一种支持QoE最大化的可用带宽自适应视频分片请求方法技术

本发明专利技术公开了一种支持QoE最大化的可用带宽自适应视频分片请求方法，涉及视频自适应传输技术领域，本发明专利技术包括可用带宽估计和分片码率选择，可用带宽估计根据带宽幅度变化的剧烈程度，将带宽波动分为轻微波动和剧烈波动，针对轻微波动和剧烈波动采用不同的历史加权方法估计下一分片传输时的可用带宽；分片码率选择根据缓存的限制以及所估计的可用带宽，设置避免缓存下溢、缓存上溢以及无效下载的约束条件，将分片码率选择表示为QoE函数，请求能使QoE函数最大化的视频分片，本发明专利技术提高了带宽估计的准确性，实现了分片请求与网络带宽和缓存水平的自适应匹配，减少了客户端视频播放中断次数，提高了缓存水平，极大提高了用户体验质量。

【技术实现步骤摘要】
一种支持QoE最大化的可用带宽自适应视频分片请求方法
本专利技术涉及视频自适应传输
，更具体的是涉及一种支持QoE最大化的可用带宽自适应视频分片请求方法。
技术介绍
随着无线通信技术的高速发展，视频业务已成为互联网中的一种主流业务，在实际应用中，受到用户位置移动、信道衰减以及无线干扰等因素的影响，移动网络带宽具有时变特性，这种波动会直接影响视频传输，进而影响播放效果；另外，多种终端间的设备性能和分辨率存在差异，由于上述原因，用户的观看体验会受到网络带宽和终端性能的影响，因此，为了提高用户体验质量(QoE，QualityofExperience)，需要自适应地传输不同比特率的视频。HTTP自适应流技术(HAS，HTTPAdaptiveStreaming)是一种被广泛应用的视频分发技术，该技术中，视频被编码为不同的码率版本，每一被编码后的视频又被分为多个等长的分片，客户端在视频播放过程中根据当前的网络状态及缓存水平来自适应请求最符合当前情况的下一分片，与传统方案相比，HTTP自适应流技术能有效减少播放卡顿现象，大幅提高网络带宽利用率。目前在视频分发过程中，已有的自适应请求策略，通常是通过网络带宽或缓存水平的变化情况进行决策，确定请求下一分片的码率大小，这些方法从一定程度上提高了性能和观看体验，但也存在一定的局限性，那就是现有的方法没有从用户体验质量的角度考虑如何实现分片请求与网络带宽和缓存水平的匹配，因此难以为用户提供最佳的体验质量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：为了解决现有的视频分片方法没有从用户体验质量的角度考虑如何实现分片请求与网络带宽和缓存水平的匹配，导致难以为用户提供最佳的体验质量的问题，本专利技术提供一种支持QoE最大化的可用带宽自适应视频分片请求方法，在准确估计带宽的变化的基础上，将分片请求与网络环境、缓存情况自适应匹配，以客户端QoE最大化为目标，优化用户观看效果。本专利技术为了实现上述目的具体采用以下技术方案：一种支持QoE最大化的可用带宽自适应视频分片请求方法，包括可用带宽估计和分片码率选择，所述可用带宽估计根据带宽幅度变化的剧烈程度，将带宽波动分为轻微波动和剧烈波动，针对轻微波动和剧烈波动采用不同的历史加权方法估计下一分片传输时的可用带宽；所述分片码率选择根据缓存的限制以及所估计的可用带宽，设置避免缓存下溢、缓存上溢以及无效下载的约束条件对比特率进行筛选，将分片码率选择表示为QoE函数，在筛选后的比特率中请求能使QoE函数最大化的视频分片。进一步的，所述可用带宽估计包括如下步骤：步骤1：设当前请求传输的视频分片为n，比特率为rn，则计算第n-1个视频分片传输时的真实带宽bw(n-1)，公式为：其中，S(n-1)表示第n-1个视频分片的数据量，△t(n-1)表示第n-1个视频分片的下载时间；步骤2：利用公式①计算得到第n-2个视频分片的真实带宽bw(n-2)，利用公式②或公式③计算得到第n-2个视频分片的带宽估计值根据真实带宽bw(n-2)和带宽估计值判断带宽幅度变化的剧烈程度，若为轻微波动，则采用公式②计算得到第n-1个视频分片的带宽估计值若为剧烈波动，则采用公式③计算得到第n-1个视频分片的带宽估计值步骤3：根据步骤2得到的带宽估计值判断其是否服从真实带宽bw(n-1)的期望为μ，标准差值为σ的正态分布，即采用(μ-σ，μ+σ)区间作为预测区间，判断带宽幅度变化的剧烈程度，若带宽估计值在(μ-σ，μ+σ)区间内，则判断当前带宽为轻微波动；否则，判断为剧烈波动；步骤4：根据步骤3得到的判断结果，对于轻微波动，采用加权移动平均方法计算第n个视频分片传输时的带宽估计值公式为：其中，yi为历史带宽的影响权重值，且对于剧烈波动，采用当前视频分片的真实带宽bw(n-1)估计下一视频分片的带宽估计值公式为：即得到所估计的可用带宽。进一步的，所述避免缓存下溢的约束条件为：其中，tn-1为传输完第n-1个视频分片的时长；q(tn-1)为第n-1个视频分片在时刻tn-1到达缓存区时，缓存区的占用量；Bmin为缓存下溢阈值；为第n个视频分片传输时的带宽估计值；T为视频分片的时长，单位为秒。进一步的，所述避免缓存上溢的约束条件为：q(tn)＝q(tn-1)+T-(tn-tn-1)≤Bmax④tn-tn-1≤q(tn-1)-Bmin⑤其中，q(tn)为传输完第n个视频分片后的客户端缓存长度；q(tn-1)为传输完第n-1个视频分片后客户端缓存长度；T为视频分片的时长，单位为秒；tn为传输完第n个视频分片的时长；tn-1为传输完第n-1个视频分片的时长；Bmax为缓存上溢阈值；Bmin为缓存下溢阈值；由公式④和公式⑤求得tn的范围，从tn-1到tn这段时间内，根据估计带宽下能够传输的累积数据量，便可以计算出分片比特率rn的范围，具体公式为：其中，为第n个视频分片传输时的带宽估计值。进一步的，所述避免无效下载的约束条件为：T-(tn-tn-1)≤B-Bmax；其中，T为每个视频分片的时长，单位为秒；tn为传输完第n个视频分片的时长；tn-1为传输完第n-1个视频分片的时长；B为客户端总的缓存时长；Bmax为缓存上溢阈值。进一步的，所述将分片码率选择表示为QoE函数，具体为：对于第n个视频分片，其比特率为rn，将比特率收益和切换损耗的共同作用表示为QoE函数，公式为：max[QoE]n＝p1g1(rn)+p2g2(rn)其中，g1(rn)为比特率收益函数，g2(rn)为切换损耗函数，p1和p2分别为比特率收益函数和切换损耗函数的权重系数，且p1+p2＝1，p1,p2∈(0,1)。进一步的，所述比特率收益函数g1(rn)为线性函数，采用μn对比特率为rn的视频分片带来的质量收益进行标准化表示，具体公式为：其中，rmax为所有可选视频分片中的最大比特率，μn∈(0,1]。进一步的，采用指数函数λ′n来模拟切换幅度和造成损失之间的关系，具体为：其中，a为比特率向上切换的系数，b为比特率向下切换的系数，且a+b＝1，a,b∈(0,1)；然后对λ′n进行min-max标准化处理，得到λn，使λn∈(0,1)，则切换损耗函数g2(rn)的公式为：其中，minλ′n为λ′n的最小值，maxλ′n为λ′n的最大值。进一步的，设在时刻t的时间强度函数为f(t)，第i个视频分片的播放时间为(i-1)T到iT，则第i个视频分片的分片强度fi的公式为：则第i个视频分片对QoE函数的影响权重wi的公式为：且考虑所有分片对比特率收益部分的影响，则比特率收益函数g1(rn)为：考虑所有分片对切换损耗部分的影响，则切换损耗函数g2(rn)为：则QoE函数表示为：即比特率为rn的第n个视频分片，使QoE函数最大化。本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术依据可用带宽的变化幅度判断带宽波动的剧烈程度，分别采取不同的历史加权方法估计下一分片传输时的可用带宽，提高了带宽估计的准确性。2、本专利技术在不发生缓存上溢、缓存下溢、无效下载的前提下，实现了分片请求与网络带宽和缓存水平的自适应匹配，提高了平均比特率，减少了客户端视频播放中断次数，减少了码率切换次数，提高了缓存水平，极大提高了用户体验质量。附图说明图1是本专利技术HTTP自适应流技术系统结构示意图。图2是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种支持QoE最大化的可用带宽自适应视频分片请求方法，其特征在于：包括可用带宽估计和分片码率选择，所述可用带宽估计根据带宽幅度变化的剧烈程度，将带宽波动分为轻微波动和剧烈波动，针对轻微波动和剧烈波动采用不同的历史加权方法估计下一分片传输时的可用带宽；所述分片码率选择根据缓存的限制以及所估计的可用带宽，设置避免缓存下溢、缓存上溢以及无效下载的约束条件，将分片码率选择表示为QoE函数，请求能使QoE函数最大化的视频分片。

【技术特征摘要】
1.一种支持QoE最大化的可用带宽自适应视频分片请求方法，其特征在于：包括可用带宽估计和分片码率选择，所述可用带宽估计根据带宽幅度变化的剧烈程度，将带宽波动分为轻微波动和剧烈波动，针对轻微波动和剧烈波动采用不同的历史加权方法估计下一分片传输时的可用带宽；所述分片码率选择根据缓存的限制以及所估计的可用带宽，设置避免缓存下溢、缓存上溢以及无效下载的约束条件，将分片码率选择表示为QoE函数，请求能使QoE函数最大化的视频分片。2.根据权利要求1所述的一种支持QoE最大化的可用带宽自适应视频分片请求方法，其特征在于，所述可用带宽估计包括如下步骤：步骤1：设当前请求传输的视频分片为n，比特率为rn，则计算第n-1个视频分片传输时的真实带宽bw(n-1)，公式为：其中，S(n-1)表示第n-1个视频分片的数据量，△t(n-1)表示第n-1个视频分片的下载时间；步骤2：利用公式①计算得到第n-2个视频分片的真实带宽bw(n-2)，利用公式②或公式③计算得到第n-2个视频分片的带宽估计值根据真实带宽bw(n-2)和带宽估计值判断带宽幅度变化的剧烈程度，若为轻微波动，则采用公式②计算得到第n-1个视频分片的带宽估计值若为剧烈波动，则采用公式③计算得到第n-1个视频分片的带宽估计值步骤3：根据步骤2得到的带宽估计值判断其是否服从真实带宽bw(n-1)的期望为μ，标准差值为σ的正态分布，即采用(μ-σ，μ+σ)区间作为预测区间，判断带宽幅度变化的剧烈程度，若带宽估计值在(μ-σ，μ+σ)区间内，则判断当前带宽为轻微波动；否则，判断为剧烈波动；步骤4：根据步骤3得到的判断结果，对于轻微波动，采用加权移动平均方法计算第n个视频分片传输时的带宽估计值公式为：其中，yi为历史带宽的影响权重值，且对于剧烈波动，采用当前视频分片的真实带宽bw(n-1)估计下一视频分片的带宽估计值公式为：即得到所估计的可用带宽。3.根据权利要求2所述的一种支持QoE最大化的可用带宽自适应视频分片请求方法，其特征在于，所述避免缓存下溢的约束条件为：其中，tn-1为传输完第n-1个视频分片的时长；q(tn-1)为第n-1个视频分片在时刻tn-1到达缓存区时，缓存区的占用量；Bmin为缓存下溢阈值；为第n个视频分片传输时的带宽估计值；T为视频分片的时长，单位为秒。4.根据权利要求2所述的一种支持QoE最大化的可用带宽自适应视频分片请求方法，其特征在于，所述避免缓存上溢的约束条件为：q(tn)＝q(tn-1)+T-(tn-tn-1)≤Bmax④tn-tn-1≤q(tn-1)-Bmin⑤其中，q(tn)为传输完第n个视频分片后的客户端缓存长度；q(tn-1)为传输完第n-1个视频分片后客户端缓...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳雨哲，
申请(专利权)人：阳雨哲，
类型：发明
国别省市：北京,11