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HTTP自适应流媒体中的一种比特率选择分布式方法

AbdelhakBentaleb⋆,AliC.Begenlowast;,SaadHarous ,andRogerZimmermann⋆

⋆NationalUniversityofSingapore,lowast;OzyeginUniversity, UnitedArabEmiratesUniversity {bentaleb,rogerz}@comp.nus.edu.sg,ali.begen@ozyegin.edu.tr,harous@uaeu.ac.ae

摘要

过去的研究表明，并发HTTP自适应流媒体（HAS）播放器具有自私性，由此产生的竞争导致了共享资源在网络的使用或超额使用下播放器之间的播放质量不稳定和不公平，所有这些都不利地影响了观看者的体验。尽管播放器之间的协调（而不是所有的都表现出自私性）具有其优点，并且可以缓解其中的一些问题。但是一个完整的分布式体系结构仍然需要许多部署，并且要能更好地反映了HTTP自适应流媒体的设计精神。在本研究中，我们着重研究并提出了从共识和博弈论框架中借鉴的适用于HTTP自适应流媒体的分布式比特率适配方案。实验结果表明，该提议的分布式方法在不使用播放器之间的任何显式通信的情况下，极大地提高了观众体验，演示质量稳定性，公平性和网络利用率。

ACM参考格式：

AbdelhakBentaleb，AliC.Begen，SaadHarous和RogerZimmermann。 2018.HTTP自适应流中的比特率选择分布式方法。 在2018年10月22日至26日于韩国首尔举行的2018 ACM多媒体会议（MM rsquo;18）中。 ACM，美国纽约，纽约，9页。 https：//doi.org/10.1145/3240508.3240589

1引言

HTTP自适应流式传输（HAS）播放器被设计为在每个决策时期分别选择合适的，通常是最高可行的，比特率级别。但是，当多个播放器竞争共享带宽时，这种分散的，策略上自私的行为会导致严重问题。因此，播放器会遭受可伸缩性问题的困扰，例如不稳定的演示质量，质量不公平和网络利用率不足或过度订阅，这会对观众的观看体验（QoE）产生总体不利影响。

因此，需要在HTTP自适应流媒体参与者之间进行有效的合作与协调，以及有效的网络资源分配和管理机制，以在HTTP自适应流媒体参与者的不断增长的需求，他们的竞争和有限的网络容量之间进行调解。我们的工作受到近期博弈论（GT）框架及其共识的启发。博弈论代表了一种有吸引力的数学工具，该工具已用于解决分布式通信尤其是多媒体应用中的网络通信中的基本问题。博弈论模型并通过策略或合作方式分析了多个完全分散和孤立的决策者（即HTTP自适应流媒体播放器）之间的相互作用。

我们针对视频点播（VoD）服务提出了两阶段的博弈论比特率自适应方案，称为FDCHAS（完全分布式协作HTTP自适应流媒体）。目的是消除HTTP自适应流媒体可伸缩性问题，同时以完全分布式的方式最大化播放器的实用程序，而不会在不同HTTP自适应流媒体实体（例如播放器，网络设备，网关和服务器）之间发出任何明确的信号。FDCHAS使用具有共识机制的博弈论框架来制定属于同一联盟的播放器之间的强力协作，并分析分布式行为和协作行为。这些安全性可以激励HTTP自适应流媒体播放器使用FDCHAS并加入博弈。在我们的系统制定中，使用这些特殊博弈模型的主要见解是：允许播放器之间精打细算的合作，并体现HTTP自适应流媒体的设计精神，因为在拥有多名播放器的视频流中，个人利益和团队利益的竞争一直是并存的。

1. 第一阶段（@播放器端）：使用基于静态联盟信息的博弈来构建不重叠的联盟虚拟网络拓扑。此信息结合了结构相似度（SSIMplus）感知质量，它映射了三个独特的特征，包括设备分辨率（DR），内容类型（CT）和订阅计划类型（SPT）。分组的联盟可以帮助FDCHAS从博弈论合作中受益，因此，我们的模型可以支持大规模的网络部署。此后，我们在协商过程和共识问题的基础上制定了每个联盟的比特率和质量决策，其中，同一个联盟中的参与者应商定相似的决策，并考虑其他联盟成员的决策和网络条件的变化达成共识。
2. 第二阶段（@网络端）：在Stackelberg博弈中制定每个联盟的动态带宽分片和分配，其中聚合路由器（或HTTP自适应流媒体服务器）代表组长，该组负责人将每个联盟成员的联合决策纳入QoS设置，而联盟成员（HTTP自适应流媒体播放器）则代表跟随者。

我们对FDCHAS进行了广泛的跟踪驱动和真实实验，结果表明，与离线计算的最佳边界相比，该解决方案的效果很好，与现有的解决方案相比，它显着提高了观看者的观看体验，演示质量稳定性，公平性和网络资源利用率。本文的其余部分在第2节中描述了现有的比特率自适应方案，在第3节中介绍了FDCHAS，在第4节中强调了设计步骤，在第5节中评估了性能，并在第6节中进行了总结。

2相关工作

迄今为止，已经提出了几种HTTP自适应流媒体比特率自适应方案[15]。在本节中，我们描述了专注于解决HTTP自适应流媒体可伸缩性问题的最新方案。Bentaleb等[5]提出了一种用于SDN支持的HTTP自适应流媒体系统的体系结构，其目的是通过使用软件定义网络（SDN）[14]中央协调器改善每个观看者的观看体验。类似地，Moke等[19]开发了一种网络辅助的比特率自适应逻辑，其中，根据可用表示之间的逐渐变化，使用播放器和服务器之间的代理来消除质量波动。使用集成的中间级别。ELASTIC[8]是一种基于线性化反馈设计的自适应方案。它使用控制理论来避免HTTP自适应流媒体的开关模式，因此尝试根据网络环路反馈来最大化播放器之间的带宽公平性。另一个有趣的工作是FESTIVE[13]，它由带宽估计器，比特率选择器和基于缓冲区的随机调度程序组成。其目标是当多个参与者在共享网络中竞争时实现高水平的公平性，效率和稳定性。同样，PANDA[18]被设计为通过提出一种精确的带宽估计算法来避免因开关模式引起的带宽过高估计Sobhani等[24]设计了一种基于模糊逻辑的比特率自适应解决方案，将预测的吞吐量和缓冲区占用率结合在一起。在文献[12]和文献[25]中，引入了基于缓冲器的比特率自适应方案。前者称为BBA，它试图在避免出现视频滑音的同时提高视频质量。后者称为BOLA，是一种在线控制方案，将适应性公式化为效用最大化问题。Yuan 等人[29]提出了一种基于非合作博弈论的比特率自适应方案。它旨在解决多个用户共享网络时的观看质量公平问题。尽管所提出的解决方案表现出良好的性能，但是由于Nash均衡（重）计算，它会产生额外的开销。通常，现有方案不为比特率决策过程提供任何理论上的保证。相反，我们推导了基于博弈论的比特率选择规则，并提供了理论上的保证和证明。

3 FDCHAS体系结构

3.1总览

我们提出了FDCHAS，一种用于HTTP自适应流媒体竞争资源的完全分布式（即实体之间不需要显式的消息交换）比特率自适应方案。在文献[3,11]可以找到有关所提出的方法中使用的基于博弈论的数学概念的更多背景信息。FDCHAS采用博弈论和共识数学概念来尊重HTTP自适应流媒体的分散性并在参与者之间提供协作机制。 FDCHAS适用于任何类型的瓶颈链路（例如，移动和公共WiFi网络中的最后一英里链路），它由四个主要实体组成：

第一个是HTTP自适应流媒体 Play，它从HTTP自适应流媒体服务器请求并下载清单（清单文件包含分段地址和感知质量信息，包括基于结构相似度的映射（2））和给定视频内容的分段。 播放器和服务器之间的交互是通过本地路由器和聚合路由器传递的。我们使用DASH-IF参考播放器dash.js [7]作为HTTP自适应流媒体播放器。为了支持我们的体系结构设计，我们通过添加以下类扩展了dash.js：

1. 实现了我们的比特率自适应逻辑的FDCHAS比特率自适应方案。如表1所示，我们的方案需要本地变量作为输入，并以其相应的质量作为输出来计算最佳比特率级别（请参阅补充文件中的算法1）。
2. 记录播放器状态的File Logger类，包括其缓冲区占用率，观众观看体验，比特率和质量决定，片段下载时间，停顿事件，比特率和质量切换。

第二个是HTTP自适应流媒体服务器，它是一个HTTP服务器，用于存储媒体段和清单。我们对常规清单进行补充，基于结构相似度索引[9，22]，对每个视频进行离线感知质量测量（请参见第4.1节）。 基于我们的模型的结构相似度派生的映射（请参见补充文档中的图1）存储在XML文件中。 该信息使播放器可以动态地标识其相应的联盟，并且同一联盟中的播放器可以合作以实现其目标。 HTTP自适应流媒体服务器会在响应中利用HTTP标头定期向联盟成员报告每个联盟中的播放器数量。

第三个是本地路由器，它代表部署在特定区域（如家庭网络）中的任何较小级别的路由器。

第四个是汇聚路由器（即边缘路由器），它代表互连多个本地路由器并汇聚其流量的网络实体。 基于FDCHAS的网络资源分片和分配算法（请参阅第4.3节）可以由服务提供商在这样的实体中实现。 我们的设计还需要获得准确的可用带宽估计，为此我们使用了两种算法，即PANDA [18]和CS2P [26]。

3.2系统模型和问题表述

我们考虑一个HAS交付系统和一组有N个HAS播放器的集合P ={p1,hellip;,pN}，共享一个具有固定总容量BW^all和未知可用网络资源BW^e的单个瓶颈链接。存在不同的背景流量（BW^bt）和HAS带宽要求（BW^HAS）。瓶颈链接的可用带宽有限，且可变性较高，因此可能无法满足所有播放器的要求。在开始任何流媒体会话之前，每一个播放器加入其中任意一个使用联盟规则（2）结合的联盟forall;Cl_micro; isin; CL of B，详见第四节。这样的规则可以由服务提供商作为业务或运营策略强加。此外，一个播放器物理连接到一个本地路由器()，而本地路由器共同连接到同一聚合路由器。播放器通过路由器和发送请求传输一个存储在HAS服务器上的分段视频mu;，这个视频属于一组内容类型CT，因此视频可表示为。每个视频由固定持续时间tau;（2-10秒）的K个段组成，因此。每个段都以不同的比特率级别编码，并且每个级别都有一个基于结构相似度的感知质量。在任一决策时期i= {1hellip;K}，每个播放器都会选择一个具有相应质量的比特率级别。这个过程表示为：

是一个特定的比特率级别和它对应的质量之间的非线性关系。

通常，我们的问题可以描述为一个四元博弈，代表环境，A代表行动空间，S代表策略，mu;代表效用，具体如下。

• 是流会话期间的一组问题实列，每一个环境元素的构成为
• 是播放器从特定视频的比特率水平和质量列表中采取的离散且有限的动作集（见（1））,。我们标记

为各联盟采取的联合行动，其中是属于同盟的播放器所采取的行动，行动总数为

• 代表播放器实施的一组异构策略（即比特率自适应逻辑），其中。播放器使用它们的策略来选择具有相应质量的比特率级别。我们标注为每个联盟使用的联合策略，其中是同一联盟中的播放器使用的策略集
• 是一组效用（即观众的观看体验质量）集，这组效用集是在一次流会话当中因为一个特定的播放器策略集S采取了一个特定的动作集A而产生的，其中。是每个联盟产生的共同效用，其中是同一联盟中的播放器产生的效用集。

3.3环境变量

我们定义了全局和局部环境变量，如表1所示。网络和播放器的状态混合在一起。对于联盟，我们应用聚合过程（Agg（.））来累加属于相似联盟的播放器的局部变量。

表 1：环境变量

4 FDCHAS设计

我们正式定义了多个HAS播放器争夺网络资源时的比特率和质量决策问题，这是并行的两个阶段的博弈，这在以下小节中进行了定义。

4.1 阶段1.a-联盟形成

我们对具有不可转移效用（NTU）设置的基于静态联盟形成的博弈感兴趣[3]，该博弈致力于将一组参与者分组为几组合作联盟。 联盟的形成使播放器之间可以进行强有力的合作，以增强他们在给定博弈中的位置。为此，我们定义了一个名为联盟规则的特定规则，如下所示：

（2）

该规则利用每个播放器使用的结构相似度映射函数（MAPSSIMplus（.））从公共3D嵌入空间（请参阅补充文档中的图1）中选择一个适当的值，该值考虑了以下三个特征：

• 设备分辨率（DR）表示设备支持的显示分辨率

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