTTP的多媒體傳輸協(xié)議，所以基于DASH的多媒體數(shù)據(jù)在各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間具有強(qiáng)大的穿透能力[1]。越來(lái)越多的多媒體服務(wù)商采用DASH協(xié)議進(jìn)行媒體的分發(fā)，目前MPEG組織和3GPP 組織聯(lián)合提出了MPEG?DASH（MPEG Dynamic Adaptive Streaming over HTTP）協(xié)議，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[2]。

在服務(wù)器端，同一段視頻內(nèi)容被壓縮成多個(gè)碼率的分片，客戶(hù)端可以通過(guò)HTTP的GET請(qǐng)求不同的碼率分段，以期達(dá)到視頻流的連續(xù)回放的目的[3]。在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量較好的時(shí)候可以請(qǐng)求碼率較高的分段，而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量較差的時(shí)候請(qǐng)求碼率較低的分段，其結(jié)果必須滿(mǎn)足下面四個(gè)條件[4]：盡量避免視頻流回放的停滯；在網(wǎng)絡(luò)帶寬允許的前提下，盡量獲取高質(zhì)量高碼率的視頻分片；盡量不要使不同質(zhì)量分片間的切換過(guò)于頻繁，因?yàn)閺挠脩?hù)體驗(yàn)的角度看，視頻質(zhì)量的頻繁切換的觀看體驗(yàn)度反而不及較低碼率的觀看體驗(yàn)度好；視頻的初始時(shí)間最小化。在各種DASH調(diào)度算法中，動(dòng)態(tài)碼率自適應(yīng)算法得到了廣泛關(guān)注，其中形成兩個(gè)主要類(lèi)別：基于帶寬預(yù)測(cè)的DASH調(diào)度算法[4?5]和基于緩沖區(qū)深度的DASH調(diào)度算法[6?7]。前者通過(guò)對(duì)帶寬進(jìn)行估計(jì)，據(jù)此請(qǐng)求相應(yīng)碼率的視頻分片，帶寬估計(jì)模型的正確性直接影響了用戶(hù)的體驗(yàn)度（QoE），帶寬估計(jì)過(guò)小，用戶(hù)觀看到的視頻質(zhì)量差，帶寬估計(jì)過(guò)大，用戶(hù)觀看到的視頻就會(huì)出現(xiàn)停頓，QoE會(huì)嚴(yán)重下降。后者主要依據(jù)緩存中的媒體分片的多少來(lái)決定未來(lái)請(qǐng)求的碼率質(zhì)量。該方法存在的主要問(wèn)題是不能及時(shí)響應(yīng)帶寬的變化情況，對(duì)碼率切換的決策都帶來(lái)一定的滯后。

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，短時(shí)平均帶寬的起伏較大，上述兩種方法所存在的問(wèn)題都有可能使得QoE產(chǎn)生嚴(yán)重的下降。所以，DASH調(diào)度算法的決策應(yīng)當(dāng)充分考慮帶寬和緩存區(qū)深度兩方面的問(wèn)題，即在充分的考慮帶寬估計(jì)模型的置信度的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)考慮緩存區(qū)深度的變化情況以及它們之間的相互關(guān)系。因此本文首先分析了QoE的影響因素，以提高用戶(hù)體驗(yàn)度為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合帶寬和緩存深度兩方面因素，對(duì)帶寬預(yù)測(cè)模型的置信度進(jìn)行評(píng)價(jià)。在高置信度情況下，大膽地對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬估計(jì)模型的模型參量進(jìn)行調(diào)整；在低置信度情況下，以保護(hù)緩沖區(qū)深度為目的，謹(jǐn)慎地對(duì)模型參量進(jìn)行調(diào)整。這些調(diào)整勢(shì)必會(huì)對(duì)QoE造成相應(yīng)的影響，該影響作為“罰因子”反饋回模型置信度的評(píng)價(jià)，以獲得模型參數(shù)的動(dòng)態(tài)最優(yōu)解，得到一種較好的DASH調(diào)度算法。

圖1 MPEG?DASH協(xié)議的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 QoE的影響因素分析

在前文所述的四個(gè)條件中，前面三個(gè)條件均能對(duì)QoE產(chǎn)生顯著的影響，其中視頻流停滯對(duì)QoE的影響最大，可以描述為式（1）：

[BW≥f（si）?titi+tn] （1）

式中：BW為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的平均帶寬；ti為下一個(gè)分片的時(shí)長(zhǎng)；tn為緩存區(qū)已存儲(chǔ)分片的時(shí)長(zhǎng)；f（si）為所第i個(gè)時(shí)間片的視頻流碼率：其次為視頻流碼率對(duì)QoE的影響，視頻流平均碼率可以描述為式（2）：

[μbitrate=i=0Nfsi?tiT] （2）

式中：T為視頻流的總時(shí)長(zhǎng)。為了得到較高的用戶(hù)體驗(yàn)，要求視頻流的平均碼率盡可能高。

最次為視頻流切換對(duì)QoE的影響，其切換的代價(jià)函數(shù)可以描述為式（3）：

[σ2=i=0Ngsi] （3）

式中的[gsi]可以描述為：

[gsi=0，fsi-1=fsi1，other]

上式反映了視頻流的波動(dòng)會(huì)造成QoE的下降。

通過(guò)分析，BW預(yù)測(cè)的誤差會(huì)帶來(lái)如下幾種情況：

（1） 當(dāng)BW預(yù)測(cè)值超出實(shí)際值過(guò)大，導(dǎo)致式不成立，造成嚴(yán)重的QoE下降，這也是最嚴(yán)重的一種后果；

（2） 當(dāng)BW預(yù)測(cè)值遠(yuǎn)低于實(shí)際值，導(dǎo)致式中的平均碼率過(guò)低，造成QoE的下降；

（3） 當(dāng)BW預(yù)測(cè)值在實(shí)際值周?chē)^大波動(dòng)時(shí)，就會(huì)造成緩存深度的波動(dòng)，導(dǎo)致式中切換的頻繁發(fā)生，造成QoE的下降。由此可見(jiàn)，帶寬預(yù)測(cè)模型的正確性直接決定了QoE的下降與否。

2 基于“罰因子”的DASH調(diào)度模型

一種較為準(zhǔn)確的帶寬預(yù)測(cè)模型是依據(jù)歷史的實(shí)際帶寬和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)當(dāng)前的帶寬預(yù)測(cè)值，一階預(yù)測(cè)模型可以表示為：

[BWi=P?BRi-1+1-P?BWi-1] （4）

式中：[BRi-1]為上一時(shí)刻帶寬的實(shí)測(cè)值，該值可以在客戶(hù)端下載數(shù)據(jù)時(shí)計(jì)算得到；[BWi-1]為上一時(shí)刻帶寬的預(yù)測(cè)值，[BWi]為當(dāng)前時(shí)刻帶寬的預(yù)測(cè)值；P為模型因子，本文稱(chēng)作“罰因子”。式（4）所表示的預(yù)測(cè)模型可以理解為：當(dāng)前預(yù)測(cè)值是對(duì)上一時(shí)刻預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的折中[9?11]。如果“罰因子”較大，說(shuō)明預(yù)測(cè)模型存在較大的誤差，那么當(dāng)前的預(yù)測(cè)值更多的相信上一時(shí)刻的實(shí)測(cè)值；如果“罰因子”較小，說(shuō)明模型比較可靠，應(yīng)該更多的相信模型的預(yù)測(cè)值?？紤]到視頻流的碼率也存在一定的波動(dòng)，在實(shí)際應(yīng)用里，采用緩存深度波動(dòng)代替預(yù)測(cè)誤差，即實(shí)際帶寬與選擇的視頻流碼率不匹配時(shí)，緩存深度變化較大，“罰因子”應(yīng)取較大值，反之取較小值。本文構(gòu)造的“罰因子”如下的一個(gè)連續(xù)函數(shù)：

[P=α， δ≤δ01-2α1-2δ0δ-δ0+α， δ0<δ≤1-δ01-α， else] （5）

式中：α為一較小的正數(shù)，如0.1，用于增加模型的擾動(dòng)；[δ]為緩存深度的變化率，定義為： [δ=tn-1-tntn]。[δ0]為模型的臨界值，也為一較小的正數(shù)，如0.05。當(dāng)[δ≤δ0]時(shí)，認(rèn)為帶寬預(yù)測(cè)模型比較可靠，當(dāng)[δ≥δ0]時(shí)認(rèn)為帶寬的預(yù)測(cè)模型較粗糙，需要增加“罰因子”。

上述基于“罰因子”的帶寬預(yù)測(cè)模型可以用于預(yù)測(cè)帶寬的預(yù)測(cè)值，實(shí)際帶寬往往在其預(yù)測(cè)值左右擺動(dòng)，這就存在一個(gè)帶寬預(yù)測(cè)值的置信度概率密度分布，將該概率密度函數(shù)記為，其中BW為帶寬。一般的，應(yīng)為一條連續(xù)的曲線，為了簡(jiǎn)化模型的復(fù)雜度，可以用折線法近似地替代該曲線，如圖2所示。

圖2 帶寬預(yù)測(cè)模型置信度概率分布

圖2中，BWmax為網(wǎng)絡(luò)的最大接入帶寬值，BWi為根據(jù)“罰因子”帶寬預(yù)測(cè)模型得到的帶寬預(yù)測(cè)值；P0～P2為各自帶寬值所對(duì)應(yīng)的概率密度，可以將其看作概率分布函數(shù)的參數(shù)，可用于評(píng)價(jià)帶寬預(yù)測(cè)模型的可靠性，如果預(yù)測(cè)模型可靠，則P0較大，P1與P2較小，實(shí)際帶寬在BWi附近的可能性較大；反之亦然。根據(jù)概率密度的性質(zhì)為：

[0+∞PBWdBW=1] （6）

式（6）表明，圖2中折線和BW軸所圍的面積恒等于1，說(shuō)明已知P0～P2和BWi就可以獲得帶寬預(yù)測(cè)模型可靠性的概率模型，其中BWi可由帶寬預(yù)測(cè)模型得到，而P0～P2可以根據(jù)下述方法得到：在下載分片數(shù)據(jù)的過(guò)程中，客戶(hù)端一定可以測(cè)得當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際帶寬。借此，可以對(duì)上述帶寬預(yù)測(cè)模型的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。如果預(yù)測(cè)值與實(shí)際值相差不大，那么就可以認(rèn)為預(yù)測(cè)模型是準(zhǔn)確的，可以將圖2中的P0加大，反之減小P0。在實(shí)際操作中可以結(jié)合P0～P2同時(shí)調(diào)整，即當(dāng)實(shí)際帶寬大于預(yù)測(cè)帶寬時(shí)等比例的加大P0與P1，同時(shí)減小P2，反之加大P0和P2，同時(shí)減小P1。在這種方法中，注意保證滿(mǎn)足式（6）所規(guī)定的條件。只要預(yù)測(cè)值與實(shí)際值相差不大，該方法會(huì)加大P0，對(duì)預(yù)測(cè)模型的可靠性做出評(píng)價(jià)。

通過(guò)式（1）可以計(jì)算出發(fā)生QoE停滯損耗的臨界帶寬BWc式所述的，其QoE下降的風(fēng)險(xiǎn)概率為：

[DQoE=0BWcPBWdBW] （7）

當(dāng)式（7）中的[DQoE]較大時(shí)，說(shuō)明發(fā)生式（1）所描述的QoE下降概率較大，而應(yīng)該出于謹(jǐn)慎的態(tài)度選擇碼率較低的視頻流分片，直至式（7）中的[DQoE]能夠被接受。當(dāng)式（7）中的[DQoE]較小時(shí)，說(shuō)明式（4）所預(yù)測(cè)的[BWi]具有較高的置信度，DASH的調(diào)度應(yīng)該按照式所述的方式進(jìn)行。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

本文所述的DASH調(diào)度算法以VLC為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，視頻分片流采用12個(gè)不同碼率（200 Kb/s，300 Kb/s，400 Kb/s，500 Kb/s，600 Kb/s，700 Kb/s，800 Kb/s，1 000 Kb/s，1 200 Kb/s，1 400 Kb/s，1 600 Kb/s，1 800 Kb/s）編碼壓縮的Big Buck Bunny[12]，編碼器為X264。其實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 DASH實(shí)驗(yàn)設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

其中Bandwidth Shaping可以模擬網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化，本文實(shí)驗(yàn)首先采用隨機(jī)帶寬模型和文獻(xiàn)[6]所描述的算法進(jìn)行對(duì)比，網(wǎng)絡(luò)帶寬設(shè)置為0～100 s為600 Kb/s，100～200 s網(wǎng)絡(luò)帶寬上升為1 600 Kb/s，200～300 s網(wǎng)絡(luò)帶寬又下降為600 Kb/s。文獻(xiàn)[6]算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，從中可以發(fā)現(xiàn)該算法在響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化有一定的滯后，并且緩沖區(qū)深度在200 s處有明顯的下降，該下降存在QoE的停滯下降可能。

圖4 基于緩沖區(qū)深度的DASH調(diào)度算法結(jié)果

圖5是采用本文算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到本算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的適應(yīng)性較強(qiáng)，并在網(wǎng)絡(luò)帶寬發(fā)生突變時(shí)緩沖區(qū)深度變化不大，造成QoE停滯下降的風(fēng)險(xiǎn)比文獻(xiàn)[6]的小。在隨機(jī)變化的信道中也有相似之處。

4 結(jié) 論

本文采用一種基于“罰因子”的帶寬預(yù)測(cè)模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)利用實(shí)際帶寬值對(duì)該模型的置信度進(jìn)行評(píng)價(jià)，在QoE下降風(fēng)險(xiǎn)可接受的前提下對(duì)DASH進(jìn)行調(diào)度決策。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠及時(shí)響應(yīng)帶寬的變化，另一方面，式（5）中“罰因子”的計(jì)算是采用緩存中剩余時(shí)間得到的，這能抵消部分由于視頻碼率的波動(dòng)所造成的影響，從圖5中緩存剩余時(shí)間也可以得到相應(yīng)結(jié)果。綜上所述，本文所述的算法是一種較好的DASH調(diào)度算法。

圖5 本文算法結(jié)果

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圖3 DASH實(shí)驗(yàn)設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

其中Bandwidth Shaping可以模擬網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化，本文實(shí)驗(yàn)首先采用隨機(jī)帶寬模型和文獻(xiàn)[6]所描述的算法進(jìn)行對(duì)比，網(wǎng)絡(luò)帶寬設(shè)置為0～100 s為600 Kb/s，100～200 s網(wǎng)絡(luò)帶寬上升為1 600 Kb/s，200～300 s網(wǎng)絡(luò)帶寬又下降為600 Kb/s。文獻(xiàn)[6]算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，從中可以發(fā)現(xiàn)該算法在響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化有一定的滯后，并且緩沖區(qū)深度在200 s處有明顯的下降，該下降存在QoE的停滯下降可能。

圖4 基于緩沖區(qū)深度的DASH調(diào)度算法結(jié)果

圖5是采用本文算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到本算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的適應(yīng)性較強(qiáng)，并在網(wǎng)絡(luò)帶寬發(fā)生突變時(shí)緩沖區(qū)深度變化不大，造成QoE停滯下降的風(fēng)險(xiǎn)比文獻(xiàn)[6]的小。在隨機(jī)變化的信道中也有相似之處。

4 結(jié) 論

本文采用一種基于“罰因子”的帶寬預(yù)測(cè)模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)利用實(shí)際帶寬值對(duì)該模型的置信度進(jìn)行評(píng)價(jià)，在QoE下降風(fēng)險(xiǎn)可接受的前提下對(duì)DASH進(jìn)行調(diào)度決策。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠及時(shí)響應(yīng)帶寬的變化，另一方面，式（5）中“罰因子”的計(jì)算是采用緩存中剩余時(shí)間得到的，這能抵消部分由于視頻碼率的波動(dòng)所造成的影響，從圖5中緩存剩余時(shí)間也可以得到相應(yīng)結(jié)果。綜上所述，本文所述的算法是一種較好的DASH調(diào)度算法。

圖5 本文算法結(jié)果

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圖3 DASH實(shí)驗(yàn)設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

其中Bandwidth Shaping可以模擬網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化，本文實(shí)驗(yàn)首先采用隨機(jī)帶寬模型和文獻(xiàn)[6]所描述的算法進(jìn)行對(duì)比，網(wǎng)絡(luò)帶寬設(shè)置為0～100 s為600 Kb/s，100～200 s網(wǎng)絡(luò)帶寬上升為1 600 Kb/s，200～300 s網(wǎng)絡(luò)帶寬又下降為600 Kb/s。文獻(xiàn)[6]算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，從中可以發(fā)現(xiàn)該算法在響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化有一定的滯后，并且緩沖區(qū)深度在200 s處有明顯的下降，該下降存在QoE的停滯下降可能。

圖4 基于緩沖區(qū)深度的DASH調(diào)度算法結(jié)果

圖5是采用本文算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到本算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的適應(yīng)性較強(qiáng)，并在網(wǎng)絡(luò)帶寬發(fā)生突變時(shí)緩沖區(qū)深度變化不大，造成QoE停滯下降的風(fēng)險(xiǎn)比文獻(xiàn)[6]的小。在隨機(jī)變化的信道中也有相似之處。

4 結(jié) 論

本文采用一種基于“罰因子”的帶寬預(yù)測(cè)模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)利用實(shí)際帶寬值對(duì)該模型的置信度進(jìn)行評(píng)價(jià)，在QoE下降風(fēng)險(xiǎn)可接受的前提下對(duì)DASH進(jìn)行調(diào)度決策。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠及時(shí)響應(yīng)帶寬的變化，另一方面，式（5）中“罰因子”的計(jì)算是采用緩存中剩余時(shí)間得到的，這能抵消部分由于視頻碼率的波動(dòng)所造成的影響，從圖5中緩存剩余時(shí)間也可以得到相應(yīng)結(jié)果。綜上所述，本文所述的算法是一種較好的DASH調(diào)度算法。

圖5 本文算法結(jié)果

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