CN116193133A - 基于无线空口带宽的码率自适应调整装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于无线空口带宽的码率自适应调整装置和方法，包括：位于边缘计算服务器的DASH存储模块、数据采集模块和带宽预测模块以及位于DASH客户端的数据接收模块、码率自适应模块和DASH播放模块，本发明利用获得的空口带宽大小计算网络速率并结合缓冲信息得到最佳传输码率；依据最佳传输码率从可选码率列表中选择输出待请求视频片段的传输码率，从而实现兼顾吞吐量和视频缓冲信息决策选择传输码率。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种无线图像传输领域的技术，具体是一种基于无线空口带宽的码率自适应调整装置和方法。
背景技术
现阶段互联网视频流和下载主要通过码率自适应(ABR)算法实现，自适应码率一般采用基于HTTP动态自适应流(DynamicAdaptive Streaming over HTTP，DASH)协议，通过HTTP共同影音档案通讯协定，可使高品质影音内容通过网路传送到联网电视、机顶盒及移动终端设备。在视频播放过程中，基于HTTP动态自适应流(DynamicAdaptive Streamingover HTTP，DASH)协议的客户端根据码率自适应算法周期性地评估当前网络可用带宽及其自身性能，选择最适宜的传输码率下载视频片段。现有的码率自适应方法主要是基于客户端信息，可以分为两大类：一是基于客户端的网络吞吐量，二是基于客户端视频播放缓冲区的长度。基于客户端网络吞吐量的码率自适应算法主要是对未来吞吐量进行估算来调整码率。该算法的缺点是在网络带宽发生突变的情况下会出现码率抖动的情况并且没有考虑缓存区的情况容易造成视频卡顿。基于客户端视频播放缓冲区长度的码率自适应算法是把缓冲长度分成多个缓冲等级，在不同的缓冲等级采取不同的码率调整方案。该算法的缺点是难以找到码率等级划分的最优解，划分级数过多则容易导致码率频繁抖动，划分等级过少则无法及时感知网络变化。
发明内容
本发明针对现有技术较难自适应处理网络状况发生突变时的码率调整以及在空口负荷大的情况下选择高码率，当视频缓冲区较小时也会造成视频播放缓冲区耗尽，发生卡顿等问题，提出一种基于无线空口带宽的码率自适应调整装置和方法，利用获得的空口带宽大小计算网络速率并结合缓冲信息得到最佳传输码率；依据最佳传输码率从可选码率列表中选择输出待请求视频片段的传输码率，从而实现兼顾吞吐量和视频缓冲信息决策选择传输码率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于无线空口带宽的码率自适应调整装置，包括：位于边缘计算(MEC)服务器的DASH存储模块、数据采集模块和带宽预测模块以及位于DASH客户端的数据接收模块、码率自适应模块和DASH播放模块，其中：DASH存储模块存储不同码率和分辨率的视频片段并响应来自基站的DASH客户端视频片段请求指令；数据采集模块从基站获取用户数据和基站配置信息；带宽预测模块根据接收到的用户上报的调制与编码策略(MCS)、参考信号接收质量(RSRQ)、参考信号接收功率(RSRP)、下行链路中使用的物理资源块(DLOccupyPRBNum)数据，利用长短期记忆(LSTM)算法预测未来的可用空口带宽，跟踪并且提前感知带宽的变化信息并将其发送给用户客户端帮助进行码率自适应；数据接收模块和带宽预测模块建立WebSocket通信以接收预测的可用空口带宽并将可用空口带宽信息输出至码率自适应模块；码率自适应模块根据可用空口带宽信息以及DASH播放模块中的视频缓存信息，从可选码率列表中决策选择待请求视频片段的传输码率，再将待请求视频片段的传输码率输出至DASH播放模块；DASH播放模块获取DASH存储模块中的视频索引文件和视频分段的数据，根据码率自适应模块请求的传输码率向DASH存储模块发送对应码率的视频片段请求，将接收得到的视频片段存储到视频播放缓冲区并显示播放并将视频缓存信息发送至码率自适应模块。
所述的用户数据是描述目前连接到基站的各个用户的本身配置信息以及每个用户和基站之间连接的状态信息。
所述的本身配置信息包括RRC(Radio Resource Control，无线资源控制)层、MAC(Media Access Control，媒体接入控制)层、PDCP(Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议)层的参数配置。
所述的基站配置信息包括：信号的发射功率，编码调制方式等。
所述的跟踪并且提前感知，其具体实现的技术手段为通过基站IP接口实时抓取用户上报的调制与编码策略(MCS)、参考信号接收质量(RSRQ)、参考信号接收功率(RSRP)、下行链路中使用的物理资源块(DLOccupyPRBNum)这些与空口带宽相关的数据，并利用长短期记忆(LSTM)算法预测未来的空口带宽变化情况。
所述的可选码率列表的结构为MPD(Media Presentation Description，媒体描述文件)，MPD是一个XML(Extensible Markup Language，可扩展标记语言)文件，它完整表示了视频的所有信息，包括视频长度，不同视频片段的码率和分辨率、片段时长，具体由DASH存储模块构建维护。
所述的视频播放缓冲区的结构为一段临时存储空间，下载的视频片段先保存到视频播放缓冲区中，然后再依据先后顺序逐个视频片段播放。当下载视频片段的时间大于视频播放时间则视频播放缓冲区的长度减小，视频播放缓冲区长度减少为0时此时视频发生卡顿必须有新的视频片段下载保存到缓冲区中才能继续播放视频。具体由DASH播放模块构建维护。
本发明涉及一种基于上述装置的无线空口带宽的码率自适应调整方法，通过数据接收模块获取可用空口带宽预测值并计算得到可用空口带宽计算未来的网络速率，获取当前视频播放器的缓存区长度并选择对应视频码率作为下一个视频块的请求码率发送至DASH播放模块。
所述的选择对应视频码率是指：当视频缓冲区长度大于预设值上限BH时，则选择最大的视频码率Rmax。此时缓存区有足够的冗余去承担下载最大码率可能带来的卡顿风险；当视频缓冲区长度小于预设值下限BL时，则选择最小的视频码率Rmin；当视频缓冲区长度在预设值下限BL和预设值上限BH之间时，采用基于预测的可用空口带宽来决策视频码率。
所述的预设值上限BH，根据每一个视频块的长度为l＝4s，缓冲区最大长度为Lmax＝20s，计算得到预设值BH＝Lmax-l；所述的预设值下限BL＝l*1.5＝6s。
所述的基于预测的可用空口带宽是指：将网络速率Ck乘以0.9的折损因子防止选择网络带宽无法承受的视频码率，然后在视频索引文件中选择不低于折损后的网络速率Rk+1≤Ck*0.9。
技术效果
本发明通过获取基站的信息进行用户空口带宽预测并传输给用户客户端进行码率决策，其预测不仅有当前用户的历史带宽信息还包含多用户的资源调度信息，提高了用户客户端码率决策的准确性。本发明进一步设置播放缓冲区长度阈值，在缓冲区长度较大的场景选择下载高码率的视频，在缓冲区长度较小的场景选择低码率的视频；其余场景采用用户空口带宽数据进行决策选择，在保证高码率的同时减少视频发生卡顿的概率。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为实施例流程图；
图3实现场景示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种基于无线空口带宽的码率自适应调整装置，包括：位于边缘计算(MEC)服务器的DASH存储模块、数据采集模块和带宽预测模块以及位于DASH客户端的数据接收模块、码率自适应模块和DASH播放模块。
所述的DASH存储模块包括：视频存储单元和视频请求响应单元，其中：视频存储单元构建视频MPD文件并存储不同码率和分辨率的视频片段；视频请求响应单元响应客户端DASH播放模块发送的媒体索引文件解析后选择对应的视频片段进行传输。
所述的数据采集模块包括：数据抓取单元和数据存储单元，其中：数据抓取单元通过基站的对应的IP接口获取用户数据和基站配置信息，包括接收到的用户上报的调制与编码策略(MCS)、参考信号接收质量(RSRQ)、参考信号接收功率(RSRP)、下行链路中使用的物理资源块(DLOccupyPRBNum)数据；数据存储单元保存数据抓取单元获得的数据。
所述的带宽预测模块包括：数据处理单元和带宽预测单元，其中：数据处理单元获得数据采集模块中数据存储单元的数据并对这些数据依次进行单位换算和归一化计算处理；带宽预测单元加载LSTM预测模型将数据处理单元的处理过的数据作为预测模型的输入，对下一时刻空口带宽进行预测。
所述的数据接收模块包括：数据通信单元和数据转发单元，其中：数据通信单元与空口带宽预测模块建立WebSocket通信，获得预测的空口带宽；数据转发单元将获得的数据转发到码率自适应模块。
所述的码率自适应模块包括：视频信息单元和码率调整单元，其中：视频信息单元获得数据接收模块中空口带宽数据和DASH播放模块中的视频缓冲区长度信息，并将空口带宽换算成网络速率；码率调整单元兼顾数据处理单元给出的网络速率和视频缓冲区长度信息，从可选码率列表中决策待请求视频片段的传输码率。
所述的DASH播放模块包括：视频播放单元和视频请求单元，其中：视频播放单元从视频播放缓冲区中取出视频片段进行播放并检测当前视频缓冲区长度信息输出给码率自适应模块。视频请求单元获得码率自适应模块的请求码率向MEC DASH存储模块请求对应的视频片段，并将下载完成的视频片段存储到视频播放单元的播放缓冲区中。
经过具体实际实验，设置测试环境为三台UE同时连接到基站如图3，其中实验场景低速率均匀(Group A)为背景UE1和背景UE2同时循环播放500k的视频，实验场景高速率非均匀(Group B)为背景UE1循环播放5M的视频，背景UE2循环播放1M的视频，以QoE函数评估视频性能，得到如表1所示结果。
所述的QoE函数：
其中：K为已下载的视频块个数，Rk为视频块k的编码比特率(码率)，q(Rk)将视频码率率Rk映射到用户的视频质量感知，Tk为下载码率为Rk的视频块时的缓冲时间(卡顿时间)，|q(Rk+1)-q(Rk)|为视频质量的变化(平滑度)，μ，τ视频卡顿和平滑度的加权系数，分别取15和1。
表1码率调整性能
如表1在Group A和Group B场景中本装置的平均码率/QoE性能分别是Baseline算法的2.1/1.6倍和1.8/2.5倍，可见本发明能够充分利用无线空口发送能力提高用户观看视频的码率同时保证较小的卡顿时间和视频抖动提高了用户观看视频质量。
与现有技术相比，本发明利用MEC在无线接入网边缘实时获取基站用户数据和基站配置信息，并利用长短期记忆(LSTM)算法对用户的空口带宽进行预测，获取的基站信息包含当前无线链路的信道质量信息和用户间的资源调度信息，能够准确地感知用户的空口带宽变化。二是在码率自适应算法设计中兼顾用户的可用空口带宽信息和视频播放缓冲区长度信息，避免了单一优化变量提高视频码率却造成视频卡顿或者视频不清晰的弊端。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (10)
1.一种基于无线空口带宽的码率自适应调整装置，其特征在于，包括：位于边缘计算服务器的DASH存储模块、数据采集模块和带宽预测模块以及位于DASH客户端的数据接收模块、码率自适应模块和DASH播放模块，其中：DASH存储模块存储不同码率和分辨率的视频片段并响应来自基站的DASH客户端视频片段请求指令；数据采集模块从基站获取用户数据和基站配置信息；带宽预测模块根据接收到的用户上报的调制与编码策略、参考信号接收质量、参考信号接收功率、下行链路中使用的物理资源块数据，利用长短期记忆算法预测未来的可用空口带宽，跟踪并且提前感知带宽的变化信息并将其发送给用户帮助进行码率自适应；数据接收模块和带宽预测模块建立WebSocket通信以接收预测的可用空口带宽并将可用空口带宽信息输出至码率自适应模块；码率自适应模块根据可用空口带宽信息以及DASH播放模块中的视频缓存信息，从可选码率列表中决策选择待请求视频片段的传输码率，再将待请求视频片段的传输码率输出至DASH播放模块；DASH播放模块获取DASH存储模块中的视频索引文件和视频分段的数据，根据码率自适应模块请求的传输码率向DASH存储模块发送对应码率的视频片段请求，将接收得到的视频片段存储到视频播放缓冲区并显示播放并将视频缓存信息发送至码率自适应模块；
所述的用户数据是描述目前连接到基站的各个用户的本身配置信息以及每个用户和基站之间连接的状态信息；其中本身配置信息包括RRC层、MAC层、PDCP层的参数配置；
所述的基站配置信息包括：信号的发射功率和编码调制方式。
2.根据权利要求1所述的基于无线空口带宽的码率自适应调整装置，其特征是，所述的跟踪并且提前感知，其具体实现的技术手段为通过基站IP接口实时抓取用户上报的与空口带宽相关的数据，并利用长短期记忆算法预测未来的空口带宽变化情况；
所述的与空口带宽相关的数据包括：调制与编码策略、参考信号接收质量、参考信号接收功率、下行链路中使用的物理资源块。
3.根据权利要求1所述的基于无线空口带宽的码率自适应调整装置，其特征是，所述的DASH存储模块包括：视频存储单元和视频请求响应单元，其中：视频存储单元构建视频MPD文件并存储不同码率和分辨率的视频片段；视频请求响应单元响应客户端DASH播放模块发送的媒体索引文件解析后选择对应的视频片段进行传输。
4.根据权利要求1所述的基于无线空口带宽的码率自适应调整装置，其特征是，所述的带宽预测模块包括：数据处理单元和带宽预测单元，其中：数据处理单元获得数据采集模块中数据存储单元的数据并对这些数据依次进行单位换算和归一化计算处理；带宽预测单元加载LSTM预测模型将数据处理单元的处理过的数据作为预测模型的输入，对下一时刻空口带宽进行预测。
5.根据权利要求1所述的基于无线空口带宽的码率自适应调整装置，其特征是，所述的码率自适应模块包括：视频信息单元和码率调整单元，其中：视频信息单元获得数据接收模块中空口带宽数据和DASH播放模块中的视频缓冲区长度信息，并将空口带宽换算成网络速率；码率调整单元兼顾数据处理单元给出的网络速率和视频缓冲区长度信息，从可选码率列表中决策待请求视频片段的传输码率。
6.根据权利要求1所述的基于无线空口带宽的码率自适应调整装置，其特征是，所述的视频播放缓冲区的结构为一段临时存储空间，下载的视频片段先保存到视频播放缓冲区中，然后再依据先后顺序逐个视频片段播放，当下载视频片段的时间大于视频播放时间则视频播放缓冲区的长度减小，视频播放缓冲区长度减少为0时此时视频发生卡顿必须有新的视频片段下载保存到缓冲区中才能继续播放视频，具体由DASH播放模块构建维护。
7.一种基于权利要求1～6中任一所述码率自适应调整装置的无线空口带宽的码率自适应调整方法，其特征在于，通过数据接收模块获取可用空口带宽预测值并计算得到可用空口带宽计算未来的网络速率，获取当前视频播放器的缓存区长度并选择对应视频码率作为下一个视频块的请求码率发送至DASH播放模块。
8.根据权利要求7所述的码率自适应调整方法，其特征是，所述的选择对应视频码率是指：当视频缓冲区长度大于预设值上限BH时，则选择最大的视频码率Rmax，此时缓存区有足够的冗余去承担下载最大码率可能带来的卡顿风险；当视频缓冲区长度小于预设值下限BL时，则选择最小的视频码率Rmin；当视频缓冲区长度在预设值下限BL和预设值上限BH之间时，采用基于预测的可用空口带宽来决策视频码率。
9.根据权利要求7所述的码率自适应调整方法，其特征是，所述的预设值上限BH，根据每一个视频块的长度为l＝4s，缓冲区最大长度为Lmax＝20s，计算得到预设值BH＝Lmax-l；所述的预设值下限BL＝l*1.5＝6s。
10.根据权利要求7所述的码率自适应调整方法，其特征是，所述的基于预测的可用空口带宽是指：将网络速率Ck乘以0.9的折损因子防止选择网络带宽无法承受的视频码率，然后在视频索引文件中选择不低于折损后的网络速率Rk+1≤Ck*0.9。
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| CN202111434723.9A CN116193133A (zh) | 2021-11-29 | 2021-11-29 | 基于无线空口带宽的码率自适应调整装置和方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115103235A (zh) * | 2022-06-21 | 2022-09-23 | 咪咕互动娱乐有限公司 | 数据传输方法、装置、设备与介质 |
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2021
- 2021-11-29 CN CN202111434723.9A patent/CN116193133A/zh active Pending
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