基于DASH的流媒体传输系统中带宽分配与码率自适应算法研究

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随着移动互联设备(智能手机、平板电脑)和视频应用(视频分享、视频聊天、视频广播)的大量出现,视频用户急剧增多。由于网络带宽的限制,保证视频用户的体验质量(QoE)是视频传输系统面临的巨大挑战。本文基于MPEG制定的动态自适应流媒体传输标准(MPEG-DASH),提出了增强用户体验质量的服务器端带宽分配算法和用户端码率自适应请求算法。  视频流媒体数据量大,占据大量带宽,给网络服务提供商带来巨大压力。具有高速率传输能力的长期演进(LTE)网络可以支持大数据量的流媒体传输,在视频传输中扮演着越来越重要的角色。在LTE网络中,一个基站可以同时服务多个用户,因此,如何将有限的无线带宽资源在多用户间进行有效分配进而提高用户体验质量是LTE网络视频传输中面临的重要挑战。另外,在基于HTTP的流媒体传输标准DASH中,用户端可以根据自定义的码率请求策略,向视频服务器请求视频内容,对视频用户体验质量产生重要影响。本文从DASH视频传输系统的服务器端和用户端两个方向出发,研究了服务器端的带宽分配算法和用户端的码率自适应请求算法。  本文首先提出了基于端到端失真的多用户带宽分配算法,以提高DASH流媒体系统实时传输性能。将LTE网络中的吞吐量看作影响丢包率和传输失真的自变量,首次建立以吞吐量为自变量的端到端传输失真模型。然后,将多用户带宽分配问题建模为凸优化问题,并通过KKT条件求解。仿真结果验证了提出的分配策略的有效性。在不同带宽利用率下,提出的方法的率失真性能优于均分带宽的分配方法并且接近穷举搜索方法的性能。  其次,在基于DASH的流媒体系统中,本文利用非合作博弈理论,提出用户端码率自适应请求算法,在服务器的出口带宽限制下最大化用户体验质量,同时保证用户间的公平。提出的方法不需要代理服务器,降低了系统复杂度。具体来讲,考虑了接收视频的质量、目标缓存长度、用户累积的缓存长度等因素,建立了用户体验质量模型。然后,多用户码率请求问题建模成非合作码率竞争博弈,博弈的目标是最大化所有用户的体验质量。证明了此博弈存在纳什均衡(NE),给出了求解纳什均衡的分布式迭代算法,并分析了迭代算法的稳定性。在仿真环境和实际环境下的实验结果都表明提出的算法可以帮助用户获得比其他请求算法更好的体验质量,并且所有用户的实际缓存长度围绕目标缓存波动,没有播放中断。
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