CN113038187A - 一种视频体验质量公平的实用网络带宽分配方法 - Google Patents

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Abstract

本专利公开了一种视频体验质量(QoE)公平的实用网络带宽分配方法，在多条视频流共享网络瓶颈链路的场景中，客户端根据设备信息、当前网络状态下的视频信息和播放器状态信息，计算出效用函数值并反馈给服务器，服务器根据测量到的该视频流发送速率以及接收到的效用函数值计算权重，调整拥塞控制算法的参数，实现QoE公平的瓶颈链路带宽分配。实验结果表明，本方法能够在不同的网络场景中自动的调整瓶颈链路中带宽的分配情况，提升视频流之间QoE公平性，并且具有实现开销小的特性，实用性较高。

Description

一种视频体验质量公平的实用网络带宽分配方法
技术领域
本发明涉及流媒体传输领域，特别涉及一种视频体验质量公平的实用网络带宽分配方法。
背景技术
随着视频流的快速发展，多个视频流共享一个瓶颈链路的应用场景日益增多。目前视频提供商都依赖于现有拥塞控制算法进行带宽分配决策：当前普遍使用的拥塞控制协议(如Copa和Cubic)都旨在实现连接级的公平，让竞争流量享有同等份额的链路容量。因此，视频提供商往往会通过部署码率自适应(ABR，Adaptive Bitrate)算法来优化用户的视频体验质量(QoE，Qualityof Experience)。可是，他们却忽视了为视频客户端细致地分配带宽能够进一步优化系统的整体效用。
具体来说，在多个视频流共享瓶颈链路的场景中所有的视频流会被分到相同的链路带宽，可是这种带宽分配策略忽视了不同视频流的QoE差异。首先，占用相同带宽的用户观看视频的条件可能不同(例如不同屏幕尺寸和分辨率大小)；其次，现有的拥塞算法对视频客户端的播放器状态视而不见，例如缓冲区大小等。因此，上述情况导致了不同用户所体验到的视频质量存在显著差异，即QoE不公平问题。
面向QoE公平问题的现有方案大致可以分为两类，分别是集中式的带宽分配方案和分布式的带宽分配方案。
集中式的带宽分配方案：服务器在瓶颈路由器上获取客户端的QoE信息然后依靠路由器辅助进行分配带宽。其中客户端的QoE是由比特率、卡顿时间和每2秒的比特率切换等网络相关因素决定的，并且依据特定时间段内的平均QoE来指导带宽分配。
由于QoE的计算并没有考虑用户设备因素，而使用该QoE为指导进行带宽分配时，不同类型设备的用户收到的带宽可能是相同的，这不符合QoE公平的目标。另外，共享同一瓶颈链路的视频流数量也会发生变化，而流数目变化前所测得QoE会影响接下来的平均QoE计算以及带宽分配。因此，在动态网络环境下，保证QoE公平性的时间尺度应慎重选择。此外，在现实中，大多数路由器不能识别出瓶颈链路，也不知道共享这一瓶颈链路的视频流数量。
分布式的带宽分配方案：现有方案中，Minerva方案性能较为突出。其利用QoE信息动态地重新配置拥塞控制算法的参数，对带宽分配进行分布式调整。由于视频块的卡顿时间和感知质量都会影响Minerva方案中客户端的QoE，其中，考虑了网络依赖因素和设备依赖因素后，Minerva基于VMAF或PSNR对视频块感知质量进行计算。同时，Minerva根据所搜集的历史块QoE和预测的未来块QoE构造了一个效用函数，并利用它来重新配置拥塞控制算法。因此，拥塞控制算法可以分布式调整带宽分配，从而保证了QoE的公平性。此外，该方案只需要端到端的修改，无需识别瓶颈链路或修改路由器。
尽管Minerva易于部署，但是在进行带宽分配之前需要进行大量的复杂计算，这无疑带来了巨大的计算开销，因此Minerva的广泛使用有些不切实际。为了便于预测未来的QoE，Minerva需要提前计算每个视频块在所有可能的网络环境和缓冲区占用状态下的QoE。尤其是在计算QoE时，需要计算每个视频块中每帧的VMAF值，并选择同一视频的最高码率的视频版本作为参考。此外，在Minerva中效用函数是基于所有已经播放的视频块的QoE进行计算的。因此，在播放过程中瓶颈链路的视频流数量发生变化时也会影响计算开销和带宽分配。
发明内容
为了解决目前不同用户所体验到的视频质量存在显著差异，即QoE不公平问题，而面向QoE公平的享有带宽分配方案又存在着部署困难、服务器开销太大的问题，无法部署应用到实际中去的技术问题，本发明提供一种能够实现公平的网络带宽分配且部署简单、服务器开销小的视频体验质量公平的实用网络带宽分配方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，
一种视频体验质量公平的实用网络带宽分配方法，服务器接收客户端反馈的效用函数值，即根据客户端当前视频播放器的状态，预测未来的视频块以及卡顿时间信息，然后再综合设备信息进一步计算视频块的用户体验质量即QoE，最后根据QoE计算得到的效用函数值；然后服务器基于效用函数值以及测量得到的发送速率计算视频流的权重，依据权重调整拥塞控制算法的参数，从而实现视频QoE公平的带宽分配。
所述的方法，根据客户端当前视频播放器的状态，预测未来的视频块以及卡顿时间信息的过程如下：
根据当前网络吞吐量以及视频块的下载状态来预测视频块下载完成时视频播放器缓存区大小，然后根据预测的缓存区大小和当前吞吐量来使用码率自适应算法MPC计算出未来m个视频块的码率以及卡顿时间。
所述的方法，综合设备信息来进一步计算视频块的用户体验质量即QoE的过程为：
通过如下公式计算出每个视频块的用户体验质量QoE：
QoEi＝f(Bi)+γg(S)-λ|f(Bi)-f(Bi-1)|-μRi
f(Bi)表示视频码率、屏幕分辨率以及视频分辨率的函数关系，Bi表示第i个视频块的码率；
g(S)为设备屏幕尺寸的影响因素，其中，S是指设备的屏幕尺寸，|f(Bi)-f(Bi-1)|表示的是码率切换的影响，Bi-1表示第i-1个视频块的码率，Ri是在下载视频块时产生卡顿时间，γ、λ、μ分别为相应影响因素权重的参数。
所述的方法，其特征在于：
Figure BDA0002955450830000031
其中，Bi表示视频块的码率，min指取最小值，ppivideo为视频块的视频分辨率，ppiscreen是指设备的屏幕分辨率，Bmin表示的是视频的最低码率。
所述的方法，通过下式来根据QoE计算效用函数值U：
Figure BDA0002955450830000032
其中，α是衰减因子；QoE(i)则为视频块i的QoE，m是在计算效用函数值时预测未来的视频块的个数。
所述的方法，视频流客户端将效用函数值以HTTP请求或者是以写入ACK包的IPv6流标签域的方式反馈给服务器。
所述的方法，服务器基于效用函数值以及测量得到的发送速率计算不同视频流的权重，最后依据权重来调整拥塞控制算法的参数包括以下步骤：
步骤一、服务器接收到视频流客户端反馈过来的效用函数值U后，通过如下公式计算出权重w：
Figure BDA0002955450830000033
其中，r是服务器上测量到的该流的发送速率，U表示的是该视频流客户端反馈回来的效用函数值；
步骤二、服器根据计算出的权重，通过如下的公式调整拥塞控制算法Copa的参数：
Figure BDA0002955450830000034
其中，δ表示的是Copa的默认参数，
Figure BDA0002955450830000035
表示的是调整之后的Copa的参数。
一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现前述的方法。
一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现前述的方法。
本发明的技术效果在于，服务器基于视频流客户端反馈的QoE来动态调整拥塞控制算法的参数，从而实现合理地为瓶颈链路中各视频流分配所需带宽，并使得各视频流获得相同的QoE，最终实现QoE公平的目标。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明的总体框架图；
图2为QoE公平性对比图；
图3为效用函数变化图；
图4为各视频流发送速率变化图。
具体实施方式
参见图1，本实施例中，客户端根据当前的播放器状态信息、视频块信息以及设备信息计算出效用函数值U，并将其反馈给服务器，服务器根据反馈来的效用函数值U以及测量到的发送速率r计算出权重w，并以此来调整拥塞控制算法Copa的参数，实现瓶颈链路中的带宽分配。
步骤一：每间隔固定周期T，视频流客户端都会根据设备信息、当前的播放器状态以及当前正在下载的视频块信息效用函数值U，并将U反馈给服务器。
步骤一中客户端具体操作如下：
步骤A1，视频流客户端根据当前的播放器中缓冲区大小、吞吐量、视频块的下载状态，预测当前视频块下载完成时播放器的缓冲区大小。
Td＝(C-Cd)/Thr
Figure BDA0002955450830000041
Figure BDA0002955450830000042
其中Td是当前视频块下载完成还需要的时间，C为视频块的总数据量，Cd是当前已下载的数据量，Thr为当前的吞吐量；b表示的是当前播放器缓冲区大小，b′表示的是下载完成时的播放器缓冲区状态，L表示的是视频块的长度；R表示的是下载该视频块产生的卡顿时间。
步骤A2，视频流客户端根据当前的吞吐量以及预测得到的当前视频块i下载完成时播放器的缓冲区信息，使用码率自适应算法MPC来进一步计算出未来m个视频块的码率及其可能的卡顿时间。
Figure BDA0002955450830000051
其中Thr为当前的吞吐量，b′表示的是当前视频块下载完成时的播放器缓冲区状态，
Figure BDA0002955450830000052
为未来m个块的码率的集合，
Figure BDA0002955450830000053
为下载未来m个视频块时产生的卡顿时间的集合，Bi为当前正在下载视频块i的码率。MPC算法执行的具体过程可从文献《X.Yin，A.Jindal，etaL“A control-theoretic approach for dynamic adaptive video streaming overHTTP.”Pro-ceedings of the 2015ACM Conference on Special Interest Group onData Communication.pp.325-338，A ug.2015.》中获得。
步骤A3，视频流客户端根据设备信息、视频块信息以及卡顿时间，通过如下公式计算出每个视频块的用户体验质量QoE：
QoEi＝f(Bi)+γg(S)-λ|f(Bi)-f(Bi-1)|-μRi
f(Bi)表示视频码率、屏幕分辨率以及视频分辨率的函数关系。Bi表示第i个视频块的码率。g(S)为设备屏幕尺寸的影响因素。其中，S是指设备的屏幕尺寸。|f(Bi)-f(Bi-1)|表示的是码率切换的影响。Bi-1表示第i-1个视频块的码率。Ri是在下载视频块时产生卡顿时间。γ，λ，μ分别为相应影响因素权重的参数，具体取值根据需要确定。
f(Bi)表示视频码率、屏幕分辨率以及视频分辨率的函数关系。
Figure BDA0002955450830000054
其中，Bi表示未来第i个视频块的码率，ppivideo为视频块的视频分辨率，ppiscreen是指设备的屏幕分辨率，Bmin表示的是视频的最低码率。
g(S)表示的是设备屏幕尺寸的影响，S表示设备的屏幕尺寸，表1中给出了4种常见的不同屏幕尺寸所对应的g(S)值，未包含在其中的屏幕尺寸对应的g(S)可从文献《T.Triyason and W.Krathu.“The impact of screen size toward QoE of cloud-basedvirtual desktop.”Procedia computer science.vol.111,pp.203-208,2017.》中获得。
表1不同设别尺寸的g(S)
屏幕尺寸 4 6 10 13
g(S) 2.9 3.4 4.0 4.4
|f(Bi)-f(Bi-1)|表示的是码率切换的影响，Ri是在下载视频块时产生卡顿时间。γ，λ，μ则为表示相应影响因素权重的参数，默认值分别0.1，0.25和0.08。
步骤A4，视频流客户端过如下公式计算出效用函数值U：
Figure BDA0002955450830000061
其中，α表示的是衰减因子，默认值为0.9；QoE(i)表示的是视频块i的QoE，m表示的是在计算效用函数值时，考虑前后视频块的数量，默认值为4。效用函数值U是对正在播放的视频块，以及前4个历史块的QoE和预测的未来4个视频块的QoE进行平滑处理所得到的。
步骤A5，视频流客户端将效用函数值U以HTTP请求或者是以写入ACK包的IPv6流标签域的方式反馈给服务器。
步骤二：服务器接收到视频流客户端反馈的效用函数值U，通过如下公式计算出权重：
Figure BDA0002955450830000062
其中，w表示的是计算出来的该视频流的权重，r表示的是服务器上测量到的该视频流的发送速率，U表示的是该视频流客户端反馈回来的效用函数值。
步骤三：服务器根据计算出的权重，通过如下的公式调整拥塞控制算法Copa的参数：
Figure BDA0002955450830000063
其中，w表示的是服务器根据效用函数值与发送速率计算出来的权重，δ表示的是Copa的默认参数，
Figure BDA0002955450830000064
表示的是调整之后的Copa的参数。
图2展示了采用本实施例所提供的方法(Practical Bandwidth Allocation,PBA)，在多条视频流共享瓶颈链路的情况下，对于视频流的QoE公平性的提升情况。实验环境采用mahimahi建立模拟链路，链路的带宽分别为4M，6M，8M，四条视频流同时开始播放，时长为500秒。
当链路带宽为8Mbps时，与Cubic和Copa相比，PBA的最低QoE分别提高了17.5％和14.9％。当链路带宽为4Mbps时，提升率分别为18.6％和17.5％，而当链路带宽为6Mbps时，提升率分别为15％和14.4％。此外，从无论链路容量如何，与Cubic和Copa相比，PBA显着缩小了客户端的最大QoE和最小QoE之间的差距。实验结果表示，在不同的网络带宽情况下，PBA都能够极大地提升视频流之间的QoE公平性。
图3和图4展示了采用本实施例所提供的方法，在多条视频流共享瓶颈链路的情况下，视频流的效用函数值与带宽的变化情况。实验环境采用mahimahi建立模拟链路，链路的带宽分别为6M，四条视频流同时开始播放，时长为500秒。
在开始播放视频时，视频流的发送速率会大大提高，从而尽可能充分瓶颈链接。尽管各视频流的初始发送速率相似，但其对应地效用函数值却不相同。具体来说，在同一瓶颈链路中，4英寸设备的视频流具有最大的效用函数值，而13英寸设备的视频流具有最小的效用函数值。启动后，PBA将视频流的效用值调整为相同的值，并且视频流的相应发送速率保持在各自需求范围之内。换言之，PBA会动态地分配瓶颈链路带宽，从而让不同视频流的QoE达到一致。
实验结果表示，在不同的网络带宽情况下，PBA能够根据效用函数值合理地分配瓶颈链路中的带宽，以实现视频流之间的QoE公平。
根据本发明的实施例，本发明还提供了一种电子设备和一种计算机可读介质。
其中电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现前述的方法。
具体使用中，用户能够通过作为终端设备的电子设备并基于网络来与同样作为电子设备的服务器进行交互，实现接收或发送消息等功能。终端设备一般是设有显示装置、基于人机界面来使用的各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑、笔记本电脑和台式电脑等。其中终端设备上根据需要可安装各种具体的应用软件，包括但不限于网页浏览器软件、即时通信软件、社交平台软件、购物软件等。
服务器是用于提供各种服务的网络服务端，如对收到的从终端设备传输过来的效用函数值提供相应计算服务的后台服务器。以实现对接收到的效用函数值并调整拥塞控制算法Copa的参数，实现瓶颈链路中的带宽分配。
类似的，本发明的计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本发明实施例的网络带宽分配方法。

Claims (9)

1.一种视频体验质量公平的实用网络带宽分配方法，其特征在于，服务器接收客户端反馈的效用函数值，即根据客户端当前视频播放器的状态，预测未来的视频块以及卡顿时间信息，然后再综合设备信息进一步计算视频块的用户体验质量即QoE，最后根据QoE计算得到的效用函数值；然后服务器基于效用函数值以及测量得到的发送速率计算视频流的权重，依据权重调整拥塞控制算法的参数，从而实现视频QoE公平的带宽分配。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据客户端当前视频播放器的状态，预测未来的视频块以及卡顿时间信息的过程如下：
根据当前网络吞吐量以及视频块的下载状态来预测视频块下载完成时视频播放器缓存区大小，然后根据预测的缓存区大小和当前吞吐量来使用码率自适应算法MPC计算出未来m个视频块的码率以及卡顿时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，综合设备信息来进一步计算视频块的用户体验质量即QoE的过程为：
通过如下公式计算出每个视频块的用户体验质量QoE：
QoEi＝f(Bi)+γg(S)-λ|f(Bi)-f(Bi-1)|-μRi
f(Bi)表示视频码率、屏幕分辨率以及视频分辨率的函数关系，Bi表示第i个视频块的码率；g(S)为设备屏幕尺寸的影响因素，其中，S是指设备的屏幕尺寸，|f(Bi)-f(Bi-1)|表示的是码率切换的影响，Bi-1表示第i-1个视频块的码率，Ri是在下载视频块时产生卡顿时间，γ、λ、μ分别为相应影响因素权重的参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
Figure FDA0002955450820000011
其中，Bi表示第i个视频块的码率，min指取最小值，ppivideo为该视频块的视频分辨率，ppiscreen是指设备的屏幕分辨率，Bmin表示的是该视频块的最低码率。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下式来根据QoE计算效用函数值U：
Figure FDA0002955450820000012
其中，α是衰减因子；QoE(i)为视频块i的QoE，m是在计算效用函数值时预测未来的视频块的个数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，视频流客户端将效用函数值以HTTP请求或者是以写入ACK包的IPv6流标签域的方式反馈给服务器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，服务器基于效用函数值以及测量得到的发送速率计算不同视频流的权重，最后依据权重来调整拥塞控制算法的参数包括以下步骤：
步骤一、服务器接收到视频流客户端反馈过来的效用函数值U后，通过如下公式计算出权重w：
Figure FDA0002955450820000021
其中，r是服务器上测量到的该流的发送速率，U表示的是该视频流客户端反馈回来的效用函数值；
步骤二、服器根据计算出的权重，通过如下的公式调整拥塞控制算法Copa的参数：
Figure FDA0002955450820000022
其中，δ表示的是Copa的默认参数，
Figure FDA0002955450820000023
表示的是调整之后的Copa的参数。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-7中任一所述的方法。
9.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一所述的方法。
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