基于網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測的DASH 系統(tǒng)優(yōu)化

耿俊杰，李曉明，顏金堯

（1.中國傳媒大學(xué) 協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100024；2.北京華宇信息技術(shù)有限公司，北京 100024）

0 概述

隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬不斷增加，人們對網(wǎng)絡(luò)媒體的信息需求日益增長。根據(jù)2016 年CISCO 公司發(fā)布的基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分類的流量報(bào)告［1］，網(wǎng)絡(luò)媒體流量占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量的86%，各類媒體應(yīng)用成為人們信息化生活必不可少的一部分。傳統(tǒng)的RTP/RTSP［2-3］流媒體技術(shù)主要基于用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP），其傳輸具有不可靠性，且RTP/RTSP流媒體技術(shù)需要特定的流媒體服務(wù)器CDN，部署成本較高。此外，網(wǎng)絡(luò)帶寬實(shí)時(shí)波動(dòng)會影響用戶的視頻播放體驗(yàn)，為了使用戶獲得更快速、流暢和清晰的媒體服務(wù)體驗(yàn)，改進(jìn)流媒體技術(shù)提高用戶的體驗(yàn)質(zhì)量（Quality of Experience，QoE）成為研究熱點(diǎn)。

用戶的體驗(yàn)質(zhì)量與重緩沖時(shí)長成反比，與視頻清晰度成正比。用戶期望獲得較高的視頻質(zhì)量［4］，而視頻質(zhì)量與視頻編碼速率成正比，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況較差、視頻編碼速率較低時(shí)，客戶端如果仍選擇較高視頻質(zhì)量，則會造成當(dāng)前回放的緩沖時(shí)長過度消耗而發(fā)生重緩沖，導(dǎo)致播放出現(xiàn)停頓［5］，從而降低用戶體驗(yàn)質(zhì)量。近年來，超文本傳輸協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）自適應(yīng)傳輸技術(shù)逐漸興起，2011 年MPEG 組織聯(lián)合3GPP 公司共同發(fā)布關(guān)于HTTP 自適應(yīng)流化的公開草案MPEG-DASH［6］，推出基于HTTP 的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)流（Dynamic Adaptive Streaming over HTTP，DASH）［7-8］技術(shù)，其可通過感知當(dāng)前客戶端網(wǎng)絡(luò)和緩沖等狀況，動(dòng)態(tài)選擇相應(yīng)編碼速率的視頻片段下載播放，在客戶端網(wǎng)絡(luò)狀況較好或緩沖時(shí)間較長時(shí)會獲得更高的視頻質(zhì)量，是提高用戶體驗(yàn)質(zhì)量的有效途徑。

ABR 自適應(yīng)比特率算法［9］是一種使用較廣泛的自適應(yīng)流媒體速率算法，其主要分為兩類：第一類算法利用網(wǎng)絡(luò)吞吐量預(yù)測并選擇視頻片段質(zhì)量，即根據(jù)上一個(gè)視頻片段平均下載速率選擇下一個(gè)視頻片段質(zhì)量；第二類算法僅根據(jù)當(dāng)前緩沖區(qū)的緩存狀態(tài)選擇視頻片段質(zhì)量。第一類算法對吞吐量的預(yù)測較簡單，常會過高或過低估計(jì)網(wǎng)絡(luò)帶寬，導(dǎo)致發(fā)生重緩沖。第二類算法由于未對網(wǎng)絡(luò)吞吐量進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測，因此網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性和DASH 基于HTTP 的漸進(jìn)式下載方式會導(dǎo)致提前觸發(fā)拋棄規(guī)則，從而損失帶寬利用率，降低視頻質(zhì)量。拋棄規(guī)則是指在視頻片段下載過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控下載速率，當(dāng)下載速率無法滿足一定條件時(shí)，則放棄當(dāng)前所選視頻片段，并根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況重新選擇視頻片段。網(wǎng)絡(luò)吞吐量的準(zhǔn)確預(yù)測有助于提高用戶的視頻體驗(yàn)質(zhì)量［10-11］。

本文在傳統(tǒng)基于吞吐量的ABR 自適應(yīng)比特率算法基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)自適應(yīng)流媒體速率算法。使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測網(wǎng)絡(luò)吞吐量并自適應(yīng)流速率，建立基于瀏覽器緩沖時(shí)長和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)吞吐量預(yù)測的決策模型，將支持向量回歸（Support Vector Regression，SVR）模型和長短期記憶（Long Short-Term Memory，LSTM）網(wǎng)絡(luò)［12］相結(jié)合，在不發(fā)生重緩沖情況下獲得較高的視頻質(zhì)量。同時(shí)，將評價(jià)指標(biāo)SSIMPlus［13］作為不同編碼速率下視頻效用的客觀度量，并設(shè)定閾值，當(dāng)視頻質(zhì)量效用超過閾值時(shí)進(jìn)行切換以減少視頻播放抖動(dòng)，最終采用帶寬描述文件［14］進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 相關(guān)工作

為提高基于HTTP 的視頻流用戶體驗(yàn)質(zhì)量，研究人員提出眾多自適應(yīng)比特率算法。其中，傳統(tǒng)基于吞吐量的自適應(yīng)算法［15-17］使用上一個(gè)視頻片段的平均下載速率作為下一個(gè)視頻片段的選擇標(biāo)準(zhǔn)，然而其吞吐量估計(jì)不夠準(zhǔn)確。BBA 模型［18］充分利用緩存信息，提出當(dāng)緩存時(shí)間較長時(shí)應(yīng)選擇較高的視頻片段下載速率，反之應(yīng)選擇較低的視頻片段下載速率，并將緩存時(shí)長與所選速率映射為單調(diào)遞增的分段線性函數(shù)。該模型雖然根據(jù)當(dāng)前的緩存狀態(tài)選擇速率，但在帶寬的預(yù)測上仍基于上一個(gè)視頻片段的平均下載速率選擇下一個(gè)視頻片段。PANDA 模型［19］根據(jù)TCP 加窗原理，利用加窗函數(shù)對選擇速率進(jìn)行微調(diào)來測試網(wǎng)絡(luò)性能。該模型能提高視頻播放速率的穩(wěn)定性，但由于其采用類似TCP 慢啟動(dòng)的特性，從啟動(dòng)到達(dá)到最高可用帶寬需要一定時(shí)間，無法快速利用可用帶寬，導(dǎo)致用戶的體驗(yàn)質(zhì)量有所降低。QDash-abw 模型［20］利用代理模塊實(shí)時(shí)測定TCP 的延時(shí)特性，用于計(jì)算可用網(wǎng)絡(luò)帶寬，在一定程度上加大客戶端的負(fù)擔(dān)。

BOLA 模型［21］基于李雅普諾夫穩(wěn)定理論證明在已知當(dāng)前緩存的情況下，無需知道網(wǎng)絡(luò)狀況就可采用最大化效用函數(shù)選擇相應(yīng)的編碼速率，從而達(dá)到在緩存穩(wěn)定條件下時(shí)間平均效用的最大化。該模型需在緩存達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)觸發(fā)算法，由于前期缺少緩存信息，因此可采用傳統(tǒng)算法選擇合適的比特率。BOLA 模型可降低重緩沖率，并能保證在緩存相對穩(wěn)定的情況下，實(shí)現(xiàn)用戶體驗(yàn)質(zhì)量效用最大化。為保證該模型在網(wǎng)絡(luò)帶寬波動(dòng)較大時(shí)的有效性，在視頻片段下載階段會觸發(fā)BOLA 拋棄規(guī)則，即通過實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)吞吐量重新選擇視頻片段質(zhì)量。由于TCP 協(xié)議具有慢啟動(dòng)的特性，因此在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中BOLA 拋棄規(guī)則會提前觸發(fā)，導(dǎo)致視頻質(zhì)量下降。

相關(guān)研究表明吞吐量的準(zhǔn)確預(yù)測有助于提高用戶的視頻體驗(yàn)［22］，然而在網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測方面，許多研究工作集中在如何理解網(wǎng)絡(luò)流量的模式［23-24］以及通過建模來預(yù)測網(wǎng)絡(luò)流量。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量時(shí)間序列之間相關(guān)性建立線性預(yù)測模型，例如移動(dòng)平均模型MA、自回歸模型AR 和自回歸滑動(dòng)平均模型ARMA 等。由于大部分網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間序列具有非平穩(wěn)性和非線性的特點(diǎn)，因此研究人員提出基于原有線性預(yù)測模型進(jìn)行差分處理的ARMA 模型［25］。此外，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的時(shí)間序列模型也被應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測。文獻(xiàn)［26-27］提出一種基于支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）的流量預(yù)測模型，在此基礎(chǔ)上，研究人員針對視頻流量進(jìn)行預(yù)測［28］。文獻(xiàn)［29］使用LSTM 深度模型對時(shí)間序列進(jìn)行預(yù)測。文獻(xiàn)［30］提出一種基于SDN 的DASH 模型，通過SDN 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)時(shí)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量策略，為客戶端提供帶寬保證，從而提高用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。

2 系統(tǒng)模型

傳統(tǒng)DASH 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示?？蛻舳艘曨l播放器向媒體服務(wù)器發(fā)送請求獲取媒體文件并展示描述文件MPD，再根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況向媒體服務(wù)器請求相應(yīng)質(zhì)量的視頻片段。由于DASH 服務(wù)器與客戶端之間的網(wǎng)絡(luò)可用帶寬在擁塞或者4G 傳輸?shù)惹闆r下存在實(shí)時(shí)變化，導(dǎo)致用戶的體驗(yàn)質(zhì)量發(fā)生變化，包括所看視頻的質(zhì)量降低以及出現(xiàn)重緩沖現(xiàn)象。

圖1 傳統(tǒng)DASH 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of traditional DASH system

2.1 傳統(tǒng)DASH 模型

定義1（視頻質(zhì)量）一個(gè)完整的視頻流被編碼為代表不同視頻質(zhì)量的l種比特率，視頻編碼速率集合?={r1，r2，…，rl}，?ri∈?，1≤i≤l，ri為視頻編碼速率。各種比特率的視頻流均可劃分為N個(gè)視頻片段，即?ChunkSeti={chunki1，chunki2，…，chunkiN}，每個(gè)視頻片段有相同的時(shí)間間隔p，即?chunkij∈ChunkSeti，1≤i≤L，1≤j≤N，Periodofchunkij=p。視頻片段大小Sij=p×r，視頻效用隨視頻片段增大而單調(diào)遞增。其中，ri≤rj，1≤i≤j≤l，ui≤uj（ui為以速率ri編碼的視頻片段效用）。

定義2（網(wǎng)絡(luò)可用帶寬）網(wǎng)絡(luò)可用帶寬在服務(wù)器和客戶端之間隨網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)不斷變化，設(shè)網(wǎng)絡(luò)帶寬是一個(gè)隨時(shí)間變化的隨機(jī)過程bw(t)，在t時(shí)刻請求選擇下載編碼速率為ri的視頻片段chunkij，則在下載時(shí)間段下載的視頻片段大小為：

下載時(shí)間為：

DASH 客戶端處理過程為：視頻播放器下載連續(xù)的視頻片段在客戶端進(jìn)行回放，且每個(gè)片段在下載完成后才能播放。播放器根據(jù)當(dāng)前可用帶寬向服務(wù)器發(fā)送請求HTTP Request 來下載相應(yīng)編碼的視頻片段，視頻片段下載完成后以編碼速率進(jìn)行解碼播放。視頻播放器采用一個(gè)有限的緩存來存儲下載的連續(xù)片段，如果緩存時(shí)長為0，則表明無內(nèi)容可播放；如果緩存被占滿已無可用空間，則需等待相應(yīng)時(shí)長Δ。

傳統(tǒng)DASH 模型的交互過程如下［31］：

1）以初始化速率下載。初始速率通過預(yù)先設(shè)定的Defaultr∈? 獲得，先根據(jù)視頻片段質(zhì)量量化函數(shù)q(rinit)得到相應(yīng)的視頻質(zhì)量，然后開始下載視頻片段。

2）下載監(jiān)控階段。實(shí)時(shí)監(jiān)控下載過程的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，如果下載相應(yīng)比特率的視頻片段所需時(shí)間超過閾值，則拋棄所選比特率，并根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)吞吐量選擇視頻片段質(zhì)量。

3）根據(jù)上一個(gè)視頻片段的平均下載速率得到網(wǎng)絡(luò)吞吐量估計(jì)值，并據(jù)此選擇下一個(gè)視頻片段的質(zhì)量。下一個(gè)視頻片段的平均下載速率rnext=LastSi(j-1)/downloadtime，通過質(zhì)量量化函數(shù)q(rnext)得到相應(yīng)視頻片段質(zhì)量并開始下載，然后重復(fù)步驟2。

4）調(diào)度階段。如果客戶端在下載第j個(gè)視頻片段時(shí)緩沖時(shí)長B(j)大于最大允許緩沖時(shí)長Bmax，則等待且等待時(shí)長Δ=B(j)-Bmax，否則直接向服務(wù)器發(fā)送下一次請求HTTP Request，相關(guān)表達(dá)式如下：

在傳統(tǒng)DASH 系統(tǒng)中，各個(gè)視頻片段采用基于HTTP 的漸進(jìn)式下載模式，且在全部下載完成后才能回放。當(dāng)下載下一個(gè)視頻片段時(shí)，需重新發(fā)送請求HTTP Request，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的波動(dòng)會觸發(fā)DASH算法中的拋棄規(guī)則，因此會降低視頻質(zhì)量。

2.2 基于預(yù)測和緩沖狀態(tài)的自適應(yīng)算法

由于傳統(tǒng)的DASH 算法未利用緩存狀態(tài)選擇相應(yīng)的比特率，BOLA 模型僅根據(jù)當(dāng)前緩存狀態(tài)選擇相應(yīng)的比特率，而網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性和基于HTTP 的漸進(jìn)式下載方式會導(dǎo)致BOLA 觸發(fā)拋棄規(guī)則，從而損失帶寬利用率并降低視頻質(zhì)量，因此本文基于ABR算法使用有時(shí)間記憶的機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測網(wǎng)絡(luò)吞吐量，并建立基于緩沖時(shí)長和網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測的決策模型，通過對網(wǎng)絡(luò)吞吐量的有效預(yù)測減少拋棄規(guī)則的觸發(fā)概率，從而提高用戶體驗(yàn)質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)層閥門有遺忘閥門、輸入閥門和輸出閥門3 類。這些閥門可打開或關(guān)閉，用于判斷網(wǎng)絡(luò)的記憶態(tài)在該層的輸出結(jié)果是否達(dá)到閾值，從而更好地預(yù)測網(wǎng)絡(luò)流量。LSTM 網(wǎng)絡(luò)是在循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Network，RNN）結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加各層閥門節(jié)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 LSTM 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of LSTM network

LSTM 網(wǎng)絡(luò)具體處理流程如下：

1）采用Sigmoid函數(shù)控制遺忘閥門層，根據(jù)上一個(gè)時(shí)刻的輸出ht-1和當(dāng)前輸入xt產(chǎn)生一個(gè)0 到1 的ft值，并利用上一個(gè)時(shí)刻學(xué)到的信息Ct-1進(jìn)行計(jì)算，對部分信息進(jìn)行去除或保留。ft的計(jì)算公式如下：

2）通過當(dāng)前輸入xt和上一個(gè)時(shí)刻的輸出ht-1通知C需要更新的信息，包含兩部分：（1）輸入閥門層通過Sigmoid 函數(shù)確定需更新的信息值；（2）tanh 層用于生成新的候選值，其作為當(dāng)前層產(chǎn)生的候選值添加到單元狀態(tài)中，相關(guān)計(jì)算公式如下：

然后進(jìn)行單元狀態(tài)更新，將上一個(gè)時(shí)刻的單元狀態(tài)乘以ft過濾冗余信息，再與相加得到候選值。

3）通過Sigmoid 函數(shù)獲取初始輸出，再與Sigmoid 函數(shù)得到的輸出逐對相乘，從而得到模型的輸出，計(jì)算公式如下：

傳統(tǒng)算法僅使用上一個(gè)視頻片段的平均下載速率估計(jì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量來選擇下一個(gè)視頻片段的質(zhì)量。本文DASH 系統(tǒng)使用SVR 和LSTM 模型預(yù)測網(wǎng)絡(luò)吞吐量，結(jié)合當(dāng)前緩存狀態(tài)和優(yōu)化模型選擇合適的視頻編碼速率，同時(shí)在下載視頻片段過程中通過預(yù)測模型實(shí)時(shí)預(yù)測網(wǎng)絡(luò)吞吐量，以判定是否觸發(fā)拋棄規(guī)則，進(jìn)而決定是否放棄所選質(zhì)量的視頻片段，本文DASH 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 本文DASH 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the proposed DASH system

為確保用戶體驗(yàn)質(zhì)量最大化，根據(jù)預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)吞吐量bwest計(jì)算所有可選視頻片段的下載時(shí)間估計(jì)值EDT，即?ri∈?，1≤i≤l，EDT=(ri×p)/bwest，并結(jié)合當(dāng)前的緩沖狀態(tài)B(j) 構(gòu)建優(yōu)化模型如下：

在當(dāng)前緩沖狀態(tài)下，采用合適的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)選擇較高的視頻質(zhì)量，即下載時(shí)間估計(jì)值EDTj越接近當(dāng)前緩沖時(shí)長B(j)越好。采用約束1 通過調(diào)節(jié)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)緩存一定程度上的穩(wěn)定性，約束2 可保證不出現(xiàn)再緩沖。

推論1由于B(j+1)=max[0，B(j)-EDTj]+p，為保證不出現(xiàn)再緩沖，應(yīng)滿足EDTj≤B(j)，因此B(j+1)=B(j)-EDTj+p。

EDT 隨緩沖相對穩(wěn)定系數(shù)α的變化如圖4 所示。可以看出，隨著α不斷增大（0＜α1＜α2＜α3＜1），EDT 曲線趨于平緩，表明當(dāng)α較大時(shí)，緩沖相對穩(wěn)定且視頻質(zhì)量較好。

圖4 EDT 隨α 的變化Fig.4 Change of EDT with α

如果p-αB(j)＞0，則0 ≤EDTj≤B(j)；如果pαB(j)＞0，則0 ≤EDTj≤p+(1-α)B(j)。約束2可修改為：

推論2當(dāng)B(0)=0，B(1)=p，B(N)=0 時(shí)，得到：

EDT 隨緩沖時(shí)長B（j）的變化如圖5 所示?？梢钥闯觯珽DT 隨B（j）的增長呈分段線性變化。當(dāng)pαB(j)＞0 時(shí)，選擇的視頻片段所需下載時(shí)長EDT 接近B（j），即會耗盡當(dāng)前緩沖時(shí)長；當(dāng)p-αB(j)＜0 時(shí)，為保證所選下一個(gè)視頻片段具有較高質(zhì)量，不會完全耗盡當(dāng)前緩沖時(shí)長B（j），EDT 增長減緩，即選擇的視頻片段質(zhì)量較低。

圖5 EDT 隨B（j）的變化Fig.5 Change of EDT with B（j）

本文DASH 系統(tǒng)算法如下：

算法1本文DASH 系統(tǒng)算法

上述算法具體步驟如下：

1）初始化速率

通過預(yù)先設(shè)定的Defaultr ∈? 設(shè)置初始速率，根據(jù)量化函數(shù)q(rinit)選擇相應(yīng)的視頻質(zhì)量，等待下載。

2）下載監(jiān)控階段

實(shí)時(shí)監(jiān)控下載過程的網(wǎng)絡(luò)吞吐量并存儲下載的網(wǎng)絡(luò)軌跡信息，使用預(yù)測模型進(jìn)行預(yù)測，相關(guān)表達(dá)式如下：

在初始階段req.index=1，如果所選視頻片段下載所需時(shí)間超過閾值，即ri1×p/recentthoughput ＞β×p（β為初始下載時(shí)間閾值系數(shù)），則拋棄當(dāng)前所選的比特率，并根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)吞吐量重新選擇視頻片段質(zhì)量qi1=q(recentthoughput)。在非初始階段req.index=j，N≥j＞1，如果（Bnow為下載階段的實(shí)時(shí)緩沖時(shí)長），則重新根據(jù)優(yōu)化模型minimizeBnow-EDT選擇視頻質(zhì)量。當(dāng)視頻片段完全下載后，根據(jù)優(yōu)化模型minimizeBnow-EDT 選擇下一個(gè)視頻片段的質(zhì)量，并通過質(zhì)量量化函數(shù)q(rnext)得到相應(yīng)視頻質(zhì)量并開始下載。為減少視頻質(zhì)量變動(dòng)，假設(shè)當(dāng)uqij-ulastquality＞0.01（qij為以速率ri編碼的第j個(gè)視頻片段的質(zhì)量）時(shí)，返回新的視頻片段質(zhì)量；否則保持原來的視頻片段質(zhì)量，重復(fù)執(zhí)行步驟2。

3）調(diào)度階段

如果B(j)＞Bmax，則等待且等待時(shí)長Δ=B(j)-Bmax，否則直接向服務(wù)器發(fā)送下一次請求HTTP Request，表達(dá)式如下：

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文使用mininet2.2 平臺構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6 所示。DASH 服務(wù)端使用Apache 軟件，采用DASH 數(shù)據(jù)集［32］提供的視頻片段Big Buck Bunny 進(jìn)行測試，并根據(jù)DASH 提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬描述文件，用網(wǎng)絡(luò)性能測試工具Iperf 發(fā)送相應(yīng)的動(dòng)態(tài)流量作為背景流量。

圖6 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.6 Network topology

Big Buck Bunny 視頻時(shí)長為600 s，被編碼為5 種分辨率和20 種視頻質(zhì)量，視頻片段間隔為10 s，劃分為60 個(gè)視頻片段，視頻編碼如表1 所示。采用SSIMPlus 評價(jià)指標(biāo)作為不同編碼速率下視頻效用的客觀度量。

表1 Big Buck Bunny 視頻編碼Table 1 Big Buck Bunny video codings

對不同編碼速率的Big Buck Bunny 視頻進(jìn)行線下客觀質(zhì)量測定，結(jié)果如圖7 所示?？梢钥闯觯曨l的客觀質(zhì)量隨編碼速率的升高呈非線性遞增趨勢。

圖7 Big Buck Bunny 的客觀質(zhì)量Fig.7 Objective quality of Big Buck Bunny

使用開源的DASH.js2.0 作為客戶端視頻播放器，采用Node-webkit.js 作為瀏覽器。由于DASH.js2.0適用于傳統(tǒng)的ABR 算法和新興的BOLA 算法，因此本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展形成基于預(yù)測的自適應(yīng)算法，并通過文件日志記錄視頻片段質(zhì)量和重緩沖事件，具體參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Table 2 Experimental parameters setting

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬描述文件使用網(wǎng)絡(luò)性能測試工具Iperf 發(fā)送背景流占用帶寬，并采用Mininet 平臺仿真進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)軌跡測試，每隔250 ms 采樣一次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和帶寬描述文件具體信息分別如圖8 和表3 所示。

圖8 不同網(wǎng)絡(luò)軌跡測試指數(shù)下的吞吐量Fig.8 Throughput under different network trajectory test indexes

表3 帶寬描述文件具體信息Table 3 Specific information of bandwidth description file

4 種不同算法得到的60 個(gè)視頻片段的質(zhì)量如圖9所示。可以看出傳統(tǒng)算法的視頻片段質(zhì)量的選擇較平穩(wěn)且質(zhì)量較高，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)算法只根據(jù)上一個(gè)視頻片段的下載速率來確定下一個(gè)視頻片段的質(zhì)量，并設(shè)置固定的下載閾值β×p，而本文設(shè)置β=1.5，表示當(dāng)視頻片段的下載時(shí)長估計(jì)值超過視頻片段時(shí)長的1.5 倍才會觸發(fā)拋棄規(guī)則，此時(shí)，客戶端緩沖時(shí)長已被過度消耗導(dǎo)致發(fā)生重緩沖。

圖9 4 種算法的視頻質(zhì)量Fig.9 Video quality of four algorithms

4 種算法得到的平均視頻質(zhì)量如圖10 所示?？梢钥闯龌贚STM 預(yù)測模型的自適應(yīng)算法的平均視頻質(zhì)量最高，這是因?yàn)樵撍惴ú粌H使用預(yù)測的吞吐量信息，還使用緩存時(shí)長作為算法的輸入，當(dāng)緩存時(shí)間較長時(shí)會選擇較高的視頻質(zhì)量，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控下載階段的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)觸發(fā)拋棄規(guī)則重新適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀況。

圖10 4 種算法的平均視頻質(zhì)量Fig.10 Average video quality of four algorithms

4 種算法的重緩存率如圖11 所示?？梢钥闯?，雖然基于LSTM 的ABR 算法平均視頻質(zhì)量最高，但其與傳統(tǒng)ABR 算法均出現(xiàn)重緩沖現(xiàn)象。這是由于LSTM 算法在實(shí)際運(yùn)行過程中預(yù)測時(shí)間約為1.5 s，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測，無法提前感知判斷，因此導(dǎo)致出現(xiàn)重緩沖現(xiàn)象。BOLA 算法僅使用緩存信息動(dòng)態(tài)選擇視頻質(zhì)量，雖然未出現(xiàn)重緩沖現(xiàn)象，但由于其不能對網(wǎng)絡(luò)吞吐量進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測，導(dǎo)致提前觸發(fā)拋棄規(guī)則，在一定程度上降低了平均視頻質(zhì)量。

圖11 4 種算法的重緩存率Fig.11 Recache rates of four algorithms

4 種算法的拋棄規(guī)則觸發(fā)次數(shù)如圖12 所示?？梢钥闯?，BOLA 算法觸發(fā)了20 次拋棄規(guī)則，由于其在視頻片段下載初始階段提前認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)變差不符合當(dāng)前緩存需求，因此過早拋棄當(dāng)前所選視頻質(zhì)量。結(jié)合圖11 和圖12 可知，本文基于SVR 的自適應(yīng)算法綜合表現(xiàn)最好，通過SVR 預(yù)測模型結(jié)合緩存狀態(tài)選擇的平均視頻質(zhì)量較高，同時(shí)通過實(shí)時(shí)在線預(yù)測減少了拋棄規(guī)則命中次數(shù)且未發(fā)生重緩沖。

圖12 4 種算法的拋棄規(guī)則觸發(fā)次數(shù)Fig.12 Trigger times of discard rule of four algorithms

4 結(jié)束語

本文提出一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的改進(jìn)自適應(yīng)流媒體速率算法。在分析基于HTTP 動(dòng)態(tài)自適應(yīng)流媒體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立網(wǎng)絡(luò)吞吐量預(yù)測模型，并結(jié)合當(dāng)前緩沖狀態(tài)選擇合適的視頻質(zhì)量，在視頻下載階段實(shí)時(shí)預(yù)測網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低因TCP 慢啟動(dòng)提前觸發(fā)拋棄規(guī)則的次數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可有效提高用戶視頻體驗(yàn)質(zhì)量。隨著軟件定義網(wǎng)絡(luò)和可編程網(wǎng)絡(luò)等下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)將變得更加智能與可控，后續(xù)將結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量預(yù)測準(zhǔn)確率。