1、A Control-theoretic Approach to Rate Adaptation for Dynamic HTTP Streaming【作者作者】C Zhou,X Zhang,L Huo,Z Guo【会议】【会议】Visual Communications&Image Processing（IEEE收录）收录）【日期【日期】2012 参考文献l 1Chenghao Liu,Imed Bouazizi,and Moncef Gabbouj,“Rate Adaptation for Adaptive HTTP Streaming”in Proc.ACM MMSys11,pp.1691
2、74,Feb.20112目录l一、背景介绍一、背景介绍l二、论文的主要思想二、论文的主要思想l三、论文的主要内容三、论文的主要内容l四、论文的理论分析四、论文的理论分析l五、论文的仿真结果五、论文的仿真结果l六、论文的结论六、论文的结论l七、我的思考七、我的思考3一、背景介绍l 研究背景研究背景当前当前MPEG-DASH技术研究过程中技术研究过程中，提供高质量，提供高质量视频视频的媒体服的媒体服务仍然具有挑战性。挑战主要来自时变带宽务仍然具有挑战性。挑战主要来自时变带宽，码率自适应，码率自适应技术技术是重点研是重点研究对象。通过究对象。通过自动调节视频质量以匹配可用带宽，自动调节视频质量以匹配
3、可用带宽，从而使得从而使得用户用户得到很得到很好地观看体验好地观看体验。目前，主流目前，主流的的码率自适应码率自适应技术可以分为技术可以分为三三类：类：i）基于带宽）基于带宽；ii）基于缓）基于缓存；存；iii）基于流畅度）基于流畅度。l 目前存在的问题目前存在的问题在基于带宽的速率自适应技术中，它以估计的网络带宽来切换在基于带宽的速率自适应技术中，它以估计的网络带宽来切换比特率。一些商业供应商采用的速率适配方案大多属于这一类别。基于比特率。一些商业供应商采用的速率适配方案大多属于这一类别。基于带宽的速率自适应方案的主要缺点是带宽的速率自适应方案的主要缺点是：i）由于复杂的网络条件，难以准）由
4、于复杂的网络条件，难以准确地估计吞吐量确地估计吞吐量；ii）随时变化的带宽将导致短期比特率切换）随时变化的带宽将导致短期比特率切换会影响会影响用用户户观看观看体验。体验。4二、论文的主要思想l 本论文的解决思路本论文的解决思路提出了一种提出了一种新的控制理论方法来切换动态自适应新的控制理论方法来切换动态自适应HTTP流中的切流中的切片等级。基于缓存器，设置两个阈值：上溢阈值和下溢阈值。适应目标片等级。基于缓存器，设置两个阈值：上溢阈值和下溢阈值。适应目标使播放质量最大化，并且通过防止接收缓冲区溢出或下溢来进行不同比使播放质量最大化，并且通过防止接收缓冲区溢出或下溢来进行不同比特率之间的切换。特
5、率之间的切换。算法引入两种机制：算法引入两种机制：i)睡眠机制，用于在接收缓冲区的占用太高时防止选择不必要的睡眠机制，用于在接收缓冲区的占用太高时防止选择不必要的低比特率或者缓存上溢；低比特率或者缓存上溢；ii)复位机制，当接收缓冲区的占用太低时，采用这种机制预先避复位机制，当接收缓冲区的占用太低时，采用这种机制预先避免缓存下溢。免缓存下溢。5二、论文的主要思想6积分中值定理：积分中值定理：若函若函数数f(x)在闭区间在闭区间 a,b上上连续，则在积分区间上连续，则在积分区间上至少存在一个点至少存在一个点，使下式成立，使下式成立：abfdxxfba二、论文的主要思想7l 论文的主要参数和公式说
6、明论文的主要参数和公式说明r(k)*L 第k个切片大小 tk-1tk时间内缓存净增加量 下载第k个切片用的时间三、论文的主要内容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 ，这里运用了积分中值定理。三、论文的主要内容上述公式解析：上述公式解析：第第 k k 个切片的大小：个切片的大小：r(k)*L=对于对于 t(tk-1,tk,忽略切片获取过程中忽略切片获取过程中request时间（或者时间（或者d(t)置置为为0 0，保证其连续），由积分中值定理有：，保证其连续），由积分中值定理有：存在存在 t0(tk-1,tk，满足：，满足：结合结合 tk=tk-t
7、k-1，即，即存在存在 t(tk-1,tk，r(k)*L=得到得到(2)(2)式。式。同理，推导同理，推导 =9 10kktttttddttdk1k kttd*dttdk1kttl 论文的算法模型论文的算法模型i)i)上溢模型上溢模型为了防止缓存上溢，须使为了防止缓存上溢，须使 成立，那么将成立，那么将(3)式式 b(tk)带入不带入不等式，有：等式，有：对对(4)不等式右边不等式右边 rover(k)进行量化取值运算进行量化取值运算Qrover(k)可以可以得到得到r(k)可取上限值可取上限值 rmax(k)，并且下限值应不低于当前带宽，并且下限值应不低于当前带宽(即下即下载速度的载速度的d
8、(t)，只适用于，只适用于rmax(k)d(t)的情形。的情形。三、论文的主要内容10三、论文的主要内容对于对于 rover(k)d(t)的情形，须启动睡眠机制，延迟的情形，须启动睡眠机制，延迟ts后后 rover(k)d(t+ts)再进行第再进行第 k 个切片文件的下载。个切片文件的下载。式式(6)(7)用于计算延迟用于计算延迟ts后缓存增大足以使成立后缓存增大足以使成立rover(k)d(t+ts)再次成立，从而开始启动下载。再次成立，从而开始启动下载。11三、论文的主要内容上述公式解析：上述公式解析：对于时刻对于时刻 t(tk-1,tk，若若rover(k)d(t)，那么停止下载切片文件
9、。，那么停止下载切片文件。在延迟在延迟 ts 后重新启动。显然，后重新启动。显然，在此期间在此期间p(t)保持不变，假设保持不变，假设d(t)也保持不也保持不变。变。正常情况下，正常情况下，ts 后必有：后必有：化简，有：化简，有：，再将，再将(6)(6)式式带入，即可得到带入，即可得到(7)(7)式。式。12 ssss1kmaxoverttdLttdttpttbbkr1 tdLtdtpttbbkrs1kmaxover1l 论文的算法模型论文的算法模型ii)下溢模型下溢模型在缓存下溢情况下，在缓存下溢情况下，b(t)单调递减。需要保证单调递减。需要保证b(tk)bmin，同同理，将该条件带入到
10、式理，将该条件带入到式(3)。得到：。得到：(8)式得到式得到r(k)的一个上限值的一个上限值runder(k)，对于，对于runder(k)r1的情形，的情形，此时不再有符合要求的此时不再有符合要求的r(k)，因此引入保护参数，因此引入保护参数(1)。当当runder(k)r1时，即进入码率复位机制。时，即进入码率复位机制。三、论文的主要内容13三、论文的主要内容当当runder(k)r1时，时，r1可以是切片码率等级集合可以是切片码率等级集合R中某个大于中某个大于 r1 的等级。此时，码率等级直接复位为的等级。此时，码率等级直接复位为 r1，从而防止缓存下溢的情况发生。，从而防止缓存下溢的
11、情况发生。另一方面，对于另一方面，对于runder(k)r1(1)的情形：的情形：此时，满足此时，满足 r(k)r1。三、论文的主要内容l 论文的算法模型论文的算法模型iii)均衡阶段均衡阶段前面提到的是缓存上溢或者下溢的情况，对于前面提到的是缓存上溢或者下溢的情况，对于p(t)=d(t)的情形：的情形：r(k)=r(k-1)l 算法总结算法总结四、论文的理论分析l 理论分析的特点理论分析的特点论文中提出的算法，在分析、建模过程中引入了积分运算，很论文中提出的算法，在分析、建模过程中引入了积分运算，很形象地描述了缓存空间的变化情况。同时，结合积分中值定理对计算过形象地描述了缓存空间的变化情况。
12、同时，结合积分中值定理对计算过程进行了转移。程进行了转移。本文在自适应算法中引入了缓存消耗速率本文在自适应算法中引入了缓存消耗速率p(t),而且对于而且对于p(t)和和d(t)之间的计算关系也把握得很好。之间的计算关系也把握得很好。本文在下溢模型中引入了保护因子本文在下溢模型中引入了保护因子，从而使算法选择下载切片，从而使算法选择下载切片时在防止缓存下溢方面有更好的效果。时在防止缓存下溢方面有更好的效果。16五、论文的仿真结果l 论文的论文的网络仿真拓扑网络仿真拓扑为了为了比较比较两种速率自适应两种速率自适应算法算法，考虑三种不同的场景：，考虑三种不同的场景：i i）可用）可用带宽保持不变带宽
13、保持不变;ii;ii）短期变化下的可用带宽）短期变化下的可用带宽;iii;iii）长期变化下的可用带宽。）长期变化下的可用带宽。在每种情况下，示出所选择的比特率在每种情况下，示出所选择的比特率和缓存占用率和缓存占用率。由于在离散比特率。由于在离散比特率选择中有很多重叠，所以这两种方法的绘图选择中有很多重叠，所以这两种方法的绘图会有会有垂直交错。垂直交错。同一类别中同一类别中的所有图都具有相同的比特率。的所有图都具有相同的比特率。在所有下列图中，当选择的比特率为零在所有下列图中，当选择的比特率为零时，表示睡眠机制被实现，时，表示睡眠机制被实现，即即空闲一段时间。空闲一段时间。17五、论文的仿真结
14、果l 论文提出的对比算法论文提出的对比算法吞吐量吞吐量 切换因子切换因子向上切换条件向上切换条件 ，逐级递增，逐级递增向下切换条件向下切换条件 ，切换等级满足，切换等级满足 最大最大 i延迟时间延迟时间 tm：缓存媒体的时长：缓存媒体的时长 tmin：预定义的最小缓存媒体时间：预定义的最小缓存媒体时间bc：当前下载媒体段的比特率当前下载媒体段的比特率 bmin：切片切片的最小比特率的最小比特率五、论文的仿真结果五、论文的仿真结果l 仿真参数配置仿真参数配置可获得比特率集合：可获得比特率集合：保护因子保护因子 缓存器缓存器五、论文的仿真结果l 仿真结果图及分析仿真结果图及分析情形情形 i)五、论
15、文的仿真结果情形情形 ii)情形情形iii)六、论文的结论l 结果分析结果分析实验结果证明提出的方案的以下主要优点：实验结果证明提出的方案的以下主要优点：i i）算法会尽可能选择具有较高比特率的视频级别，以更好地利）算法会尽可能选择具有较高比特率的视频级别，以更好地利用网络资源；用网络资源；ii ii）带宽尖峰可以通过缓冲数据进行补偿，而不会导致短期比特）带宽尖峰可以通过缓冲数据进行补偿，而不会导致短期比特率切换；率切换；iii iii）对于长期可用带宽变化，它可以及时选择最佳比特率，并确）对于长期可用带宽变化，它可以及时选择最佳比特率，并确保连续的视频播放。保连续的视频播放。七、我的思考24七、我的思考
