CN111225243A - 一种视频块调度方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种视频块调度方法及系统，客户端在视频块下载的过程中，实时记录当前轮数据传输的往返延时RTTc，并预测下一轮数据传输的往返延时RTTp；计算当前视频块的剩余传输时间Tleft；结合RTTp和Tleft确定下一个视频块的调度时间，即向服务器发出下一个视频块的调度请求的时间。本发明可以减少由于视频块请求而造成的带宽浪费，同时可以灵活的切换视频块的码率，从而提高网络利用率和视频的质量，改善用户体验。

Description

一种视频块调度方法及系统
技术领域
本发明涉及一种视频块调度方法及系统。
背景技术
近年来，基于HTTP的自适应视频传输已被广泛用于因特网视频技术中，如Microsoft Smoothing Streaming，Adobe HDS和Apple HLS。如今，基于HTTP的自适应视频流已被标准化为Dynamic Adaptive Streaming over HTTP(DASH，即HTTP动态自适应流媒体)。在运行在HTTP/1.1上的DASH系统中，每个视频被编码为多个不同比特率(码率)的版本的视频流，并且每个视频流被切分成多个视频块(也称视频片段，每个视频块的时长一般为2-10秒)，利用DASH系统，客户端播放器可以根据感知的实时网络状况(可用带宽或者缓存占用大小)来动态灵活地切换所播放的视频的比特率。
HTTP/1.1是当前因特网中使用最广泛的HTTP协议，然而HTTP/1.1存在网络带宽利用率比较低的问题。因为基于HTTP/1.1的视频块传输，客户端只有在当前视频块下载完成后才能去请求下一个视频块。HTTP/1.1的客户端获取(Client Fetch，CF)机制不可避免地会在视频块传输之间引入不必要的等待时间，从而导致频繁的带宽浪费并增加播放卡顿的风险。
最近，为了解决HTTP/1.1利用率低的问题，DASH利用HTTP/2中的服务器推送(Server Push，SP)功能允许服务器在单个请求上主动推送多个视频块，从而极大地消除了块与块之间的等待时间和带宽浪费。但是，如果用户过早地放弃观看视频，则推送的内容可能会浪费。更重要的是，由于服务器针对给定请求以相同的比特率级别推送多个视频块，因此视频块的比特率可能无法适应带宽波动，从而导致视频质量欠佳。
基于上述调度机制所存在的问题，有必要提供既能避免带宽浪费，又能灵活地切换比特率，从而提升视频的观看质量的视频块调度方法及系统。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种视频块调度方法及系统，既能避免带宽浪费，又能灵活地切换比特率，从而提升视频的观看质量。
本发明所提供的技术方案为：
一方面，提供一种视频块调度方法，客户端在视频块下载的过程中，实时记录当前轮数据传输的往返延时RTTc，并预测下一轮数据传输的往返延时RTTp；计算当前视频块的剩余传输时间Tleft；结合RTTp和Tleft确定下一个视频块的调度时间，即向服务器发出下一个视频块的调度请求的时间，使视频块以一种流水线的方式进行调度。
进一步地，客户端按以下步骤预测下一轮数据传输的往返延时RTTp：先根据过去R轮数据传输的往返延时信息计算出延时波动值γ；然后根据当前轮数据传输的往返延时RTTc和延时波动值γ预测下一轮数据传输的往返延时RTTp。
进一步地，所述延时波动值γ取过去R轮数据传输的往返延时的变异系数(即过去R轮数据传输的往返延时的标准差与平均值之比)。
进一步地，客户端预测下一轮数据传输的往返延时RTTp的公式为：
Figure BDA0002376403280000021
其中，εmax代表允许的最大预测误差，η代表预测误差低于εmax的最小概率。
进一步地，初始化当前轮数据传输的往返延时RTTc、延时波动值γ，允许的最大预测误差εmax均为0；设置预测误差低于εmax允许误差的最小概率η为0.2。
进一步地，客户端得到新的延时波动值γ后，根据以下公式更新允许的最大预测误差εmax：
Figure BDA0002376403280000022
其中，γmax代表历史计算出延时波动值γ的最大值。
进一步地，历史往返延时计数R设置为5。
进一步地，客户端按以下步骤计算当前视频块的剩余传输时间Tleft：
根据当前视频块下载的数据量和下载相应数据量所用的时间，计算当前网络的吞吐量Thr；
由当前视频块的总数据量S减去已下载的数据量得到当前视频块未下载的数据量Sleft；
结合吞吐量Thr计算当前视频块的剩余传输时间Tleft(Tleft＝Sleft/Thr)。
进一步地，当前视频块每下载N个字节的数据量，客户端则根据下载这N个字节的数据量所用的时间T，计算一次当前网络的吞吐量Thr，Thr＝N/T。
进一步地，客户端按以下方法确定下一个视频块的调度时间：判断当前视频块的剩余传输时间Tleft是否小于预测得到的下一轮数据传输的往返延时RTTp，如果是，则在当前时间向服务器发出下一个视频块的调度请求。
另一方面，提供一种基于流水线的视频块调度系统，其特征在于，包括客户端和服务器；
客户端在视频块下载的过程中，实时记录当前轮数据传输的往返延时RTTc，并预测下一轮数据传输的往返延时RTTp；计算当前视频块的剩余传输时间Tleft；结合RTTp和Tleft确定下一个视频块的调度时间，即向服务器发出下一个视频块的调度请求的时间；具体实现方式参见上述视频块调度方法；
服务器收到客户端发送的视频块的调度请求后，向客户端传输视频块。
有益效果：
针对现有基于HTTP/1.1的视频块调度(传输)机制中，由于视频块传输之间引入不必要的等待时间导致频繁的带宽浪费，以及基于HTTP/2的视频块调度机制中存在比特率切换不灵活的问题，本发明上述技术方案提出了一种基于流水线的视频块调度机制，客户端通过预测网络往返延时，并结合视频块大小、吞吐量大小以确定下一个视频块调度的时间，使视频块以一种流水线的方式调度，可以减少由于视频块请求而造成的带宽浪费，达到高带宽利用率，同时可以应用运行在HTTP/1.1上的DASH系统，灵活地切换视频块的比特率，从而提高网络利用率和视频的质量，改善用户体验。
附图说明
图1为本发明实施例流程图。
图2为视频下载过程中网络带宽利用率的性能测试图。图中PCS(Pipeline-BasedChunk Scheduling，基于流水线的视频块调度方法)即本发明实施例提供的视频块调度方法。
图3为在不同网络延时下的性能测试图，其中，3(a)为网络利用率随延时差异变化的示意图，3(b)为视频下载时间随延时差异变化的示意图。
图4为在不同视频块长度下的性能测试图，其中，4(a)为网络利用率随视频块长度差异变化的示意图，4(b)为视频下载时间随视频块长度差异变化的示意图。
图5为典型网络场景下的性能测试图，其中5(a)为不同网络场景下视频的平均比特率，5(b)为不同网络场景下视频的卡顿比例，5(c)为不同网络场景下视频的整体QoE(Quality-of-experience)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1：
参见图1，本实施例提供一种视频块调度方法，包括以下步骤：
参数初始化；
初始化当前轮数据传输的往返延时RTTc、延时波动值γ，允许的最大预测误差εmax均为0；设置历史往返延时计数器R为5，预测误差低于εmax的最小概率η为0.2；初始化当前视频块Ci的序号i＝1，即当前下载的视频块为需要下载的视频的第一个视频块；
客户端在视频块下载的过程中，实时记录当前轮数据传输的往返延时RTTc，并按以下步骤预测下一轮数据传输的往返延时RTTp；
根据过去R轮数据传输的往返延时信息计算出延时波动值γ；然后根据当前轮数据传输的往返延时RTTc和延时波动值γ预测下一轮数据传输的往返延时RTTp，预测公式为：
Figure BDA0002376403280000041
按以下步骤确定下一个视频块的调度时间：
记录当前视频块Ci最近下载N个字节(本实施例中设置N＝3000)所利用的时间T，根据下载的数据量N除以下载时间T可以计算出当前网络的吞吐量Thr；根据当前视频块Ci的总数据量S(本实施例中设置为该视频块最低比特率版本的大小)和已下载的数据量计算得到当前视频块Ci未下载的数据量Sleft，结合计算得到的吞吐量Thr可计算出当前视频块Ci的剩余传输时间Tleft＝Sleft/Thr；
判断当前视频块的剩余传输时间Tleft是否小于预测得到的下一轮数据传输的往返延时RTTp，如果是，则在当前时间向服务器发出下一个视频块Ci+1的调度请求；继续下载完当前视频块Ci，然后将当前视频块Ci的序号更新为i+1，重复进行上述过程，以一种流水线的方式完成所有视频块的调度、下载。
实施例2：
本实施例提供一种视频块调度系统，其特征在于，包括客户端和服务器；
客户端在视频块下载的过程中，实时记录当前轮数据传输的往返延时RTTc，并预测下一轮数据传输的往返延时RTTp；计算当前视频块的剩余传输时间Tleft；结合RTTp和Tleft确定下一个视频块的调度时间，即向服务器发出下一个视频块的调度请求的时间；具体实现方式参见实施例1；
服务器收到客户端发送的视频块的调度请求后，向客户端传输视频块。
性能测试：
本部分利用dash.js测试对上述实施例进行性能测试。客户端和服务器使用的操作系统均是Centos 7。客户端使用的是Google浏览器。播放器的缓存设置为30秒。服务器端部署了Nginx 1.14.2版本并采用Elephant Dream作为测试视频。实验的拓扑是一台客户端连接一台服务器，采用Linux tc工具控制网络带宽。
图2为视频下载过程中网络利用率的性能测试图。基于HTTP/1.1的客户端一次请求一个视频块资源，只有在当前视频块下载完后才会请求下一个视频块，因此其调度机制为Client Fetch(CF)；基于HTTP/2的客户端允许服务器在单个请求上主动传输多个视频块，因此其调度机制为Server Push(SP)。由于网络带宽的变化服从高斯分布，生成符合N(2Mbps,0.5Mbps)分布的带宽trace。网络延时设置为500ms，推送的视频块数目k设置为3，采用基于吞吐量的自适应码率算法。对于CF和SP调度机制，由于视频块之间的请求，链接利用率在下载过程中呈现为ON/OFF模式。PCS以基于流水线的方式调度视频块，视频块与视频块之间请求所带来的带宽浪费可以被避免，因此可以提升链路利用率。
图3为在网络延时差异变化场景下的性能测试图。传播延时RTT设置为100ms至500ms，链路带宽设置同图2设置相同。
图3(a)为往返延时对网络利用率影响的示意图。从图中可以看出，PCS达到的网络利用率最高。随着网络延时增加，块与块之间的空闲时间逐渐增大，因此客户端获取(CF)和服务器推送(SP)调度机制下的网络利用率呈下降趋势。但是，PCS以一种流水线机制的方法调度视频块，从而减少了块与块之间的带宽浪费，保证了较高的网络利用率。图3(b)为往返延时对视频下载时间影响的示意图。从图中可以看出，随着延时的增加，由于频繁请求而造成的带宽浪费，增加了客户端获取(CF)和服务器推送(SP)调度机制下的视频下载时间。PCS减少了块与块之间的空等时间，从而保证了较短的视频下载时间。
图4为在视频块长度差异变化场景下的性能测试图。链路带宽设置同图2设置相同。网络延时设置为500ms，视频块长度设置为2s至6s。
图4(a)为视频块长度对网络利用率影响的示意图。从图中可以看出，PCS调度机制下达到的网络利用率最高。较短的视频块会增加请求的数量，因此客户端获取(CF)和服务器推送(SP)调度机制下的网络利用率呈下降趋势。图4(b)显示，由于客户端获取(CF)造成的频繁带宽浪费，导致其下载时间最大。总体而言，PCS通过对下一个视频块提前预取，使视频块与视频块之间以流水线的方式传输，减少了带宽的浪费，从而实现了最高的网络利用率和最短的视频下载时间。
图5为典型网络场景下的性能测试图。实验采用三个公开的网络吞吐量的数据集：第一个是挪威的3G/HSDPA移动网络、第二个是比利时的4G移动网络、第三个是美国的宽带网络。实验采用的自适应码率算法分别为：RB(Rate-Based)、BBA(Buffer-BasedAlgorithm)、DYNAMIC。RB是一种基于速率的算法，选择小于当前带宽的最高可用比特率。BBA是一种基于缓存的算法，它根据缓存占用率来选择比特率。DYNAMIC是一种基于速率和缓存的结合的算法。当客户端的缓冲区级别较低时，DYNAMIC算法使用基于吞吐量的自适应码率算法，而当缓冲区级别较高时，DYNAMIC算法使用基于缓冲区的BOLA自适应码率算法。缓冲区级别阈值设置为10s。
图5(a)为不同网络场景下视频的平均比特率，从图中看出，由于PCS很好地利用了网络资源并减少了由于频繁请求而导致的空闲时间，因此与客户端获取(CF)和服务器推送(SP)相比，在PCS上运行的ABR算法将平均比特率分别提高了26％和20％。如图5(b)所示，由于客户端获取(CF)的停等方式以及服务器推送(SP)的比特率切换不灵活，导致播放卡顿的风险高于PCS。由于PCS增加了链路的利用率，并且能够灵活切换比特率，因此与客户端获取(CF)和服务器推送(SP)相比，它分别将卡顿比例分别降低了10％和31％。图5(c)显示了标准化的QoE。在PCS上运行的ABR算法能够取得更好的QoE，给用户带来更好的视频观看体验。
实验表明，本发明采用流水线方式对视频块进行预调度。与客户端获取(CF)和服务器推送(SP)机制相比，可以更好地利用带宽资源，并根据实时网络状态以更灵活的方式调整比特率级别。

Claims (10)

1.一种视频块调度方法，其特征在于，客户端在视频块下载的过程中，实时记录当前轮数据传输的往返延时RTTc，并预测下一轮数据传输的往返延时RTTp；计算当前视频块的剩余传输时间Tleft；结合RTTp和Tleft确定下一个视频块的调度时间，即向服务器发出下一个视频块的调度请求的时间。
2.根据权利要求1所述的视频块调度方法，其特征在于，客户端按以下步骤预测下一轮数据传输的往返延时RTTp：先根据过去R轮数据传输的往返延时信息计算出延时波动值γ；然后根据当前轮数据传输的往返延时RTTc和延时波动值γ预测下一轮数据传输的往返延时RTTp。
3.根据权利要求2所述的视频块调度方法，其特征在于，所述延时波动值γ取过去R轮数据传输的往返延时的变异系数。
4.根据权利要求2所述的视频块调度方法，其特征在于，所述步骤23中，客户端预测下一轮数据传输的往返延时RTTp的公式为：
Figure FDA0002376403270000011
其中，εmax代表允许的最大预测误差，η代表预测误差低于εmax的最小概率。
5.根据权利要求4所述的视频块调度方法，其特征在于，初始化当前轮数据传输的往返延时RTTc、延时波动值γ，允许的最大预测误差εmax均为0；设置预测误差低于εmax允许误差的最小概率η为0.2。
6.根据权利要求4所述的视频块调度方法，其特征在于，客户端得到新的延时波动值γ后，根据以下公式更新允许的最大预测误差εmax：
Figure FDA0002376403270000012
其中，γmax代表历史计算出延时波动值γ的最大值。
7.根据权利要求1所述的视频块调度方法，其特征在于，客户端按以下步骤计算当前视频块的剩余传输时间Tleft：
根据当前视频块下载的数据量和下载相应数据量所用的时间，计算当前网络的吞吐量Thr；
由当前视频块的总数据量S减去已下载的数据量得到当前视频块未下载的数据量Sleft；
结合吞吐量Tht计算当前视频块的剩余传输时间Tleft。
8.根据权利要求7所述的视频块调度方法，其特征在于，所述步骤31中，当前视频块每下载N个字节的数据量，客户端则根据下载这N个字节的数据量所用的时间T，计算一次当前网络的吞吐量Thr，Thr＝N/T。
9.根据权利要求1所述的视频块调度方法，其特征在于，客户端按以下方法确定下一个视频块的调度时间：判断当前视频块的剩余传输时间Tleft是否小于预测得到的下一轮数据传输的往返延时RTTp，如果是，则在当前时间向服务器发出下一个视频块的调度请求。
10.一种视频块调度系统，其特征在于，其特征在于，包括客户端和服务器；
客户端在视频块下载的过程中，实时记录当前轮数据传输的往返延时RTTc，并预测下一轮数据传输的往返延时RTTp；计算当前视频块的剩余传输时间Tleft；结合RTTp和Tleft确定下一个视频块的调度时间，即向服务器发出下一个视频块的调度请求的时间；
服务器收到客户端发送的视频块的调度请求后，向客户端传输视频块。
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