研制开发
鹏，丁国梁，刘海涛，吴涛，凌
（中国移动通信集团设计院有限公司江苏分公司，江苏
流媒体服务是流媒体技术在视频点播、在线直播、视频会议、远程教育等互联网信息服务中的应用总称，它带动了视频通信、视频消费和视频监控等业务的发展，并成为支撑智慧城市、智慧医疗、5G
要基础。目前的流媒体服务己脱离纯技术驱动的模式，正在走向技术与服务相结合、体验与互动并进的新模式，有
效地改善了用户体验质量（Quality of Experience， QoE），是明确把握用户需求、优化服务、提高市场竞争力的关键。然而现实中网络环境的复杂不稳定导致流媒体服务经常会出现质量波动（码率变化）、卡顿的发生，这些都会导致的下降，从而降低对流媒体服务的满意度。因此，提供满意的
的优化，取得以下进展：采取的码率调节策略是将视频播放分为初始启动
阶段和稳定播放阶段，并且为每个阶段采取不同的优化目标，前者旨在缩短启动延迟，后者则改善视频质量和降低
重载的次数。该策略与使用经典的码率适应方法相比较，可以有效减少由于请求播放的视频码率与波动网络吞吐量
QoE的提升上获得了出的性能。
主观体验质量（QoE）； 流媒体；重载； 码率调节
Research on Two-Stage Bit Rate Adjustment for Streaming Video to
Improve QoE Strategy
质量评判。有效获取流媒体服务中的客观参数是能否准确量化QoE的关键因素。将针对视频码率调节中产生的客观参数提出一套QoE的映射关系。
1.2 视频码率调节策略
视频码率调整（Rate Adaptation，RA）是一种为了最大化用户QoE来进行视频块码率分配的策略。一
般来说，最高的视频质量（泛指视频码率），最少的视频播放中断（重载）和最平滑的码率变化可带来最好的观感体验。
基于网络容量的方法和基于缓冲区的方法是现有码率的主流调节方法。前者基于预估计的网络容量来调整视频码率，这导致调节很难准确。过高估计和过低估计可用网络容量将分别导致不必要的重载和偏低的视频质量。基于缓冲区的策略则尽可能地利用缓冲区占用率来引导码率调节过程。如果缓冲区接近其最大容量大小，则采取更积极的策略来获取更高质量的视频块，反之就更保守地选择下一块的视频码率。在文献[2]中，虽然视频码率自适应基于网络容量估计，但其实该模型将客户端的缓存容量级别作为反馈。在文献[3]中，设计两种不同的独立操作步骤，当缓冲区刚建立并开始增长时，可用网络容量的编码信息不充分，码率调节依赖于网络估计，并且当缓冲区已经建立时，码率调节仅基于播放缓存区（BBA）。在文献[4]中，通过使用Lyapunov优化技术改进BBA。在文献[5]中，HAS动态缓存驱动码率调节是依靠客户端和侧的协作来执行的。在文献[6]中，研究了联合用户关联和码率调节的问题，以在满足用户QoE要求的同时最大化系统效用。现有的DASH方法使所选择的目标处于平等的基础而不考虑在视频播放期间时变用户QoE焦点的变化。
基于这样的一个观点，在视频播放过程中，不同阶段的关键QoE感知因素不相同。尽量最大化视频质量，在视频启动阶段的关键QoE感知因素是启动延迟，而码率变化和重载决定了后续播放阶段的QoE。利用这些特点，可以通过目标改善用户实时体验的退化，简化用户的服务质量优化。
2 两阶段码率适应策略描述
本文首先分别定义视频播放过程中的启动阶段和回放阶段，然后分析影响用户QoE的关键因素，并提出每个阶段的视频码率自适应方法。
根据客户端缓冲区的占用率将视频观看过程分为两个阶段：启动阶段和回放阶段。客户端缓冲区大小通过下载的视频块的时间长度（以秒为单位）来度量，标定播放器的总缓冲区大小为240 s。当长度
T s = 4s的单个视频块在被下载好后，可以被添加到视
频缓存区去。每秒从缓冲区中移除1 s的视频内容并
播放给用户。播放器在从缓冲区播放4 s视频块时探
测缓冲区，保证缓冲区占用量必须是4 s的倍数。将
缓冲区占用80 s内的部分对应于视频播放的启动阶段。
当缓冲区占用率超过80 s时，则判断为进入视频播
放的播放阶段。影响用户在视频播放两个阶段体验的
关键因素不同，在启动阶段，用户对启动延迟更敏感，
而在播放过程中，不好的视频质量和频繁的重载很难
被接受。因此，使用不同的自适应方法来选择适当的
视频块码率，从而改善用户的QoE。
2.1 流媒体启动阶段
在启动播放的阶段，启动延迟对QoE的影响大
于视频码率高低和码率波动带来的影响，因为用户对
视频打开即刻播放的要求迫切。因此面向QoE的视
频码率自适应需要确保启动延迟尽可能小，并且该策
略基于网络带宽估计。为了最小化启动延迟，一旦用
户按下视频的播放按钮，就为前3个连续时间的视频
块选择最低级别的视频码率R1，这保证了给定网络
带宽下的最短启动延迟。实际流媒体播放过程中开头
大多数是广告以及背景信息，其视频质量对用户QoE
几乎没有影响，因此为这些内容选择较低的视频码率
是可行的。
然后，在缓存区占用达到80 s之前，视频码率
调节必须考虑视频码率和重载之间的权衡，尽量最小
化视频码率调节的频率。在视频服务刚开始的阶段，
缓冲区占用率仍处于较低水平，其编码的可用容量信
息不足，不适合作为码率调节的参照。启动阶段的核
心码率适配策略基于容量估计。启动阶段，当下载最
后一个视频块并将其推入缓冲区时，将整个阶段的平
均下载速率R
d
作为网络容量的估计值，并将当前视
频块的码率记录为R
c
。下一个视频块R
next
的视频码
率由当前视频块R
d
和R
c
之间的关系确定。
（1）R
d
>R c：这表明了可选择更高级别的码率，
因为在该条件下缓存占有率变大。其中将视频码率R
看做一系列离散值，R={R1,R2,...,R n}。码率自适应调节
策略意在从R中为下一个视频块选择一个合适的值。
假设以高一阶的视频码率R
c+1
获取下一个视频块，那
么在与最新的一个视频段相同的网络条件下所需的下
载时间是：
thr c+1d
()/
T R T
直插led灯珠s
R
=×（1）
一个新视频块被下载的同时，缓冲区中的视频
内容将以秒为单位向外播放。预防缓冲区耗尽的方法，
需要确保下载新视频块的时间比占用缓冲区的时间短。
定义B
O
(t)为下载新视频块之前的缓冲区剩余占有量。
若T
thr
≥B O(t)，则继续保留R c作为下一个视频块
，进行类似于有限状态机的码率
被用来预测最坏情况下的网络容量，并且当下一个视频块的计算下载
[8]。相反，
来估计网络容量，当计算出的下一个块的下载时间小于缓冲器大小时，视
个下载的视频
R
c
，那么再次发生时下一个视频块的码率将调整；在其他情况下，仍然选择与前一个块相同的
个块共享相
d
提示增塑料油箱
之间的码
更细致地增加视频持在最小值，并在填充缓存器时降低重载发生的可能性。本文提出的
状态自动机来控制所选视频码率的变化性，这有利于降低因为视频质量波动导致的不悦观感
当储存器被填满，
添加到缓冲器最后一块的视频码率是随机的，并且其分布与启动阶段期间的网络状况密切相关。该视频码率值提供用于播放阶段以下的基于缓冲器的速率适配策略的网络容量先验信息。
1:If BO(t) <
2:Rnext(t) = Rmin
3:end if
4:if BO(t -
5:Rd = C(t -
6:Rc = Rnext(t -
7:if Rd >Rc then //
8: R’ = min(Rc+
本节的视频码率自适应方案实际上给出了所选码率R 和缓冲器占用率B O (t )之间的映射关系。如图1所示，由于码率自适应基于网络估计，因此在启动阶段R 和B O (t )之间没有确定的关系。在播放阶段，
B O (t )的范围为80～240 s ，R 与B O (t )成直线关系，直到B O (t )= 216 s ，之后最大视频码率R n 用于获取下一个块。应当注意，当80 s ≤B O (t )≤216 s 时，所确定的具有端点（80 s ，R base ）和（216 s ，R n ）的区间以及构成R 和B O (t )的映射关系。由于R 是一系列离散值，只要码率映射图建议的码率不超过下一个更高（R c + 1）或更低（R c -1）的离散视频码率，R 就保持在R c ，否则R 被切换提升或者降低到码率映射图所建议的新离散值[10]。当缓冲区已满时，即B O (t )接近240 s 时，将暂停下载并等待从缓冲区中消耗3个视频块，然后继续使用新的2-S 指令。
80
正常播放
180
240
缓存区剩余量B O (t )/s
0 R base
R n
216 视频码率
R 1 启动阶段
图1 在2-S 中码率映射图算法2 正常播放阶段的码率调节
if BO(t-1) >= 80 && BO(t-1)<216
Rnext(t) = map(BO(t-1))End if
if BO(t-1) >= 216 && BO(t-1)<236 Rnext(t) = Rn End if
if BO(t-1) >= 236 Rnext(t) = 0End if
播放阶段的码率调整策略根据缓冲区占用率选择合适的视频码率。它可以在一定程度上避免频繁的码率变化。在实际中只要维持R d ∈（0.5 R c ，1.5R c ），即平均网络下载速率R d 的估计值在给定范围内波动，就不需要调整视频码率。算法3中提供了2-S 策略的总体框架。与BBA-0相比，本章中的R -B O (t )映射关系随着在前一阶段确定的端点值R base 而变化。在启动阶段，还采用基于网络条件的适当码率增加，而不是将视频码率固定在R 1。提出的2-S 策略更有利于在回放阶段匹配视频速率和网络容量，并提高网络效率。
算法3两阶段的码率调节框架
输入: C: 模拟的网络下载速率；R：视频码率集合；K: 总刻度时间；map: 播放阶段的映射关系；f: 提出的QoE 预测模型；
输出: Rnext(t): 下一个视频块的码率； BO(t): 缓存器大小；QoE: 实时 QoE 分值；1: initialize BO(t)2: initialize t = 13: if t < = K
4: if BO(t) < = 80 then 5: do Algorithm 16: else
7: do Algorithm 28: end if
9: update BO(t):
10: if BO(t - 1) < 236 then
11: BO(t) = BO(t - 1) + Ts - Rnext(t) * Ts / C(t)12: else
13:BO(t) = BO(t - 1) - Ts 14: end if
15：分别计算出重载和码率变化的次数 rb_t ，rw_t 16: 生成元组 T = { Rnext(t), rb_t, rw_t }17: 计算实
时QoE: QoE(t) = f(T)18: t++ 19: end if
3 性能分析与评价
在该节将提出的两阶段码率调节策略与其他3种码率调节算法在关于包括平均视频码率，码率变化次数，重载次数和平均QoE 分数这几个方面进行横向对比。3种码率调节算法描述如下。
（1）Baseline ，如果在12 s 的视频内容（3个视频块）中没有重载，则将视频码率提高到更高水平，并采用与启动阶段相同的码率调节策略，以在重载发生之后立即将视频码率降低到适当的水平[11]。
（2）BBA-0是一种基于缓冲的方案，它在启动阶段保持最小视频码率，然后根据一种码率映射图进入码率快速增长周期，当每次对应的网络吞吐量不足需要降低码率时码率降低到最小值。手套制作
（3）BDRM ，以保守的方式估算最坏情况的网络容量，但在容量允许的情况下根据码率映射指标立即提高视频码率，并且在整个过程中保持视频码率不变。3.1 实验设计
如图2所示，在下载1 000个视频块期间，波动的网络带宽由1 000个随机下载速率模拟，范围主要在28 Mb / s 附近徘徊。视频码率集R = {1,1.5,2,2.5，...，13,13.5}，单位为Mb / s ，|R| =25，当缓冲器占用率B O (t )≤0时发生重载。在这种情况下，下一个视频块将以1Mb/s 下载，直到B O (t )≥T S 。对于每种视频码率自适应方法，从中获得对应于1 000个视频块的
。结果产生
、重载次数T和码
；考虑到人类视觉系统的新近性，本文提出以下公式来进行三元组
)N
n=
−∑
（3）
指当前视频块的码
之间的映射。本文采用文
（4）网络的环境中
为了量化
（R，T，
商场导购系统QoE。如表
T，V）三元组。可以看到
最低的码率变化数量，并且重载的数量仍然是非常低的水平。
0.010
0.015蜂窝煤采暖炉
0.020
0.025
0.030
0.035
0.040
概
率
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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