CN108833995B - 一种无线网络环境中自适应流媒体的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线网络环境中自适应流媒体的传输方法，提出了不依赖吞吐量预测和网络先验知识的自适应流媒体数据传输方法，将码率选择问题形式化描述为随机优化问题，将用户个性化需求加入到码率选择决策中，并以最大化用户体验质量为目标，该方法在视频清晰度、播放流畅度等多个方面实现了优化，并且降低了决策计算代价和复杂度，进一步提高了码率等级切换的实时性。

Description

一种无线网络环境中自适应流媒体的传输方法

技术领域

本发明属于多媒体技术领域，具体涉及一种无线网络环境中自适应流媒体的传输方法。

背景技术

无线通信技术的发展和移动终端设备的普及促进了移动数据量的迅速膨胀，尤其是移动视频数据已在网络流量中占据主导性份额。由于传统的流媒体技术无法适应时变的网络环境，已经渐渐被基于HTTP的动态自适应流媒体技术取代(Dynamic AdaptiveStreaming over HTTP，DASH)。图1为DASH的基本原理，首先在视频服务器端将一个较长时间的视频文件分割成若干个相等内容时长的小片段，然后将每个小视频片段转换成多种不同视频码率等级、相同视频内容的片段。不同码率对应的文件大小不同，不同码率对应的视频清晰度也不同。DASH工作在一个基于时间片操作的系统模型上，每个时间片播放器以一个固定的时间间隔收集实时数据吞吐量和移动端缓存占用信息，并结合相关策略来判断下一个时刻播放器要向视频服务器请求下载哪个码率等级的视频片段，并将结果反馈给视频服务器。视频服务器根据该反馈结果作出调整，然后在下一个时间间隔重复这个操作直到全部时长的视频流数据全部发送完成。DASH可以在网络状态随机变化时动态的改变网络中传输的视频流数据的码率。当网络状态良好时以较高的码率等级传输视频流数据，使移动端下载到高清晰度的视频，当网络带宽拥挤或性能降低时传输较低码率等级的视频流数据，使得移动端能够保证视频流畅播放。其中，通过计算确定向服务器请求何种码率的视频数据是影响DASH技术性能的关键。然而，用户的移动性和无线网络固有的复杂性使得现有研究无法满足用户主观的对于体验质量(Quality of Experience，QoE)的需求，此处将QoE描述为在网络状态波动时，在保证视频播放流畅的前提下，尽可能的提高视频清晰度，以此来获得最好的观影效果。因此，如何有效的根据实时网络性能动态地选择合适的视频码率以提高用户QoE成了DASH技术领域研究的热点之一。

现有的客户端驱动的DASH策略主要有以下三种方法：

第一种是基于吞吐量估计的DASH策略。由于网络固有的时变性，尤其是无线网络下吞吐量频繁大幅度抖动的现象，给吞吐量预测的准确性带来了巨大的挑战。耗费大量资源的同时却无法保证准确的预测结果显然使得单纯基于吞吐量估计的方法难以适应无线网络这一应用环境。

第二种是基于用户缓冲区占用状态的DASH策略。这类方法依赖缓冲区大小的设置，缓冲区设置较小时，则可能面临视频码率频繁抖动以及流量开关模式导致的TCP流竞争等问题；缓冲区设置较大时，则对终端设备的存储空间要求较高，且伴随着带宽利用率较低的问题。

第三种是以吞吐量估计为主，引入用户缓冲区占用状态进行调整的DASH策略。这类方法中调整函数的选择难以做到既不过分保守也不过分积极。且存在码率频繁抖动，甚至在最高码率和最低码率之间来回切换等问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种无线网络环境中自适应流媒体的传输方法，提高化用户体验。

为达到上述目的，本发明所述一种无线网络环境中自适应流媒体的传输方法，包括以下步骤：

步骤1、将视频播放系统时间片划分表示为t，将一个完整视频分割成播放时长相等的视频片段，再将每个视频片段处理成满足集合R的多种不同码率等级的若干个视频小片段视频小片段的码率等级的候选集合定义为R＝{R¹，R²，...，R^L}，且R¹＜R²＜，...，＜R^L；

步骤2、在初始时刻向服务器发送请求以最低码率等级的视频来启动播放，第一个视频小片段下载并解码完成后开始播放，并持续该码率等级的视频小片段，直到该时间片结束；

步骤3、当新时间片开始时，获取上一个时间片t内下载的视频小片段的数量d_t，并获取当前已解码的视频数据缓存量b_t；

步骤4、根据步骤3中得到的d_t和b_t值，使用李雅普诺夫偏移加惩罚函数ΔL(t)+V·u(t)，从备选的视频码率集合R中选出一个可以使得该函数取得最小上界的视频码率r_t值，其中

用户满意度值

其中m和k为用于平衡视频码率等级和码率切换抖动的权重参数，V是一个取负值的权重参数；

步骤5、若前后两个时间片移动端选择的视频码率等级相等，即r_t＝r_t-1，则向服务器请求并保持原码率等级继续发送视频流数据，若r_t≠r_t-1，则完成当前视频小片段的下载后，移动端向服务器端请求新的码率等级别为r_t的视频片段；

步骤6、当一个时间片结束时，若已完成所有视频片段的下载则结束视频片段的发送和下载，否则执行步骤3至步骤5，直到所有视频片段下载完成。

进一步的，步骤1中，视频片段的播放时长为10秒～30秒。

进一步的，步骤1中，同一个视频片段对应的若干个视频小片段的播放内容相同，但清晰度不同。

进一步的，步骤4中，参数m满足条件：0＜m≤0.20，参数k满足条件0＜k≤0.50。

进一步的，步骤4中，V的取值范围为：-50～-300。

进一步的，步骤3中，移动端通过底层数据记录获取d_t。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明提出了不依赖吞吐量预测和网络先验知识的自适应流媒体数据传输方法，将码率选择的自适应问题形式化描述为李雅普诺夫随机优化问题，利用用户缓冲区占用状态信息，结合当前网络带宽，并基于李雅普诺夫优化方法以最大化用户体验为目标做出码率决策，该方法应用于客户端，降低了服务器的复杂度，且不需要耗费资源预测带宽，提高了码率选择的实时性且避免了预测值不准确造成的决策偏差。以最大化用户体验质量为目标，在视频清晰度、播放流畅度方面实现了优化，并且降低了决策计算代价和复杂度，进一步提高了码率等级切换的实时性。

进一步的，视频片段的播放时长为10秒～30秒，时间太短的话计算代价较大，且可能会产生不断切换视频清晰度，会影响用户体验，时间太长的话，不能按照网络状况及时调整清晰度，也会降低用户体验，所以选择10秒～30秒的视频片段比较合适。

进一步的，其中，在步骤4中，可通过设置不同的m和k的值，来满足用户的个性化需求，m的取值范围为：0＜m≤0.20，m的增大会导致视频码率增大和码率切换抖动的降低，参数k的取值范围为：0＜k≤0.50，m和k均可根据实际情况调整，参数k的增大会导致视频码率降低和码率切换抖动的降低。

附图说明

图1为本发明的自适应流媒体传输整体系统架构；

图2为本发明的自适应流媒体传输中单个视频分片的传输过程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，一种无线网络环境中自适应流媒体的传输方法包括以下步骤：

步骤1、初始化：将视频播放系统时间片划分表示为t；将一个完整视频分割成10-30秒相等播放时长的较小的视频片段(具体时长可根据实际情况给定)，再将每个视频片段处理成满足集合R的多种不同码率等级的若干个视频小片段(同一个视频片段对应若干个视频小片段，同一个视频片段对应的若干个视频小片段的播放内容相同，但清晰度不同)，码率越高清晰度越高，如图1所示(图1以4种码率等级为例)。将视频小片段的码率等级的候选集合定义为R＝{R¹，R²，...，R^L}，并满足关系R¹＜R²＜，...，＜R^L；

步骤2、在初始时刻向服务器发送请求以最低码率等级的视频来启动播放，第t个时间片选择码率等级为L的视频码率表示为r_t＝R^L,则初始时刻的码率选择表示为r₁＝R¹，第一个视频小片段下载并解码完成后开始播放，并持续该码率等级的视频小片段，直到该时间片结束；

步骤3、当新时间片开始时，在移动端通过底层数据记录获取到上一个时间片t内下载的视频小片段的数量，即缓存队列的长度表示为d_t。并获取当前已解码的视频数据缓存量，实际为缓存队列中的已经经过解码的可用于播放的视频小片段的图像帧的数量，表示为b_t；

步骤4、结合步骤3中测量的d_t和b_t值，使用李雅普诺夫偏移加惩罚函数ΔL(t)+V·u(t)，从备选的视频码率集合R中选出一个可以使得该函数取得最小上界的视频码率r_t值，其中

体现了前后两个时间片内移动端播放器缓冲区队列长度的变化。用户满意度值

由公式可得当前后两个时刻的缓存队列的长度变化量最小时，则可以得到最小的ΔL(t)值。V是一个取负值的权重参数，用户体验质量的表示u(t)包含三个部分，定义函数P_d(d_t)为第t个时间片内成功下载d_t个视频小片段时给予奖励的奖励函数，函数P_r(r_t)为第t个时间片内选择视频码率等级r_t时给予奖励的奖励函数。出现从最高视频码率等级切换到最低码率等级这种巨大波动的情况也会对QoE(体验质量)造成很大影响，因此函数P_s(r_t-r_t-1)用于表示第t个时间片内视频码率等级从r_t切换到r_t-1等级时获得惩罚的惩罚函数；

其中，m和k为用于平衡视频码率等级和码率切换抖动的权重参数，参数m的取值范围为：0＜m≤0.20，可根据实际情况调整，参数m的增大会导致视频码率增大和码率切换抖动的降低。参数k的取值范围为：0＜k≤0.50，可根据实际情况调整，参数k的增大会导致视频码率降低和码率切换抖动的降低。由公式可得当前后两个时刻的缓存队列的长度b_t变化量最小时，则可以得到最小的ΔL(l)值。V是一个取负值的权重参数，参数V的取值范围在-50～-300之间，可根据实际情况调整，当参数V增大时视频码率等级和码率切换抖动随之降低；

步骤5、若前后两个时间片移动端选择的视频码率等级相等，即r_t＝r_t-1，(r_t-1为上一个时间片t-1从备选的视频码率集合R中选出一个使雅普诺夫偏移加惩罚函数取得最小上界的视频码率值)，则向服务器请求并保持原码率等级继续发送视频小片段，若r_t≠r_t-1，则完成当前视频小片段的下载后，移动端向服务器端请求新的码率等级别为r_t的视频片段，视频服务器根据这个请求作出相应的调整；

步骤6、当一个时间片结束时，若已完成所有视频片段的下载则结束视频片段的发送和下载，否则执行步骤3至步骤5，直到所有视频片段下载完成。

Claims (5)

1.一种无线网络环境中自适应流媒体的传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将视频播放系统时间片划分表示为t，将一个完整视频分割成播放时长相等的视频片段，再将每个视频片段处理成满足集合R的多种不同码率等级的若干个视频小片段，视频小片段的码率等级的候选集合定义为R＝{R¹，R²，...，R^L}，且R¹＜R²＜，...，＜R^L；其中，同一个视频片段对应的若干个视频小片段的播放内容相同，但清晰度不同；

步骤2、在初始时刻向服务器发送请求以最低码率等级的视频来启动播放，第一个视频小片段下载并解码完成后开始播放，并持续该码率等级的视频小片段，直到该时间片结束；

步骤3、当新时间片开始时，获取上一个时间片t内下载的视频小片段的数量d_t，并获取当前已解码的视频数据缓存量b_t；

步骤4、根据步骤3中得到的d_t和b_t值，使用李雅普诺夫偏移加惩罚函数ΔL(t)+V·u(t)，从备选的视频码率集合R中选出一个可以使得该函数取得最小上界的视频码率r_t值，其中

用户满意度值

其中m和k为用于平衡视频码率等级和码率切换抖动的权重参数，V是一个取负值的权重参数；所述P_d(d_t)为第t个时间片内成功下载d_t个视频小片段时给予奖励的奖励函数，P_r(r_t)为第t个时间片内选择视频码率等级r_t＝R^L时给予奖励的奖励函数；P_s(r_t-r_t-1)为第t个时间片内视频码率等级从r_t切换到r_t-1等级时获得惩罚的惩罚函数；

步骤5、若前后两个时间片移动端选择的视频码率等级相等，即r_t＝r_t-1，则向服务器请求并保持原码率等级继续发送视频流数据，若r_t≠r_t-1，则完成当前视频小片段的下载后，移动端向服务器端请求新的码率等级别为r_t的视频片段；

步骤6、当一个时间片结束时，若已完成所有视频片段的下载则结束视频片段的发送和下载，否则执行步骤3至步骤5，直到所有视频片段下载完成。

2.根据权利要求1所述的一种无线网络环境中自适应流媒体的传输方法，其特征在于，步骤1中，视频片段的播放时长为10秒～30秒。

3.根据权利要求1所述的一种无线网络环境中自适应流媒体的传输方法，其特征在于，步骤4中，参数m满足条件：0＜m≤0.20，参数k满足条件0＜k≤0.50。

4.根据权利要求1所述的一种无线网络环境中自适应流媒体的传输方法，其特征在于，步骤4中，V的取值范围为：-50～-300。

5.根据权利要求1所述的一种无线网络环境中自适应流媒体的传输方法，其特征在于，步骤3中，移动端通过底层数据记录获取d_t。

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