黃勝 付園鵬 張倩云

摘 要：針對現(xiàn)有的基于超文本傳輸協(xié)議的動態(tài)自適應(yīng)流（DASH）碼率自適應(yīng)算法在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中碼率切換頻繁以及平均碼率偏低的問題，提出一種基于DASH標準的碼率平滑切換（RSS）算法。首先，算法的帶寬檢測機制利用滑動窗口對歷史下載速率進行取樣以計算帶寬偏移系數(shù)，根據(jù)帶寬偏移系數(shù)的大小初步判斷帶寬的波動情況，并對波動較大的情況進一步確定是否存在一致性變化趨勢，從而區(qū)分出帶寬的持續(xù)變化和短暫抖動，同時計算出相應(yīng)情況下的帶寬預(yù)測值;其次，算法的碼率決策模型綜合考慮帶寬波動情況、緩存占用和變化情況及帶寬預(yù)測值等，并且分別采取快速緩沖（FB）、緩慢切換（SS）、快速上升（FR）、約束下降（LD）、穩(wěn)定保持（SH）策略和休眠機制對碼率選擇過程進行動態(tài)控制。實驗結(jié)果表明，與基于模糊邏輯的碼率自適應(yīng)算法以及吞吐量調(diào)節(jié)驅(qū)動的碼率自適應(yīng)算法相比，該算法在播放開始時能夠在最短時間內(nèi)將視頻碼率提升到最佳水平，提高視頻播放過程中的平均碼率，在播放過程中帶寬驟變和交替性頻繁波動情況下都能夠很好地維持視頻碼率的穩(wěn)定，將切換次數(shù)降到最低，從而獲得良好的無線端視頻體驗質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò);基于超文本傳輸協(xié)議的動態(tài)自適應(yīng)流;帶寬檢測;帶寬一致性變化趨勢;體驗質(zhì)量

中圖分類號：TN919.8;TP393

文獻標志碼：A

文章編號：1001-9081（2019）04-1122-05

Abstract： Concerning the fact that the existing rate adaptation algorithms based on Dynamic Adaptive Streaming over HTTP （DASH） have frequent bitrate switching and low average bitrate in wireless network， a Rate Smooth Switching （RSS） algorithm based on DASH standard was proposed. Firstly， a sliding window was used by the bandwidth detection mechanism of the algorithm to sample the download speed of historical segments to calculate the bandwidth offset coefficient， the fluctuation of the bandwidth was initially determined according to the value of offset coefficient， and the situation of the fluctuation was further determined whether there was a consistent variation trend， thereby distinguishing continuous variation and short-term jitter of the bandwidth， and the bandwidth prediction value corresponding to each circumstance was calculated. Secondly， with bandwidth fluctuation， buffer occupancy and variation， bandwidth prediction value considered， the rate decision model of the algorithm adopted Fast Buffering （FB）， Slow Switching （SS）， Fast Rising （FR）， Limited Declining （LD）， Stable Holding （SH） strategies and sleeping mechanism to dynamically control the video bitrate selection process. The experimental results show that compared with fuzzy-based DASH rate adaptation algorithm and modulated throughput driven rate adaptation algorithm， the proposed algorithm can not only increase the bitrate to optimum level in the shortest time at the beginning of video playback to improve the average bitrate， but also minimize the number of bitrates'?switching in the case of sudden change and frequent fluctuation of bandwidth， thus obtaining a good quality of experience for wireless video users.

Key words： wireless network; Dynamic Adaptive Streaming over HTTP （DASH）; bandwidth detection; consistent variation trend of bandwidth; Quality of Experience （QoE）

0?引言

近年來，以音視頻為主的多媒體內(nèi)容一直是互聯(lián)網(wǎng)流量的主要增長點，由于在傳輸視頻數(shù)據(jù)時很少會根據(jù)當前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和終端設(shè)備的狀態(tài)來動態(tài)調(diào)節(jié)傳輸參數(shù)，傳統(tǒng)的流媒體技術(shù)已經(jīng)很難滿足移動端視頻用戶的業(yè)務(wù)需求;于是，基于超文本傳輸協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol， HTTP）的動態(tài)自適應(yīng)流（Dynamic Adaptive Streaming over HTTP， DASH）[1]應(yīng)運而生，作為一種新興的流媒體傳輸技術(shù)，DASH通過在服務(wù)端存儲多種碼率的視頻切片，使終端用戶可以根據(jù)自身的需求和網(wǎng)絡(luò)條件自適應(yīng)地選擇最佳碼率的切片進行下載、播放，大幅提高了視頻終端的主動性和播放質(zhì)量。此外，DASH還具有部署成本低、拓展性強、兼容性好等諸多優(yōu)點[2]?，F(xiàn)有基于DASH標準的碼率自適應(yīng)算法主要包括兩類：

一類是基于緩存的碼率自適應(yīng)算法，例如文獻[3]提出的是一種基于緩存分區(qū)的碼率自適應(yīng)算法，其通過對緩存分等級設(shè)置不同的倍增系數(shù)決定待請求切片的估計碼率;文獻[4]提出基于模糊邏輯的FDASH（Fuzzy-based DASH）碼率自適應(yīng)算法，根據(jù)緩存增量變化以及當前緩存與目標緩存的差值，實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)選擇合適碼率。

基于緩存的碼率自適應(yīng)算法通過考慮緩存占用率和緩存變化率完成對自適應(yīng)策略的建模能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)條件劇烈變化對視頻碼率穩(wěn)定性的負面影響，保證視頻流暢播放;但是不能靈活、快速地跟隨網(wǎng)絡(luò)切換視頻碼率，容易造成帶寬資源利用不足、平均碼率偏低。

另一類是基于帶寬的碼率自適應(yīng)算法，例如文獻[5]提出了一種基于MACD（Moving Average Convergence and Divergence）的帶寬估計方案，利用股市預(yù)測中的EMA（Exponential Moving Average）指數(shù)計算可用帶寬后進行碼率適配;文獻[6]中提到Adobe公司的開源媒體框架（Open Source Media Framework，OSMF）流媒體播放器，其自適應(yīng)機制則是根據(jù)最近請求的兩個片段的下載時長來估計可用帶寬，從而選擇不高于該估計值最大碼率的切片進行下載。

基于帶寬的碼率自適應(yīng)算法研究重點在于如何準確可靠地預(yù)測可用帶寬，這類方法有效實現(xiàn)了碼率的靈活、快速切換;但是在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不穩(wěn)定的環(huán)境下，碼率會隨著帶寬變化頻繁切換，導(dǎo)致播放不流暢。無線鏈路由于是利用電磁波來傳輸數(shù)據(jù)，信號傳輸過程中易受干擾、信道的時變性比較強[7]，因此將兩類碼率自適應(yīng)算法直接運用于無線端容易造成視頻碼率切換頻繁或平均碼率偏低。

針對上述問題，本文綜合考慮帶寬和緩存兩方面因素，提出一種基于DASH標準的碼率平滑切換（Rate Smooth Switching， RSS）算法，針對多種網(wǎng)絡(luò)變化情況制定更加細致、高效的碼率自適應(yīng)策略，提升移動端視頻用戶體驗質(zhì)量（Quality of Experience， QoE）。

RSS算法主要包括帶寬檢測機制和碼率決策模型兩部分。帶寬檢測機制能夠區(qū)分帶寬的短暫波動和持續(xù)變化，對帶寬的“尖峰”進行平滑處理并計算帶寬預(yù)測值;碼率決策模型則綜合考慮帶寬波動情況、帶寬預(yù)測結(jié)果、緩存變化等情況，采取相應(yīng)的調(diào)整策略對切片碼率進行自適應(yīng)選擇。

1?DASH流媒體碼率平滑切換算法

1.1?帶寬檢測機制

其中：為最近請求的N（N≥10）個切片的下載速率的平均值;σN為N（N≥10）個切片的下載速率的標準差。

第i個切片的下載速率可以參考文獻[9]，由第i個切片數(shù)據(jù)量，即切片碼率S（li）與其持續(xù)時長 τ 的乘積，除以下載該切片花費的時間得到，如式（4）所示：di=S（li）·τΔti（4）

下載切片所花費時間則近似看作該切片下載完成時刻減去前一切片下載完成的時刻[9]，計算公式如式（5）所示：

帶寬偏移系數(shù)cv顯示了最近N個切片實際下載速率值的離散程度，cv的值較小時說明帶寬在一段時間內(nèi)波動變化小，盡管可能存在短暫大幅波動，但鏈路帶寬整體變化趨勢是相對平穩(wěn)的;反之，cv的值較大時說明帶寬具有持續(xù)性大幅波動。因此，定義一個穩(wěn)定閾值θ，用來衡量當前帶寬的波動程度：若偏移系數(shù)cv在（0，θ）內(nèi)時，當前鏈路帶寬處于平穩(wěn)狀態(tài);否則，帶寬存在持續(xù)較長時間的大幅度波動。

在完成對帶寬波動情況的判斷之后，帶寬檢測機制還需要進一步計算帶寬預(yù)測值，記作

d?～i+1

?？紤]到帶寬預(yù)測值與帶寬波動情況有很大相關(guān)性，因此，對不同波動情況下的帶寬預(yù)測值進行分類討論：1）對于cv≤θ，即帶寬處于平穩(wěn)狀態(tài)的情形，考慮到帶寬可能存在短暫波動，利用最近M（M≤N）個切片下載速率的平均值作為帶寬預(yù)測值，能夠較好地降低帶寬驟變對視頻碼率穩(wěn)定性的不良影響。

2）?對于cv>θ，即帶寬處于持續(xù)性大幅波動狀態(tài)的情形，考慮到該情形下切片實際下載速率有可能跟歷史數(shù)據(jù)的平均值相差很大，因此本文引入切片下載速率差值對帶寬的一致性變化趨勢進行判斷，定義為第i個切片下載速率相對第i -1個切片下載速率的增量，如式（6）所示：

通過分析Δdi的值，可以確定短期內(nèi)帶寬的變化趨勢是上升還是下降。定義L為帶寬一致性變化的動態(tài)周期，此外，關(guān)于帶寬是否存在一致性變化趨勢的判斷，考慮到L值較小的情況，不能確定帶寬是否具有長期一致性變化趨勢，因此對于周期L需要設(shè)定一個閾值TL，當L ≤ TL時，此時帶寬整體變化趨勢并不明顯，上升和下降情況交替出現(xiàn)，不具有一致性變化特征，仍由M個切片下載速率的平均值作為帶寬預(yù)測值。

1.2?碼率決策模型

算法在執(zhí)行完帶寬檢測機制后，接著對切片碼率進行選擇，本文算法對最大可容納時長為q的緩存空間設(shè)置兩個閾值：qmin和qmax，如圖1所示。兩個緩存閾值之間的區(qū)域為目標緩存區(qū)間，且目標區(qū)間的中值為目標緩存值qtar，即qtar=（qmin+qmax）/2。

2）若cv> θ 且L ≤ TL，即帶寬已出現(xiàn)大幅波動但還不能確定具有一致性變化趨勢時，考慮帶寬可能出現(xiàn)較大幅度的短暫波動，因此，對于碼率選擇采取穩(wěn)定保持（Stable Holding， SH）策略，選擇和前一切片相同的碼率等級，即 li+1=li。

3）若cv>θ且L > TL，即帶寬變化趨勢具有明顯一致性時，考慮帶寬具有較大幅度的長期波動，且分兩種情況：長期大幅上升及長期大幅下降。對于上升趨勢，采取快速上升策略，即選擇不高于帶寬預(yù)測值的最小碼率所對應(yīng)的等級，在最短時間內(nèi)提升碼率等級至可用帶寬允許的最佳水平;對于下降趨勢，考慮在播放過程中，減小視頻碼率時切片碼率等級不宜一次性下降幅度過大，因此對碼率等級向下調(diào)節(jié)過程采取步長約束方法。以上內(nèi)容的具體實現(xiàn)方法如下所述：

②若Δdi遞減，帶寬具有長期大幅下降趨勢，采取約束下降（Limited Declining， LD）策略，優(yōu)先碼率等級的下降幅度，即一次性下降的碼率等級限定最多不超過3，在此基礎(chǔ)上盡可能地選取低于帶寬預(yù)測值的最佳碼率。

情形三?若當前緩存時長q（ti）滿足qmax≤q（ti）

1.3?算法執(zhí)行流程

考慮到本文算法需要利用滑動窗口取N個切片實際下載速率作為帶寬檢測的數(shù)據(jù)樣本，因此，在初始啟動階段，首先以最低碼率等級r0請求前三個切片，之后N-3個切片的下載則采取快速上升策略切換碼率，在保證緩存充足的情況下以最快的速度將視頻碼率提升到當前帶寬所允許的最佳水平。

RSS算法的執(zhí)行流程描述如下：輸入?切片序號i、第i個切片的碼率等級li、第i個切片下載完成時刻ti以及緩存占用水平q（ti）。

輸出?第i+1個切片的碼率等級li+1、休眠時長ts。

1）帶寬檢測機制。

①若i

②啟動滑動窗口采集數(shù)據(jù)樣本，計算最近N個切片實際下載速率的cv、和σN。

③判斷偏移系數(shù)是否小于閾值，若cv≤θ，計算最近M個切片實際下載速率平均值作為d?～i+1并執(zhí)行步驟⑤;否則，繼續(xù)向下執(zhí)行。

④利用下載速率差值判斷帶寬變化趨勢是否具有一致性，若L≤TL，計算最近M個切片實際下載速率平均值作為d?～i+1;否則，計算下載速率差值的預(yù)測值與第i個切片下載速率之和，得到d?～i+1。

⑤結(jié)束帶寬檢測。

2）碼率決策模型。

①若i<3，返回li+1=r0，直接執(zhí)行步驟⑨;否則，繼續(xù)向下執(zhí)行。

②若3≤i

③判斷緩存占用水平，若q（ti）

④確定返回的休眠時長，若q（ti）>qmax，返回ts=q（ti）-qmax并更新q（ti）;否則返回ts=0。

⑤判斷帶寬波動情況，若cv≤ θ，執(zhí)行步驟⑥;否則執(zhí)行步驟 ⑦。

⑥計算平滑可用帶寬，采取SS策略返回li+1，執(zhí)行步驟⑨。

⑦判斷是否具有一致性變化趨勢，若L≤TL，采取SH策略返回li+1并執(zhí)行步驟⑨;否則，繼續(xù)向下執(zhí)行。

⑧判斷一致性變化趨勢為上升還是下降，若為下降，采取LD策略返回li+1;否則采取FR策略返回li+1。

⑨結(jié)束碼率選擇。

2?性能仿真與分析

2.1?仿真環(huán)境與參數(shù)

為驗證本文算法的自適應(yīng)效果，采用NS3中DASH模塊進行仿真。操作系統(tǒng)為Ubuntu 14.04，主機CPU為2.3GHz，RAM為4GB。

將文獻[4]中FDASH碼率自適應(yīng)算法和文獻[12]中針對無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的吞吐量調(diào)節(jié)驅(qū)動的碼率自適應(yīng)（Modulated Throughput Driven Rate Adaptation， MTDRA）算法作為比較對象，對3種碼率自適應(yīng)算法在相同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行仿真，并分析其結(jié)果。在算法的驗證實驗中，將RSS算法的滑動窗口長度N設(shè)為12，計算帶寬預(yù)測值所需數(shù)據(jù)個數(shù)M設(shè)為10，帶寬一致性變化周期閾值TL設(shè)為3，播放緩存閾值qmin、qmax分別設(shè)置為4s、75s，帶寬偏移系數(shù)的穩(wěn)定閾值θ設(shè)置為0.2。FDASH算法的目標播放緩存設(shè)置為35s，吞吐量估計周期設(shè)置為10s，輸出成員函數(shù)的系數(shù)N1、N2、Z、P1、P2分別設(shè)置為 0.5、0.25、1、1.5、2。將MTDRA算法的平滑因子γ設(shè)置為0.5，緩存閾值Bl、Bh分別設(shè)置為20s、60s。本文實驗中服務(wù)端存儲的視頻碼率設(shè)定為500Kb/s、700Kb/s、1000Kb/s、1300Kb/s、1600Kb/s、2000Kb/s、2550Kb/s、3100Kb/s、3650Kb/s、4200Kb/s十種版本，為保證盡可能低的初始播放時延，將初始碼率設(shè)置為r0[13]，即所有的算法初始碼率都選擇為500Kb/s，視頻切片的持續(xù)時長τ設(shè)置為2s，仿真時長設(shè)置為400s。

2.2?仿真結(jié)果分析

DASH碼率自適應(yīng)算法動態(tài)調(diào)整碼率的目的是為了讓用戶在帶寬不穩(wěn)定環(huán)境中獲得良好QoE。根據(jù)文獻[14]的研究表明，QoE的主要影響因素為：視頻碼率、碼率切換的頻率及幅度、播放停頓次數(shù)及停頓時長。其中，視頻播放的流暢程度對于用戶的QoE影響最大，而視頻的平均碼率和切換的次數(shù)同樣會對用戶的QoE產(chǎn)生影響，平均碼率高則意味著帶寬利用率高、視頻畫質(zhì)更加清晰，碼率切換次數(shù)過于頻繁則會增加用戶的視覺疲勞。另外，播放的初始時延對于用戶的體驗質(zhì)量也至關(guān)重要，考慮到本文在仿真時將三種算法的初始碼率都設(shè)置為500Kb/s，因此初始時延相同，而且FDASH算法、MTDRA算法與RSS算法都有相應(yīng)的緩存控制機制，在仿真過程過程中未出現(xiàn)緩存下溢（表現(xiàn)為播放中斷）情況，所以本文選擇播放平均碼率和碼率切換次數(shù)作為碼率自適應(yīng)算法的QoE評價指標。

圖2（b）顯示了三種算法在圖2（a）所示帶寬緩慢變化過程中的碼率選擇結(jié)果，F(xiàn)DASH 碼率自適應(yīng)算法在仿真開始時將視頻切片碼率穩(wěn)定在700Kb/s，仿真持續(xù)到80s左右時，F(xiàn)DASH算法選擇的碼率才攀升至當前帶寬允許的最佳水平，即2000Kb/s，在之后的仿真過程中，F(xiàn)DASH算法能夠獲得很好的自適應(yīng)效果?？紤]到現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中視頻終端接入網(wǎng)絡(luò)時，帶寬并不是由0Kb/s逐漸增大，所以FDASH算法在終端接入網(wǎng)絡(luò)后，初期的碼率自適應(yīng)過程可能如仿真結(jié)果所示，需要花費較長時間將視頻碼率調(diào)節(jié)至帶寬允許最大可用水平，這將會明顯降低視頻播放初期的用戶體驗質(zhì)量。相比之下，MTDRA算法能夠在初始階段較快地將碼率提升到最佳水平，在整個仿真過程中也取得了不低的平均碼率，但是由于MTDRA算法努力將緩存控制在目標區(qū)間內(nèi)，所以增加了一些不必要的碼率切換次數(shù)，降低了播放過程中用戶體驗質(zhì)量。至于本文提出的RSS算法，在視頻播放的初始階段則能夠在最短時間內(nèi)將碼率提升至最佳的水平，充分利用帶寬資源，提高整個播放過程中的平均碼率。在仿真的中后期，RSS算法每次切換碼率的時刻相對于FDASH算法略微滯后，但也都能準確、及時地跟隨帶寬變化對視頻碼率進行相應(yīng)的調(diào)整。

圖3（a）中顯示了鏈路實際帶寬變化與RSS算法的估計帶寬變化的對比效果，RSS算法的帶寬檢測機制平滑處理了帶寬的兩次“尖峰”跳變，在150～180s帶寬周期性波動期間也能夠較好平滑帶寬估計值。

圖3（b）是三種算法在圖3（a）所示帶寬劇烈波動過程中碼率選擇結(jié)果，F(xiàn)DASH算法在仿真開初始階段的碼率自適應(yīng)過程與圖2（b）中類似，需要花費較長時間提升碼率至最佳水平。在之后帶寬周期性波動期間，F(xiàn)DASH算法能夠很好地維持碼率的穩(wěn)定，降低碼率切換頻率，但是在帶寬兩次短暫跳變過程中，F(xiàn)DASH的碼率卻出現(xiàn)了明顯的抖動。MTDRA算法在帶寬兩次短暫跳變過程中都能很好地維持碼率穩(wěn)定，降低切換頻率，但是在帶寬周期性波動的后期，碼率發(fā)生了明顯地上下抖動。同前面帶寬緩慢變化情況下一樣，RSS算法在仿真初始階段能迅速將碼率調(diào)整到最佳水平，在之后帶寬兩次短暫跳變、周期性波動期間，都能夠很好地維持碼率穩(wěn)定，大幅降低帶寬劇烈波動環(huán)境中碼率切換頻率。另外，在250～310s鏈路傳輸速率處于持續(xù)“低迷”情況下，RSS算法能夠較長時間維持相對較高的碼率水平，從而提高整個仿真過程中的平均碼率。

表1顯示了三種碼率自適應(yīng)算法分別在圖2（a）和圖3（a）帶寬變化情況下的QoE指標統(tǒng)計結(jié)果，可以看出：在帶寬緩慢變化情況下，RSS算法能夠在切換次數(shù)最少的基礎(chǔ)上獲得最大的平均碼率，分別高出MTDRA算法和FDASH算法55.0Kb/s和192.9Kb/s;在帶寬劇烈波動情況下，RSS算法的平均碼率依然高于另外兩種碼率自適應(yīng)算法，在切換頻率上，RSS算法在仿真過程中切換了8次碼率，少于MTDRA算法和FDASH算法的12次和15次，即在帶寬波動幅度較大、頻率較高的情況下，RSS算法的碼率自適應(yīng)過程比另外兩種算法碼率切換次數(shù)更少，穩(wěn)定性更好。

3?結(jié)語

針對無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，現(xiàn)有DASH碼率自適應(yīng)算法在視頻播放過程中碼率切換頻繁以及帶寬利用率偏低的問題，本文提出一種基于DASH的流媒體碼率平滑切換算法，利用帶寬檢測機制對當前可用帶寬進行平滑估計，同時利用碼率決策模型中的不同碼率等級調(diào)整策略動態(tài)選擇視頻碼率。實驗結(jié)果表明，本文算法能夠較好減少帶寬短暫波動時碼率切換次數(shù)且取得較高平均碼率，為無線端視頻用戶提供良好的QoE。下一步工作將在實際視頻傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用本文算法，對移動客戶端碼率切換效果進行分析，并對局域網(wǎng)多客戶端視頻傳輸算法進行研究。

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