動(dòng)態(tài)HTTP流自適應(yīng)控制理論算法

1、A Control-theoretic Approach to Rate Adaptation for Dynamic HTTP Streaming【作者作者】C Zhou,X Zhang,L Huo ,Z Guo【會(huì)議】【會(huì)議】Visual Communications & Image Processing（IEEE收錄）收錄）【日期【日期】2012 參考文獻(xiàn)l 1Chenghao Liu, Imed Bouazizi, and Moncef Gabbouj, “Rate Adaptation for Adaptive HTTP Streaming” in Proc. ACM MMS

2、ys11, pp. 169174, Feb. 20112目錄l一、背景介紹一、背景介紹l二、論文的主要思想二、論文的主要思想l三、論文的主要內(nèi)容三、論文的主要內(nèi)容l四、論文的理論分析四、論文的理論分析l五、論文的仿真結(jié)果五、論文的仿真結(jié)果l六、論文的結(jié)論六、論文的結(jié)論l七、我的思考七、我的思考3一、背景介紹l 研究背景研究背景當(dāng)前當(dāng)前MPEG-DASH技術(shù)研究過(guò)程中技術(shù)研究過(guò)程中，提供高質(zhì)量，提供高質(zhì)量視頻視頻的媒體服的媒體服務(wù)仍然具有挑戰(zhàn)性。挑戰(zhàn)主要來(lái)自時(shí)變帶寬務(wù)仍然具有挑戰(zhàn)性。挑戰(zhàn)主要來(lái)自時(shí)變帶寬，碼率自適應(yīng)，碼率自適應(yīng)技術(shù)技術(shù)是重點(diǎn)研是重點(diǎn)研究對(duì)象。通過(guò)究對(duì)象。通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)視頻質(zhì)量以匹配

3、可用帶寬，自動(dòng)調(diào)節(jié)視頻質(zhì)量以匹配可用帶寬，從而使得從而使得用戶用戶得到很得到很好地觀看體驗(yàn)好地觀看體驗(yàn)。目前，主流目前，主流的的碼率自適應(yīng)碼率自適應(yīng)技術(shù)可以分為技術(shù)可以分為三三類(lèi)：類(lèi)：i）基于帶寬）基于帶寬；ii）基于緩）基于緩存；存；iii）基于流暢度）基于流暢度。l 目前存在的問(wèn)題目前存在的問(wèn)題在基于帶寬的速率自適應(yīng)技術(shù)中，它以估計(jì)的網(wǎng)絡(luò)帶寬來(lái)切換在基于帶寬的速率自適應(yīng)技術(shù)中，它以估計(jì)的網(wǎng)絡(luò)帶寬來(lái)切換比特率。一些商業(yè)供應(yīng)商采用的速率適配方案大多屬于這一類(lèi)別。基于比特率。一些商業(yè)供應(yīng)商采用的速率適配方案大多屬于這一類(lèi)別?；趲挼乃俾首赃m應(yīng)方案的主要缺點(diǎn)是帶寬的速率自適應(yīng)方案的主要缺點(diǎn)是：i

4、）由于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)條件，難以準(zhǔn)）由于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)條件，難以準(zhǔn)確地估計(jì)吞吐量確地估計(jì)吞吐量；ii）隨時(shí)變化的帶寬將導(dǎo)致短期比特率切換）隨時(shí)變化的帶寬將導(dǎo)致短期比特率切換會(huì)影響會(huì)影響用用戶戶觀看觀看體驗(yàn)。體驗(yàn)。4二、論文的主要思想l 本論文的解決思路本論文的解決思路提出了一種提出了一種新的控制理論方法來(lái)切換動(dòng)態(tài)自適應(yīng)新的控制理論方法來(lái)切換動(dòng)態(tài)自適應(yīng)HTTP流中的切流中的切片等級(jí)?；诰彺嫫?，設(shè)置兩個(gè)閾值：上溢閾值和下溢閾值。適應(yīng)目標(biāo)片等級(jí)?；诰彺嫫鳎O(shè)置兩個(gè)閾值：上溢閾值和下溢閾值。適應(yīng)目標(biāo)使播放質(zhì)量最大化，并且通過(guò)防止接收緩沖區(qū)溢出或下溢來(lái)進(jìn)行不同比使播放質(zhì)量最大化，并且通過(guò)防止接收緩沖區(qū)溢出或下

5、溢來(lái)進(jìn)行不同比特率之間的切換。特率之間的切換。算法引入兩種機(jī)制：算法引入兩種機(jī)制：i)睡眠機(jī)制，用于在接收緩沖區(qū)的占用太高時(shí)防止選擇不必要的睡眠機(jī)制，用于在接收緩沖區(qū)的占用太高時(shí)防止選擇不必要的低比特率或者緩存上溢；低比特率或者緩存上溢；ii)復(fù)位機(jī)制，當(dāng)接收緩沖區(qū)的占用太低時(shí)，采用這種機(jī)制預(yù)先避復(fù)位機(jī)制，當(dāng)接收緩沖區(qū)的占用太低時(shí)，采用這種機(jī)制預(yù)先避免緩存下溢。免緩存下溢。5二、論文的主要思想6積分中值定理：積分中值定理：若函若函數(shù)數(shù)f (x)在閉區(qū)間在閉區(qū)間 a,b上上連續(xù)，則在積分區(qū)間上連續(xù)，則在積分區(qū)間上至少存在一個(gè)點(diǎn)至少存在一個(gè)點(diǎn)，使下式成立，使下式成立： abfdxxfba二、論文的

6、主要思想7l 論文的主要參數(shù)和公式說(shuō)明論文的主要參數(shù)和公式說(shuō)明r(k)*L 第k個(gè)切片大小 tk-1tk時(shí)間內(nèi)緩存凈增加量 下載第k個(gè)切片用的時(shí)間三、論文的主要內(nèi)容l 算法中主要公式算法中主要公式8( tk - tk-1 )*d(t) = r(k)*L 其中 ，這里運(yùn)用了積分中值定理。三、論文的主要內(nèi)容上述公式解析：上述公式解析：第第 k k 個(gè)切片的大?。簜€(gè)切片的大?。?r(k)*L =對(duì)于對(duì)于 t(tk-1 , tk, ,忽略切片獲取過(guò)程中忽略切片獲取過(guò)程中request時(shí)間（或者時(shí)間（或者d(t)置置為為0 0，保證其連續(xù)），由積分中值定理有：，保證其連續(xù)），由積分中值定理有： 存在存在

7、 t0(tk-1 , tk，滿足：，滿足：結(jié)合結(jié)合 tk = tk - tk-1 ，即，即存在存在 t(tk-1 , tk，r(k)*L =得到得到(2)(2)式。式。同理，推導(dǎo)同理，推導(dǎo) =9 10kktttttddttdk1k kttd* dttdk1kttl 論文的算法模型論文的算法模型i)i)上溢模型上溢模型為了防止緩存上溢，須使為了防止緩存上溢，須使 成立，那么將成立，那么將(3)式式 b(tk) 帶入不帶入不等式，有：等式，有：對(duì)對(duì)(4)不等式右邊不等式右邊 rover(k) 進(jìn)行量化取值運(yùn)算進(jìn)行量化取值運(yùn)算Qrover(k)可以可以得到得到r(k)可取上限值可取上限值 rmax(

8、k)，并且下限值應(yīng)不低于當(dāng)前帶寬，并且下限值應(yīng)不低于當(dāng)前帶寬 (即下即下載速度的載速度的d(t)，只適用于，只適用于rmax(k) d(t)的情形。的情形。三、論文的主要內(nèi)容10三、論文的主要內(nèi)容對(duì)于對(duì)于 rover(k) d(t)的情形，須啟動(dòng)睡眠機(jī)制，延遲的情形，須啟動(dòng)睡眠機(jī)制，延遲ts后后 rover(k) d(t+ts)再進(jìn)行第再進(jìn)行第 k 個(gè)切片文件的下載。個(gè)切片文件的下載。式式(6)(7)用于計(jì)算延遲用于計(jì)算延遲ts后緩存增大足以使成立后緩存增大足以使成立rover(k) d(t+ts)再次成立，從而開(kāi)始啟動(dòng)下載。再次成立，從而開(kāi)始啟動(dòng)下載。11三、論文的主要內(nèi)容上述公式解析：上述

9、公式解析：對(duì)于時(shí)刻對(duì)于時(shí)刻 t(tk-1 , tk，若若rover(k) d(t)，那么停止下載切片文件。，那么停止下載切片文件。在延遲在延遲 ts 后重新啟動(dòng)。顯然，后重新啟動(dòng)。顯然，在此期間在此期間p(t)保持不變，假設(shè)保持不變，假設(shè)d(t)也保持不也保持不變。變。正常情況下，正常情況下，ts 后必有：后必有：化簡(jiǎn)，有：化簡(jiǎn)，有： ，再將，再將(6)(6)式式帶入，即可得到帶入，即可得到(7)(7)式。式。12 ssss1kmaxoverttdLttdttpttbbkr1 tdLtdtpttbbkrs1kmaxover1l 論文的算法模型論文的算法模型ii)下溢模型下溢模型在緩存下溢情況下

10、，在緩存下溢情況下，b(t)單調(diào)遞減。需要保證單調(diào)遞減。需要保證b(tk) bmin，同同理，將該條件帶入到式理，將該條件帶入到式(3)。得到：。得到：(8)式得到式得到r(k)的一個(gè)上限值的一個(gè)上限值runder(k)，對(duì)于，對(duì)于runder(k)r1的情形，的情形，此時(shí)不再有符合要求的此時(shí)不再有符合要求的r(k)，因此引入保護(hù)參數(shù)，因此引入保護(hù)參數(shù)(1)。當(dāng)當(dāng)runder(k)r1時(shí)，即進(jìn)入碼率復(fù)位機(jī)制。時(shí)，即進(jìn)入碼率復(fù)位機(jī)制。三、論文的主要內(nèi)容13三、論文的主要內(nèi)容當(dāng)當(dāng)runder(k)r1時(shí)，時(shí)，r1可以是切片碼率等級(jí)集合可以是切片碼率等級(jí)集合R中某個(gè)大于中某個(gè)大于 r1 的等級(jí)。此時(shí)

11、，碼率等級(jí)直接復(fù)位為的等級(jí)。此時(shí)，碼率等級(jí)直接復(fù)位為 r1 ，從而防止緩存下溢的情況發(fā)生。，從而防止緩存下溢的情況發(fā)生。另一方面，對(duì)于另一方面，對(duì)于runder(k) r1 (1)的情形：的情形：此時(shí)，滿足此時(shí)，滿足 r(k) r1。三、論文的主要內(nèi)容l 論文的算法模型論文的算法模型iii)均衡階段均衡階段前面提到的是緩存上溢或者下溢的情況，對(duì)于前面提到的是緩存上溢或者下溢的情況，對(duì)于p(t)=d(t)的情形：的情形：r(k) = r(k-1)l 算法總結(jié)算法總結(jié)四、論文的理論分析l 理論分析的特點(diǎn)理論分析的特點(diǎn)論文中提出的算法，在分析、建模過(guò)程中引入了積分運(yùn)算，很論文中提出的算法，在分析、建

12、模過(guò)程中引入了積分運(yùn)算，很形象地描述了緩存空間的變化情況。同時(shí)，結(jié)合積分中值定理對(duì)計(jì)算過(guò)形象地描述了緩存空間的變化情況。同時(shí)，結(jié)合積分中值定理對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了轉(zhuǎn)移。程進(jìn)行了轉(zhuǎn)移。本文在自適應(yīng)算法中引入了緩存消耗速率本文在自適應(yīng)算法中引入了緩存消耗速率p(t),而且對(duì)于而且對(duì)于p(t)和和d(t)之間的計(jì)算關(guān)系也把握得很好。之間的計(jì)算關(guān)系也把握得很好。本文在下溢模型中引入了保護(hù)因子本文在下溢模型中引入了保護(hù)因子，從而使算法選擇下載切片，從而使算法選擇下載切片時(shí)在防止緩存下溢方面有更好的效果。時(shí)在防止緩存下溢方面有更好的效果。16五、論文的仿真結(jié)果l 論文的論文的網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)錇榱藶榱吮?/p>

13、較比較兩種速率自適應(yīng)兩種速率自適應(yīng)算法算法，考慮三種不同的場(chǎng)景：，考慮三種不同的場(chǎng)景：i i）可用）可用帶寬保持不變帶寬保持不變; ii; ii）短期變化下的可用帶寬）短期變化下的可用帶寬; iii; iii）長(zhǎng)期變化下的可用帶寬。）長(zhǎng)期變化下的可用帶寬。 在每種情況下，示出所選擇的比特率在每種情況下，示出所選擇的比特率和緩存占用率和緩存占用率。由于在離散比特率。由于在離散比特率選擇中有很多重疊，所以這兩種方法的繪圖選擇中有很多重疊，所以這兩種方法的繪圖會(huì)有會(huì)有垂直交錯(cuò)。垂直交錯(cuò)。 同一類(lèi)別中同一類(lèi)別中的所有圖都具有相同的比特率。的所有圖都具有相同的比特率。 在所有下列圖中，當(dāng)選擇的比特率為零

14、在所有下列圖中，當(dāng)選擇的比特率為零時(shí)，表示睡眠機(jī)制被實(shí)現(xiàn)，時(shí)，表示睡眠機(jī)制被實(shí)現(xiàn)，即即空閑一段時(shí)間?？臻e一段時(shí)間。17五、論文的仿真結(jié)果l 論文提出的對(duì)比算法論文提出的對(duì)比算法吞吐量吞吐量 切換因子切換因子向上切換條件向上切換條件 ，逐級(jí)遞增，逐級(jí)遞增向下切換條件向下切換條件 ，切換等級(jí)滿足，切換等級(jí)滿足 最大最大 i延遲時(shí)間延遲時(shí)間 tm：緩存媒體的時(shí)長(zhǎng)：緩存媒體的時(shí)長(zhǎng) tmin：預(yù)定義的最小緩存媒體時(shí)間：預(yù)定義的最小緩存媒體時(shí)間bc：當(dāng)前下載媒體段的比特率當(dāng)前下載媒體段的比特率 bmin：切片切片的最小比特率的最小比特率五、論文的仿真結(jié)果五、論文的仿真結(jié)果l 仿真參數(shù)配置仿真參數(shù)配置可獲得比特率集合：可獲得比特率集合：保護(hù)因子保護(hù)因子 緩存器緩存器五、論文的仿真結(jié)果l 仿真結(jié)果圖及分析仿真結(jié)果圖及分析情形情形 i)五、論文的仿真結(jié)果情形情形 ii)情形情形iii)六、論文的結(jié)論l 結(jié)果分析結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明提出的方案的以下主要優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明提出的方案的以下主要優(yōu)點(diǎn)：i