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】C Zhou,X Zhang,L Huo ,Z Guo【會(huì)議】Visual Communications & Image Processing（IEEE收錄）【日期】2012,,參考文獻(xiàn),[1]Chenghao Liu, Imed Bouazizi, and Monce

2、f Gabbouj, “Rate Adaptation for Adaptive HTTP Streaming” in Proc. ACM MMSys11, pp. 169–174, Feb. 2011,2,目錄,一、背景介紹二、論文的主要思想三、論文的主要內(nèi)容四、論文的理論分析五、論文的仿真結(jié)果六、論文的結(jié)論七、我的思考,3,一、背景介紹,研究背景當(dāng)前MPEG-DASH技術(shù)研究過程中，提供高質(zhì)量視頻的媒體服務(wù)仍然具有挑

3、戰(zhàn)性。挑戰(zhàn)主要來自時(shí)變帶寬，碼率自適應(yīng)技術(shù)是重點(diǎn)研究對(duì)象。通過自動(dòng)調(diào)節(jié)視頻質(zhì)量以匹配可用帶寬，從而使得用戶得到很好地觀看體驗(yàn)。目前，主流的碼率自適應(yīng)技術(shù)可以分為三類：i）基于帶寬；ii）基于緩存；iii）基于流暢度。目前存在的問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別。基于帶寬的速率自適應(yīng)方案的主要缺點(diǎn)是：i）由于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)條件，難以準(zhǔn)確地估計(jì)吞吐量；ii

4、）隨時(shí)變化的帶寬將導(dǎo)致短期比特率切換會(huì)影響用戶觀看體驗(yàn)。,4,二、論文的主要思想,本論文的解決思路提出了一種新的控制理論方法來切換動(dòng)態(tài)自適應(yīng)HTTP流中的切片等級(jí)。基于緩存器，設(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，并且通過防止接收緩沖區(qū)溢出或下溢來進(jìn)行不同比特率之間的切換。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

5、占用太低時(shí)，采用這種機(jī)制預(yù)先避免緩存下溢。,5,二、論文的主要思想,論文的補(bǔ)充知識(shí),6,積分中值定理：若函數(shù)f (x)在閉區(qū)間 [a,b]上連續(xù)，則在積分區(qū)間上至少存在一個(gè)點(diǎn)ε，使下式成立：,二、論文的主要思想,7,論文的主要參數(shù)和公式說明,r(k)*L ——第k個(gè)切片大小 ——tk-1~tk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,算法中主要公式,8,( tk - tk-1

6、)*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：第 k 個(gè)切片的大?。?r(k)*L =對(duì)于 t∈(tk-1 , tk],忽略切片獲取過程中request時(shí)間（或者d(t)置為0，保證其連續(xù)），由積分中值定理有： 存在 t0∈(tk-1 , tk]，滿足：結(jié)合Δ tk = tk - tk-1 ，即存在

7、 t∈(tk-1 , tk]，r(k)*L =得到(2)式。同理，推導(dǎo) =,9,論文的算法模型i)上溢模型,為了防止緩存上溢，須使 成立，那么將(3)式 b(tk) 帶入不等式，有：對(duì)(4)不等式右邊 rover(k) 進(jìn)行量化取值運(yùn)算Q[rover(k)]可以得到r(k)可取上限值 rmax(k)，并且下限值應(yīng)不低于當(dāng)前帶寬 (即下載速度的d(t)

8、)，只適用于rmax(k) ≥ d(t)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 rover(k) ＜d(t)的情形，須啟動(dòng)睡眠機(jī)制，延遲ts后[rover(k) ≥ d(t+ts)]再進(jìn)行第 k 個(gè)切片文件的下載。式(6)(7)用于計(jì)算延遲ts后緩存增大足以使成立rover(k) ≥ d(t+ts)再次成立，從而開始啟動(dòng)下載。,11,三、論文的主要內(nèi)容,上述公式解析：對(duì)于時(shí)刻 t∈(tk-1 , t

9、k]，若rover(k) ＜d(t)，那么停止下載切片文件。在延遲 ts 后重新啟動(dòng)。顯然，在此期間p(t)保持不變，假設(shè)d(t)也保持不變。正常情況下，ts 后必有：化簡(jiǎn)，有： ，再將(6)式帶入，即可得到(7)式。,12,論文的算法模型ii)下溢模型在緩存下溢情況下，b(t)單調(diào)遞減。需要保證b(tk) ≥ bmin，同理，將該條件帶入到式

10、(3)。得到：(8)式得到r(k)的一個(gè)上限值runder(k)，對(duì)于runder(k)＜r1的情形，此時(shí)不再有符合要求的r(k)，因此引入保護(hù)參數(shù)β(β≥1)。當(dāng)runder(k)＜βr1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)runder(k)＜βr1時(shí)，βr1可以是切片碼率等級(jí)集合R中某個(gè)大于 r1 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。另一方面，對(duì)于

11、runder(k) ≥βr1 (β≥1)的情形：此時(shí)，滿足 r(k) ≥ r1。,三、論文的主要內(nèi)容,論文的算法模型iii)均衡階段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：r(k) = r(k-1)算法總結(jié),四、論文的理論分析,理論分析的特點(diǎn)論文中提出的算法，在分析、建模過程中引入了積分運(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)算過程進(jìn)行了轉(zhuǎn)移。本文在自適應(yīng)算法

12、中引入了緩存消耗速率p(t),而且對(duì)于p(t)和d(t)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α，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。,16,五、論文的仿真結(jié)果,論文的網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)錇榱吮容^兩種速率自適應(yīng)算法，考慮三種不同的場(chǎng)景：i）可用帶寬保持不變; ii）短期變化下的可用帶寬; iii）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和緩存占用率。由于在離散比特率選擇中有

13、很多重疊，所以這兩種方法的繪圖會(huì)有垂直交錯(cuò)。 同一類別中的所有圖都具有相同的比特率。 在所有下列圖中，當(dāng)選擇的比特率為零時(shí)，表示睡眠機(jī)制被實(shí)現(xiàn)，即空閑一段時(shí)間。,17,五、論文的仿真結(jié)果,論文提出的對(duì)比算法吞吐量 切換因子向上切換條件 ，逐級(jí)遞增向下切換條件 ，切換等級(jí)滿足 最大 i延遲時(shí)間

14、 tm：緩存媒體的時(shí)長(zhǎng) tmin：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 bmin：切片的最小比特率,五、論文的仿真結(jié)果,對(duì)比算法執(zhí)行框圖,五、論文的仿真結(jié)果,仿真參數(shù)配置可獲得比特率集合：保護(hù)因子 緩存器,五、論文的仿真結(jié)果,仿真結(jié)果圖及分析情形 i),五、論文的仿真結(jié)果,情形 ii)情形iii),六、論文的結(jié)論,結(jié)