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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】2012A Control-theoretic Approach t 参考文献l l 1 1 C Ch he en ng gh ha ao o L Li iu u,I Imme ed d B Bo ou ua az zi iz zi i,a an nd d MMo on nc ce ef f GGa ab bb bo ou uj j,“R Ra at te e A Ad da ap pt ta at ti io on n f fo or r A Ad da ap pt ti iv ve e HHT TT TP P S St tr re ea ammi in ng g”i in n P Pr ro oc c.A AC CMM MMMMS Sy ys s1 11 1,p pp p.1 16 69 9 1 17 74 4,F Fe eb b.2 20 01 11 12 参考文献1Chenghao Liu,Imed Bou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目录一、背景介绍3一、背景介绍l研究背景研究背景研究背景研究背景当前当前当前当前MPEG-DASHMPEG-DASH技术研究过程中技术研究过程中技术研究过程中技术研究过程中，提供高质量，提供高质量，提供高质量，提供高质量视频视频视频视频的媒体服的媒体服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，码率自适应，码率自适应技术技术技术技术是重点研是重点研是重点研是重点研究对象。通过究对象。通过究对象。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可用带宽，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可用带宽，从而使得从而使得从而使得从而使得用户用户用户用户得到很得到很得到很得到很好地观看体验好地观看体验好地观看体验好地观看体验。目前，主流目前，主流目前，主流目前，主流的的的的码率自适应码率自适应码率自适应码率自适应技术可以分为技术可以分为技术可以分为技术可以分为三三三三类：类：类：类：i i）基于带宽）基于带宽）基于带宽）基于带宽；ii ii）基于缓）基于缓）基于缓）基于缓存；存；存；存；iiiiii）基于流畅度）基于流畅度）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比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。基于带特率。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宽的速率自适应方案的主要缺点是宽的速率自适应方案的主要缺点是宽的速率自适应方案的主要缺点是：i i）由于复杂的网络条件，难以准确）由于复杂的网络条件，难以准确）由于复杂的网络条件，难以准确）由于复杂的网络条件，难以准确地估计吞吐量地估计吞吐量地估计吞吐量地估计吞吐量；ii 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）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会影响会影响用户用户用户用户观观观观看看看看体验。体验。体验。体验。4一、背景介绍研究背景4二、论文的主要思想l本本本本论论论论文文文文的的的的解解解解决决决决思思思思路路路路提提提提出出出出了了了了一一一一种种种种新新新新的的的的控控控控制制制制理理理理论论论论方方方方法法法法来来来来切切切切换换换换动动动动态态态态自自自自适适适适应应应应HHT TT TP P流流流流中中中中的的的的切切切切片片片片等等等等级级级级。基基基基于于于于缓缓缓缓存存存存器器器器，设设设设置置置置两两两两个个个个阈阈阈阈值值值值：上上上上溢溢溢溢阈阈阈阈值值值值和和和和下下下下溢溢溢溢阈阈阈阈值值值值。适适适适应应应应目目目目标标标标使使使使播播播播放放放放质质质质量量量量最最最最大大大大化化化化，并并并并且且且且通通通通过过过过防防防防止止止止接接接接收收收收缓缓缓缓冲冲冲冲区区区区溢溢溢溢出出出出或或或或下下下下溢溢溢溢来来来来进进进进行行行行不不不不同同同同比比比比特特特特率率率率之之之之间间间间的的的的切切切切换换换换。算算算算法法法法引引引引入入入入两两两两种种种种机机机机制制制制：i i)睡睡睡睡眠眠眠眠机机机机制制制制，用用用用于于于于在在在在接接接接收收收收缓缓缓缓冲冲冲冲区区区区的的的的占占占占用用用用太太太太高高高高时时时时防防防防止止止止选选选选择择择择不不不不必必必必要要要要的的的的低低低低比比比比特特特特率率率率或或或或者者者者缓缓缓缓存存存存上上上上溢溢溢溢；i ii i)复复复复位位位位机机机机制制制制，当当当当接接接接收收收收缓缓缓缓冲冲冲冲区区区区的的的的占占占占用用用用太太太太低低低低时时时时，采采采采用用用用这这这这种种种种机机机机制制制制预预预预先先先先避避避避免免免免缓缓缓缓存存存存下下下下溢溢溢溢。5二、论文的主要思想本论文的解决思路5二、论文的主要思想l论文的补充知识论文的补充知识论文的补充知识论文的补充知识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：二、论文的主要思想论文的补充知识6积分中值定理：若函数f 二、论文的主要思想7l论文的主要参数和公式说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个切片用的时间二、论文的主要思想7论文的主要参数和公式说明r(k)*L 三、论文的主要内容l算法中主要公式算法中主要公式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、论文的主要内容算法中主要公式8(tk-tk-1)三、论文的主要内容上上上上述述述述公公公公式式式式解解解解析析析析：第第第第 k k k k 个个个个切切切切片片片片的的的的大大大大小小小小：r r(k k)*L L =对对对对于于于于 t t(t tk k-1 1 ,t tk k,忽忽忽忽略略略略切切切切片片片片获获获获取取取取过过过过程程程程中中中中r re eq qu ue es st t时时时时间间间间（或或或或者者者者d d(t t)置置置置为为为为0 0 0 0，保保保保证证证证其其其其连连连连续续续续），由由由由积积积积分分分分中中中中值值值值定定定定理理理理有有有有：存存存存在在在在 t t0 0(t tk k-1 1 ,t tk k，满满满满足足足足：结结结结合合合合 t tk k =t tk k -t tk k-1 1 ，即即即即存存存存在在在在 t t(t tk k-1 1 ,t tk k，r r(k k)*L L =得得得得到到到到(2 2 2 2)式式式式。同同同同理理理理，推推推推导导导导 =9三、论文的主要内容上述公式解析：9l论论论论文文文文的的的的算算算算法法法法模模模模型型型型i i i i)上上上上溢溢溢溢模模模模型型型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(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论文的算法模型为了防止缓存上溢，须使 三、论文的主要内容对于对于对于对于 r roverover(k k)d d(t t)的情形，须启动睡眠机制，延迟的情形，须启动睡眠机制，延迟的情形，须启动睡眠机制，延迟的情形，须启动睡眠机制，延迟t ts s后后后后 r roverover(k k)d d(t+tt+ts s)再进行第再进行第再进行第再进行第 k k 个切片文件的下载。个切片文件的下载。个切片文件的下载。个切片文件的下载。式式式式(6)(7)(6)(7)用于计算延迟用于计算延迟用于计算延迟用于计算延迟t ts s后缓存增大足以使成立后缓存增大足以使成立后缓存增大足以使成立后缓存增大足以使成立r roverover(k k)d d(t+tt+ts s)再次成立，从而开始启动下载。再次成立，从而开始启动下载。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、论文的主要内容对于 rover(k)d(t)的情形三、论文的主要内容上上上上述述述述公公公公式式式式解解解解析析析析：对对对对于于于于时时时时刻刻刻刻 t t(t tk k-1 1 ,t tk k，若若若若r ro ov ve er r(k k)d d(t t)，那那那那么么么么停停停停止止止止下下下下载载载载切切切切片片片片文文文文件件件件。在在在在延延延延迟迟迟迟 t ts s 后后后后重重重重新新新新启启启启动动动动。显显显显然然然然，在在在在此此此此期期期期间间间间p p(t t)保保保保持持持持不不不不变变变变，假假假假设设设设d d(t t)也也也也保保保保持持持持不不不不变变变变。正正正正常常常常情情情情况况况况下下下下，t ts s 后后后后必必必必有有有有：化化化化简简简简，有有有有：，再再再再将将将将(6 6 6 6)式式式式带带带带入入入入，即即即即可可可可得得得得到到到到(7 7 7 7)式式式式。12三、论文的主要内容上述公式解析：12l论文的算法模型论文的算法模型论文的算法模型论文的算法模型ii)ii)下溢模型下溢模型下溢模型下溢模型在缓存下溢情况下，在缓存下溢情况下，在缓存下溢情况下，在缓存下溢情况下，b b(t t)单调递减。需要保证单调递减。需要保证单调递减。需要保证单调递减。需要保证b b(t tk k)b bminmin，同同同同理，将该条件带入到式理，将该条件带入到式理，将该条件带入到式理，将该条件带入到式(3)(3)。得到：。得到：。得到：。得到：(8)(8)式得到式得到式得到式得到r r(k k)的一个上限值的一个上限值的一个上限值的一个上限值r runderunder(k k)，对于，对于，对于，对于r runderunder(k k)r r1 1的情形，的情形，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此时不再有符合要求的此时不再有符合要求的r r(k k)，因此引入保护参数，因此引入保护参数，因此引入保护参数，因此引入保护参数(1)1)。当当当当r runderunder(k k)r r1 1时，即进入码率复位机制。时，即进入码率复位机制。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论文的算法模型三、论文的主要内容13三、论文的主要内容当当当当r ru un nd de er r(k k)r r1 1时时时时，r r1 1可可可可以以以以是是是是切切切切片片片片码码码码率率率率等等等等级级级级集集集集合合合合R R中中中中某某某某个个个个大大大大于于于于 r r1 1 的的的的等等等等级级级级。此此此此时时时时，码码码码率率率率等等等等级级级级直直直直接接接接复复复复位位位位为为为为 r r1 1 ，从从从从而而而而防防防防止止止止缓缓缓缓存存存存下下下下溢溢溢溢的的的的情情情情况况况况发发发发生生生生。另另另另一一一一方方方方面面面面，对对对对于于于于r ru un nd de er r(k k)r r1 1 (1 1)的的的的情情情情形形形形：此此此此时时时时，满满满满足足足足 r r(k k)r r1 1。三、论文的主要内容当runder(k)r1时，r1可三、论文的主要内容l论论论论文文文文的的的的算算算算法法法法模模模模型型型型i ii ii i)均均均均衡衡衡衡阶阶阶阶段段段段前前前前面面面面提提提提到到到到的的的的是是是是缓缓缓缓存存存存上上上上溢溢溢溢或或或或者者者者下下下下溢溢溢溢的的的的情情情情况况况况，对对对对于于于于p p(t t)=d d(t t)的的的的情情情情形形形形：r r(k k)=r r(k k-1 1)l算算算算法法法法总总总总结结结结三、论文的主要内容论文的算法模型四、论文的理论分析l理论分析的特点理论分析的特点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，很形论文中提出的算法，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程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程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程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程进行了转移。进行了转移。进行了转移。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 p(t t),),而且对于而且对于而且对于而且对于p p(t t)和和和和d d(t 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。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，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。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。16四、论文的理论分析理论分析的特点16五、论文的仿真结果l论文的论文的论文的论文的网络仿真拓扑网络仿真拓扑网络仿真拓扑网络仿真拓扑为了为了为了为了比较比较比较比较两种速率自适应两种速率自适应两种速率自适应两种速率自适应算法算法算法算法，考虑三种不同的场景：，考虑三种不同的场景：，考虑三种不同的场景：，考虑三种不同的场景：i i）可用）可用）可用）可用带宽保持不变带宽保持不变带宽保持不变带宽保持不变;ii;ii）短期变化下的可用带宽）短期变化下的可用带宽）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。）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。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会有会有垂直交错。垂直交错。垂直交错。垂直交错。同一类别中同一类别中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。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，时，表示睡眠机制被实现，时，表示睡眠机制被实现，即即即即空闲一段时间。空闲一段时间。空闲一段时间。空闲一段时间。17五、论文的仿真结果论文的网络仿真拓扑17五、论文的仿真结果l论论论论文文文文提提提提出出出出的的的的对对对对比比比比算算算算法法法法吞吞吞吞吐吐吐吐量量量量 切切切切换换换换因因因因子子子子向向向向上上上上切切切切换换换换条条条条件件件件 ，逐逐逐逐级级级级递递递递增增增增向向向向下下下下切切切切换换换换条条条条件件件件 ，切切切切换换换换等等等等级级级级满满满满足足足足 最最最最大大大大 i i延延延延迟迟迟迟时时时时间间间间 t tm m：缓缓缓缓存存存存媒媒媒媒体体体体的的的的时时时时长长长长 t tm mi in n：预预预预定定定定义义义义的的的的最最最最小小小小缓缓缓缓存存存存媒媒媒媒体体体体时时时时间间间间b bc c：当当当当前前前前下下下下载载载载媒媒媒媒体体体体段段段段的的的的比比比比特特特特率率率率 b bm mi in n：切切切切片片片片的的的的最最最最小小小小比比比比特特特特率率率率五、论文的仿真结果论文提出的对比算法五、论文的仿真结果l对对对对比比比比算算算算法法法法执执执执行行行行框框框框图图图图五、论文的仿真结果对比算法执行框图五、论文的仿真结果l仿仿仿仿真真真真参参参参数数数数配配配配置置置置可可可可获获获获得得得得比比比比特特特特率率率率集集集集合合合合：保保保保护护护护因因因因子子子子 缓缓缓缓存存存存器器器器 五、论文的仿真结果仿真参数配置五、论文的仿真结果l仿仿仿仿真真真真结结结结果果果果图图图图及及及及分分分分析析析析情情情情形形形形 i i)五、论文的仿真结果仿真结果图及分析五、论文的仿真结果情情情情形形形形 i ii i)情情情情形形形形i ii ii i)五、论文的仿真结果情形 ii)六、论文的结论l结结结结果果果果分分分分析析析析实实实实验验验验结结结结果果果果证证证证明明明明提提提提出出出出的的的的方方方方案案案案的的的的以以以以下下下下主主主主要要要要优优优优点点点点：i i i i）算算算算法法法法会会会会尽尽尽尽可可可可能能能能选选选选择择择择具具具具有有有有较较较较高高高高比比比比特特特特率率率率的的的的视视视视频频频频级级级级别别别别，以以以以更更更更好好好好地地地地利利利利用用用用网网网网络络络络资资资资源源源源；i i i ii i i i）带带带带宽宽宽宽尖尖尖尖峰峰峰峰可可可可以以以以通通通通过过过过缓缓缓缓冲冲冲冲数数数数据据据据进进进进行行行行补补补补偿偿偿偿，而而而而不不不不会会会会导导导导致致致致短短短短期期期期比比比比特特特特率率率率切切切切换换换换；i i i ii i i ii i i i）对对对对于于于于长长长长期期期期可可可可用用用用带带带带宽宽宽宽变变变变化化化化，它它它它可可可可以以以以及及及及时时时时选选选选择择择择最最最最佳佳佳佳比比比比特特特特率率率率，并并并并确确确确保保保保连连连连续续续续的的的的视视视视频频频频播播播播放放放放。六、论文的结论结果分析七、我的思考24七、我的思考24七、我的思考七、我的思考
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