[發明專利]視頻體驗質量公平的實用網絡帶寬分配方法、設備及介質

有效

• 申請號: 202110222353.6
• 申請日: 2021-02-28
• 公開（公告）號: CN113038187B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 蔣萬春;寧番;張哲源;胡錦天;任志呈
• 申請（專利權）人: 中南大學;賽爾網絡有限公司
• 主分類號: H04N21/238
• 分類號: H04N21/238;H04N21/2385;H04N21/24;H04N21/442;H04N21/6373;H04N21/647
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 歐陽迪奇

本專利公開了一種視頻體驗質量(QoE)公平的實用網絡帶寬分配方法，在多條視頻流共享網絡瓶頸鏈路的場景中，客戶端根據設備信息、當前網絡狀態下的視頻信息和播放器狀態信息，計算出效用函數值并反饋給服務器，服務器根據測量到的該視頻流發送速率以及接收到的效用函數值計算權重，調整擁塞控制算法的參數，實現QoE公平的瓶頸鏈路帶寬分配。實驗結果表明，本方法能夠在不同的網絡場景中自動的調整瓶頸鏈路中帶寬的分配情況，提升視頻流之間QoE公平性，并且具有實現開銷小的特性，實用性較高。

技術領域

本發明涉及流媒體傳輸領域，特別涉及一種視頻體驗質量公平的實用網絡帶寬分配方法、設備及介質。

背景技術

隨著視頻流的快速發展，多個視頻流共享一個瓶頸鏈路的應用場景日益增多。目前視頻提供商都依賴于現有擁塞控制算法進行帶寬分配決策：當前普遍使用的擁塞控制協議(如Copa和Cubic)都旨在實現連接級的公平，讓競爭流量享有同等份額的鏈路容量。因此，視頻提供商往往會通過部署碼率自適應(ABR，Adaptive Bitrate)算法來優化用戶的視頻體驗質量(QoE，QualityofExperience)?？墒?，他們卻忽視了為視頻客戶端細致地分配帶寬能夠進一步優化系統的整體效用。

具體來說，在多個視頻流共享瓶頸鏈路的場景中所有的視頻流會被分到相同的鏈路帶寬，可是這種帶寬分配策略忽視了不同視頻流的QoE差異。首先，占用相同帶寬的用戶觀看視頻的條件可能不同(例如不同屏幕尺寸和分辨率大小)；其次，現有的擁塞算法對視頻客戶端的播放器狀態視而不見，例如緩沖區大小等。因此，上述情況導致了不同用戶所體驗到的視頻質量存在顯著差異，即QoE不公平問題。

面向QoE公平問題的現有方案大致可以分為兩類，分別是集中式的帶寬分配方案和分布式的帶寬分配方案。

集中式的帶寬分配方案：服務器在瓶頸路由器上獲取客戶端的QoE信息然后依靠路由器輔助進行分配帶寬。其中客戶端的QoE是由比特率、卡頓時間和每2秒的比特率切換等網絡相關因素決定的，并且依據特定時間段內的平均QoE來指導帶寬分配。

由于QoE的計算并沒有考慮用戶設備因素，而使用該QoE為指導進行帶寬分配時，不同類型設備的用戶收到的帶寬可能是相同的，這不符合QoE公平的目標。另外，共享同一瓶頸鏈路的視頻流數量也會發生變化，而流數目變化前所測得QoE會影響接下來的平均QoE計算以及帶寬分配。因此，在動態網絡環境下，保證QoE公平性的時間尺度應慎重選擇。此外，在現實中，大多數路由器不能識別出瓶頸鏈路，也不知道共享這一瓶頸鏈路的視頻流數量。

分布式的帶寬分配方案：現有方案中，Minerva方案性能較為突出。其利用QoE信息動態地重新配置擁塞控制算法的參數，對帶寬分配進行分布式調整。由于視頻塊的卡頓時間和感知質量都會影響Minerva方案中客戶端的QoE，其中，考慮了網絡依賴因素和設備依賴因素后，Minerva基于VMAF或PSNR對視頻塊感知質量進行計算。同時，Minerva根據所搜集的歷史塊QoE和預測的未來塊QoE構造了一個效用函數，并利用它來重新配置擁塞控制算法。因此，擁塞控制算法可以分布式調整帶寬分配，從而保證了QoE的公平性。此外，該方案只需要端到端的修改，無需識別瓶頸鏈路或修改路由器。

盡管Minerva易于部署，但是在進行帶寬分配之前需要進行大量的復雜計算，這無疑帶來了巨大的計算開銷，因此Minerva的廣泛使用有些不切實際。為了便于預測未來的QoE，Minerva需要提前計算每個視頻塊在所有可能的網絡環境和緩沖區占用狀態下的QoE。尤其是在計算QoE時，需要計算每個視頻塊中每幀的VMAF值，并選擇同一視頻的最高碼率的視頻版本作為參考。此外，在Minerva中效用函數是基于所有已經播放的視頻塊的QoE進行計算的。因此，在播放過程中瓶頸鏈路的視頻流數量發生變化時也會影響計算開銷和帶寬分配。

發明內容