T E L KO M NI K A ,  V ol . 14,   N o. 3,  S ept em ber  20 16,   pp.   90 4 ~ 9 15   I S S N :  1 693 - 6 930 ,  ac c r edi t ed  A   b y  D IK T I,  D e c r e e  N o :  58/ D I K T I / K ep/ 2013   D O I :   10. 12928/ T E LK O M N I K A . v 1 4 i 3 . 3517      90 4       R ec ei v ed   F ebr u ar y  2 6 ,  201 6 ;  R ev i s e d  J un e   8 ,  201 6 ;  A c c ept ed  J un e  2 9 ,  2 01 6   To w a r ds   S moot h a n d  Hig h - Q u a lit y   Bit r at e A d ap t at io n   for  H TTP   A d a p ti v e  S tr e a m i ng       L i h o n g  G e n g 1 ,  L i a n g  P a n 2 ,  Y i q i a n g  S h e n g 3 ,  Z h i c h u a n  G u o * 4   1 ,2 ,3 ,4 N at i on al  N et w or k  N ew  M e di a E n gi n eer i n g R e s ear c h C en t er ,  I n s t i t ut e  of  A c ous t i c s ,     C hi ne s e A c ade m y  of  S c i en c e s ,   B ei j i ng  1001 90,  C h i na   1 U ni v er s i t y  o f  C hi n es e A c a de m y  of  S c i en c es ,  B ei j i n g 10 019 0,  C hi n a   * C or r es po ndi ng a ut hor ,   e - m ai l :  guoz c @ d s p. a c . c n       A b st r act   A l t hou gh H T T P  ad apt i v e  s t r e am i ng h as   bee n w el l  d oc um e nt ed f or  t he  c os t - e f f ec t iv e d e liv e r y  of   v i de o s t r eam i n g,  i t  i s  s t i l l  a gr eat  c h al l e nge   t o   pl a y  bac k   v i deo s m oot hl y   w i t h   hi gh q ual i t y  under   t h e   f l uc t uat i ng ne t w or k  c ond i t i o ns .  I n t hi s  pa per ,  w e pr o pos ed a  nov el  b i t r at e adap t at i on al gor i t hm  f or  H T T P   adapt i v e  s t r eam i n g.  O ur  al g or i t hm  em p l oy ed t w o a ppr o ac he s  f or  t hr ou ghpu t   es t i m at i o n a n d b it r a t e  s el e c t i on,  w h i c h  w as  e v a l uat ed on  our  t e s t b ed ( a  f ul l y  f u n c t i o nal  H T T P   Li v e S t r e am i ng  s y s t em )  ov er   a   net w or k ,  em ul at e d us i ng D um m y N et .  F i r s t ,  t h e t hr ou ghp ut  e s t i m at i on m et hod,  b as e d on t he pr edi c t i on of   t he di f f er en c e b et w een t he e s t i m at ed an d i n s t an t ane ous  t hr oughp ut s ,  w as  ob s er v ed t o r e s pon d s m oot h l y   t o  s hor t - t er m   f l uc t uat i on s   and  r api d l y   t o  l ar ge  f l u c t u at i o ns .   S ec on d,   t he  bi t r at e  s el e c t i on  al gor i t hm ,   ba s e d   on  p i ec ew i s e  f u nc t i on s   t o  d ef i ne  t h e  v ar i a t i o n  r a nge  of   t he  c ur r ent   bi t r at e,   w as   f ou nd  t o  r e s ul t   i n   s m oot he r   c han ges   i n  q ual i t y   w i t h  a  h i gher   a v er a ge  qu al i t y .   T he  r es ul t s   o f   our   e x per i m ent s   d em ons t r a t ed  t he   pr os p ec t s  of  our   bi t r a t e a dapt a t i on  al gor i t hm  f or  H T T P  ad apt i v e s t r eam i n g.       Ke y w o rd s :  t hr ough put  es t i m at i on ,   bi t r at e   s e l ec t io n ,  HL S       C o p y r i g h t   ©   20 16 U n i ver si t a s A h mad  D ah l an .  A l l  r i g h t s r eser ved .       1 .  I n tr o d u c ti o n   W i t h  t he  di f f us i on  of   new   v i de o - ena bl ed  de v i c es   and  f as t er   I nt er ne t   c onnec t i ons ,   v i d eo  t r af f i c  has  c o m e t o dom i nat e I nt er ne t  t r af f i c .  S ev er a l  v i d eo s t r eam i ng pr ot oc o l s  hav e be en  pr opos e d f or  t he d el i v er y   of  v i de o c ont ent .  T r adi t i o n al  s t r eam i ng pr o t oc ol s ,  s u c h as  r eal  t i m e   s t r eam i ng pr ot oc o l  ( R T S P ) ,  c ont r ol  t he  v i de o t r a ns m i s s i on r at e  di r ec t l y ;  ho w ev er ,  s uc h pr ot oc ol s   ar e di f f i c ul t  t o dep l o y  bec aus e a s pec i a l i z e d s t r ea m i ng s er v er  i s  r equi r ed  [ 1 ] . B y  c o n tr a s t,  h y p er t ex t  t r ans f er  pr ot oc ol  ( H T T P   [ 2 ] )  adapt i v e s t r e am i ng   has  bec om e a c os t - ef f ec t i v e and  popu l ar   o pt i on  b ec aus e  i t   r eus es   t he  ex i s t i n g  I nt er net   i nf r as t r uc t ur e,   pr ov i d es   ne t w or k   addr es s   t r ans l at i o n ( N A T )   f r i endl i ne s s  and i s  al l o w ed b y  m os t  f i r ew al l s   [ 3 ] .  C ur r ent l y ,  on e of  t he  m os t   pr om i nent  ap pr oac h es  i s  H T T P  Li v e  S t r e am i ng ( H LS ) ,  as  pr opos e d b y   A pp l e  I nc .   I n ge ner a l ,  a n H T T P  adapt i v e s t r eam i ng s er v er  k now s  l i t t l e  i nf or m at i on a bout   t he  c l i en t ,   i t  i s  t h e c l i e nt ’ s  r es p ons i bi l i t y  t o m a k e dec i s i ons   r e gar di ng t he s el ec t i o n o f  appr opr i at e  al t er n at i v es   t o  m ai nt a i n  a  g ood  qu al i t y   of   ex per i enc e  ( Q oE   [ 4 ] ) .   T o  pr ov i d e  t he  h i ghes t   pos s i b l e  v i deo  qu al i t y ,  a n a da pt at i o n a l gor i t hm   m us t  appr opr i at el y   es t i m at e t h e a v a i l ab l e t hr o ugh put .   O v er es t i m at i on  of  t h e t hr o ughp ut  m a y   l e ad  t o  buf f er  f r ee z es ,   w her e as  u nder es t i m at i on  of  t he  t hr oug hpu t  m a y  l ead  t o  bu f f er  ov er f l o w .  F ur t her m or e,  t o  pr ov i d e us er s   w i t h  a s m oot her  v i deo   qua l i t y ,   a g ood  bi t r at e s e l ec t i on  al gor i t hm  i s  des i r ab l e.  I f  t he bi t r at e  i s  s el ec t ed  bas ed o nl y  o n t he  es t i m at ed  t hr oug hpu t ,   t he n   abr upt  c ha ng es   i n qua l i t y   w i l l  oc c ur   w hen  t he  a v a i l a bl e  t hr oug hput   dec r eas es   or   i nc r eas es   dr a m at i c al l y .   H o w   t o  f ul f i l l   bot h  r equ i r em ent s   di s c us s ed  abo v e  i s   a  k e y   r es ear c h pr obl em  of  H T T P  adapt i v e s t r eam i ng  [ 5 ] .  R es ear c her s   [ 6 - 12 ]   ha v e r e por t ed  v ar i o us   al g or i t hm s  f or  t hr oughpu t  e s t i m at i on an d b i t r at e  s el ec t i on.   R egar d i n g t hr o ug hput  es t i m at i on,  i n   [ 6 ] , t h e  aut h or s  us ed  t he  r unn i n g a v er a ge  of  t he   m eas ur ed  t hr oughp ut   t o  es t i m at e  t he  t hr ou gh put .   H o w e v er ,   t h i s   m et hod  ex hi b i t e d  a  s l o w   r es pons e  t o  l ar g e  c han ges   i n  t hr o ugh put   and  t hus   ha d   a  t end enc y   t o  s uf f er   buf f er   under f l o w .   I n  [ 7 ] ,  t he de gr ee   of  f l uc t uat i on of  t he t hr ough put  d i f f er enc e w as  us ed t o d y n am i c al l y  c ont r o l  t he  w ei g ht i ng c o ef f i c i ent  of  t h e m et hod pr es en t ed  i n  [ 8 ]   f or  t hr oughp ut  es t i m at i on.  A l t hou gh t hi s   m et hod s how ed s up er i or i t y   i n  det ec t i ng  l ar g e c han ges  i n t hr oug hput ,  i t  f ai l e d t o s m oot hl y   es t i m at e t he t hr o ugh put   i n  t he c as e of  s hor t - t er m   f l uc t uat i ons  a nd t h us  i nc ur r ed r edu nd ant   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI K A     I S S N :  1 693 - 6 930       T ow ar ds  S moo t h a nd  H ig h - Q ual i t y   B i t r at e  A d apt a t i on f or  H T T P   A da pt i v e …   ( Li hon g G eng )   905   f l uc t uat i ons  i n bi t r at e.  I n  [ 9 ] ,  an ex pon ent i a l  f unc t i on  w as   ado pt e d t o d y n am i c al l y  c ont r o l  t he   w ei g ht i ng  c o ef f i c i ent   of   t he   m et hod  pr es ent e d  i n  [ 6 ] .   T hi s   m et hod  of f er ed  s m oot h  es t i m at i on  in   t he  c as e  of   s hor t - t er m   f l uc t uat i ons   at   a  r el at i v e l y   h i gh  t hr oug hpu t .   H o w ev er ,   at   l o w   t hr ou ghp ut ,   t he es t i m at ed t hr ou ghp ut  of  t hi s  m et hod  w as  s ens i t i v e t o s uc h f l uc t uat i o ns .   R egar d i n g  bi t r at e  s el ec t i o n,   i n  [ 10 ] ,   t he  aut hor s   ac hi e v ed  t he  s m al l es t   c han ges   i n   v i d eo  qua l i t y  an d t he f e w es t  i n t e r r upt i o ns  b y  pr es er v i ng t he   m i ni m u m  buf f er  l engt h .  H o w e v er ,   w he n   t he m i s m at c h bet w een  t h e a v a i l abl e t hr ou ghp ut   an d t h e  v i deo  b i t r at e   w as  s i gn i f i c ant ,  t h i s   al g or i t hm  appe ar ed  t o  s uf f er   f r o m   abr upt   c han ges   i n  bi t r at e.   A dd i t i on al l y ,  i t  r equ i r ed t oo  m uc h  t i m e t o adj us t  t he qu al i t y   i n ac c or danc e  w i t h t he a v a i l a bl e t hr ou ghp ut .   A  qu i c k   boot  a l g or i t hm   w as  pr opos ed t o s ol v e t hi s  t y p e of  pr obl em  i n  [ 11 ] .  F ur t her m or e,  t he aut hor s  us ed a f i x ed - i nt er v a l  b uf f er   m odel  t o k ee p t he  b i t r at e  unc h ang ed  w h ene v er  t he  buf f er  s i z e  w as   w i t h i n  a pr es e t   i nt er v a l .   A l t hou gh t hi s  m et hod r e duc ed  t he  num ber  of  c hanges  i n b i t r at e,  i t  r e qui r e d a  l ar g e  buf f er  t o c ope w i t h l ong - t e r m  v ar i at i ons  i n t he a v a i l a bl e t hr oug hpu t .  I n  [ 12 ] ,  t h e aut h or s  onl y   us ed t he buf f er  t o ef f ec t i v el y  r e duc e  t he r eb uf f er   r at e,  s ugges t i ng t h at  t he c ur r ent  buf f er  l ev el   w as  s uf f i c i ent   f or  an  adapt at i o n al gor i t hm  i n  t he s t ead y   s t at e.  I n add i t i on  t o  t h e  c ur r ent  buf f er ,   w e em phas i z e t he i m por t anc e of  t he v ar i at i o n r ang e of  t he c ur r ent  bi t r a t e i n  an ada pt at i o n  al g or i t hm .   I n  t hi s   p aper ,   w e  pr es en t   a  nov el   bi t r at e  ad apt at i o n  al g or i t hm   f or   H T T P   adapt i v e  s t r eam i ng.  O ur  bi t r at e a d apt at i o n al gor i t hm  i nc l ude s  a t hr ough put  es t i m at i on   m et hod an d a  bi t r at e  s el ec t i on  a l gor i t hm .   T he  c ont r i but i ons   of   t he  pa per   ar e  t hr ee - f o ld .   F ir s t ,   w i t h  t he  i nt ent   of   r eac t i ng s m oot hl y  t o s hor t - t er m   f l uc t uat i ons  and q ui c k l y  t o l ar g e f l uc t uat i ons ,  a no v e l  t hr oug hp ut   es t i m at i on m et hod  i s   pr op os ed  b as ed  o n  pr e di c t i ng  t he  d i f f er enc e bet w e en  t he  es t i m at ed  an d  i ns t an t an eous  t hr o ugh put s .  S ec on d,  t o pr o v i d e us er s  w i t h a  hi g h an d r el a t i v e l y  s m oot h v i deo   qua l i t y ,   w e  pr op os e  an  i n n ov a t i v e  bi t r at e  s el ec t i o n a l gor i t hm  bas ed  o n p i ec e w i s e f unc t i o ns  t o  def i ne  t he  v ar i at i on  r a ng e  of   t he  c ur r ent   bi t r at e.   F i na l l y ,   t o   v er i f y   t h e  p er f or m anc e  of   our   b i t r at e   adap t at i on al gor i t hm ,  w e r e por t  t h e i m pl em ent at i on of   a f ul l y  f unc t i o na l  H L S  s y s t e m .   T he paper  i s  or gani z e d as  f ol l o w s .   I n S ec t i on 2,   w e f i r s t  pr ov i de an o v er v i e w  of   H LS .   S ec t i on  3 des c r i b es  our   bi t r at e  a dapt at i on  al g or i t h m .  I n S ec t i on  4,  t he  ex per i m ent s  ar e  di s c us s ed  i n de t ai l .  F i na l l y ,   c onc l us i o ns  an d f ut ur e  w or k  ar e addr es s ed i n S ec t i o n  5.       2.   O v er v i ew   o f H L S   H LS   i s   a   m edi a  s t r eam i ng  pr ot oc ol   b as ed  on  H T T P   i m pl e m ent ed  b y   A p pl e .   I t   i s   w i d el y   us ed b y   v i d eo s t r eam i ng  p r ov i der s  f or  i t s  eas y  dep l o y m e nt ,  d y nam i c al   ada pt a bi l i t y   and s t r on g  pene t r ab i l i t y   [ 13 ] .  C onc e pt ual l y ,   A   H LS   s y s t em   has   t hr ee  p ar t s :   a  s er v er ,   a  d i s t r i but i on  s y s t em ,   and   a  c l i e nt .   T he  s er v er   i s   r es pons i b l e   f or   enc od i n g  t h e  i npu t   s t r eam s   as   MP E G - 4  ( A A C   aud i o   and H . 264  v i deo) ,   e nc aps u l at i ng  t hem   i n MP E G - 2 T S  f or m at ,  and  pr epar i ng t h e  enc aps ul at e d   m edi a  f or   di s t r i but i o n.   T he  di s t r i b ut i on  s y s t em   i s   a  s t a ndar d  w e b  s er v er   w hi c h  i s   r es pons i b l e  f or   ac c ept i n g a nd r es pon di n g c l i e nt ’ s  r e qu es t s .  T he s er v er  and  d i s t r i but i o n s y s t em  ar e i nt egr at ed  as   H LS  s er v er  i n t h i s  pa per .  T he c l i ent  i s  r es po ns i b l e  f or  c hoo s i ng t he  appr o pr i at e m edi a  t o   r eques t ,   do w nl o ad i ng  t hem ,  and  t he n r eas s em bl i n g t h em  t o pr es ent .   A da pt at i o n  i s   an  i m por t ant   par t   of   H LS   [ 14 ] .   O n  t he  H LS   s er v er   s i d e,   t he  or i gi nal   v i de o   c ont ent  i s  e nc ode d i nt o  m ul t i pl e  al t er nat i v es  ( v er s i ons )  at   di f f er ent  b i t r at es .  T hen,  eac h   al t er n at i v e i s  f ur t her  par t i t i o ned i nt o a s er i es  of  s m al l  s egm ent s  ( c hun k s )  w i t h t he  s a m e du r at i o n.   S i m ul t an eous l y ,   t he c h ar a c t er i s t i c s  of  eac h a l t er n at i v e   s uc h as  b i t r at e ,  c od i ng,   and r es o l ut i o n  ar e r ec or de d i n t h e m ani f es t  f i l e w i t h t he,   m 3u8 ex t ens i on.  A l l  t he m edi a s egm ent s  and  m ani f es t   f i l es   ar e  s t or ed   i n  t he  di s t r i but i on  s y s t em .   O n  t he  H L S   c l i en t   s i d e,   ac c or d i ng  t o  t h e  s t at us   of   t he   t er m i nal / net w or k ,  t he m os t  appr o pr i at e al t er na t i v e i s  dow nl oad ed t hr oug h t h e s endi ng  of   c ons ec ut i v e  H T T P   r eques t s .   T her ef or e,   t he  c l i e nt   e v e nt ua l l y   get s   t h e  w ho l e  v i d e o  c ons i s t i n g  of   t he s egm ent s  at  d i f f er ent  bi t r at es .       3 .  T h e  P r o p o s e d   B i tr a te   A d a p ta ti o n   A l g o r i th m   I n t h i s  s ec t i on,  our   bi t r a t e  a dapt at i on  al gor i t hm ,  w h i c h  c ons i s t s  of  t hr ou ghp ut   es t i m at i on   and b i t r at e   s e l ec t i on,  i s   des c r i bed  i n det ai l .  A s  s t at ed a bo v e,  m ul t i p l e a l t e r nat i v es  of  a   s egm ent ed s equ enc e  at   di f f er ent  bi t r at es   ar e s t or e d i n t h e s er v er .  E ac h s e gm e nt  c ont ai ns   τ   s ec onds  of  pl a y bac k .  T h e s et  of  bi t r at es  f or   m   di f f er ent   v i deo qua l i t i es  i s   deno t ed b y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                            I SSN :  1 6 9 3 - 6 930   T E L KO M NI K A     V o l.   14 ,  N o .  3,   S ept em ber  2016  :   9 04   –   91 5   906   { } 12 ,, m R RR R =  ,  w her e  i R   is  t h e   i t h bi t r at e i n  R .   W e as s u m e t hat   ij RR <   if   ij < .  T he  c l i en t  do w n l o ads  t he s egm ent s  i n c hr ono l o gi c a l  or der ,  and al l   do w nl o ads  ar e no n - pr eem pt i v e ,   i . e. ,   t he do w n l oa d  of   s egm ent   i   c annot   b egi n  unt i l  s egm ent   1 i −   has  bee n c om pl et el y   do w n l oa ded .   A f t er   eac h  f r a gm ent   i s   do w n l oa ded ,   our   t hr oug hpu t   es t i m at i on  m et hod  i s   i n v ok ed  t o es t i m at e t he a v ai l ab l e  t hr ough put .  T hen,  t he  pr opos ed b i t r at e a dapt at i on  al gor i t hm  w i l l  r u n t h e  bi t r at e s el ec t i o n a l gor i t hm  t o s el ec t  t h e m os t  appr o pr i at e  b i t r at e f or  t h e n ex t   s egm ent .  T h e   det a i l s  of  t h e a l gor i t hm  ar e des c r i bed  be l o w .     3 . 1 .  T h r o u g h p u t E s ti m a ti o n   M e th o d   T hr oughput  es t i m at i on   i s   o ne of  t h e  m os t   c r uc i al   c on c er ns  i n  ada pt i v e   s t r eam i ng  [ 11 ] .  U s ual l y ,  t he a v a i l abl e t hr o ughp ut  i s  c al c u l at ed b y  di v i di n g t he  dat a s i z e of  a  s egm ent  b y   i t s   del i v er y   dur at i on ,  as  d eno t ed b y :     i i i S T t =     ( 1 )     W h er e  i S   and  i t   ar e t he s i z e a nd do w nl o ad t i m e,  r es pec t i v e l y ,  of  t he  i t h s egm ent  and  i T   i s  t he  av a i l ab l e  t hr oug hp ut   f or   t h e  i t h  s egm ent .   B e l o w ,   w e  c al l   i T   t he  i ns t ant ane ous   t hr ou ghpu t .   T he  s im p le s t   m et hod  t o  es t i m at e  t he  av ai l ab l e  t hr oug h put   i s   m er el y   t o  us e  t h e   i ns t ant ane ous   t hr oug hpu t .  T hi s  m et hod  y i el ds  a s t a bl e  buf f er  l ev el ;  ho w e v er ,   t he  v i de o qu al i t y  f l uc t uat es .  A   s m oot hi n g s t r at eg y   w as  a dopt ed  i n  [ 15 ]   to   s ol v e  t h e pr ob l em  of   f l uc t uat i ons .  H o w e v er ,  t hi s   m et hod r eac t s  s l o w l y  t o l ar ge f l uc t ua t i ons ,   w h i c h  m ay  r es ul t  i n  pl a y b ac k  f r ee z es .  I n  [ 9 ] ,  a  d y n am i c  w e i ght i n g c oef f i c i ent   w as  app l i ed  i n t he s m oot hi ng m et hod t o s ol v e  t hi s  pr o bl em .   A l t hou gh t h i s  m et hod pos s es s es  t he adv ant ages  of  bot h m et hods  di s c us s ed abo v e,  i t  s t i l l   y i el ds   f l uc t uat i ng es t i m at es  w h en  t he a v a i l ab l e t hr oug hpu t  i s   l o w .   T he goal  of  our  m et hod i s  t o ac hi ev e a t hr o ugh put   e s t i m at i on t hat   1)  i s  s t abl e i n t he  c as e  of   s hor t - t er m   f l uc t ua t i ons   a nd  2)   r e ac t s   qui c k l y   t o  l ar g e  f l uc t uat i ons .   T he  un der l y i ng   pr i nc i pl e  of  our  m et hod i s   a s  f ol l o w s :       1 ee i ii T TD + = +     ( 2 )     W h er e  1 e i T +   i s  t he es t i m at ed  t hr oug hpu t  f or  t he  ( 1) i + t h s egm ent  and  e i D   i s  t he pr edi c t ed  di f f er enc e v al ue.  A  pr ec i s e pr edi c t i on of   e i D   y i e l ds  a pr ec i s e  1 e i T + .  e i D   i s  def i ned b y  ( 3)  and ( 4)  i n   ou r  m et hod:     e ii i DT T = −     ( 3 )     * e ii DD δ =     ( 4 )     W h er e  i D   r ef l ec t s  t he de gr ee   of   f l uc t uat i on  of   t he  t hr ou ghpu t   an d  δ   i s   a c or r ec t i o n  t er m   t hat   t ak es  v al ues  on t he i nt er v al   ( ) 0, 1 .  F or  s hor t - t er m  f l uc t uat i ons ,   i D   i s  s m al l  and  δ   s houl d  be   c l os er   t o  1  t o   br i ng  1 e i T +   c l os er   t o  e i T ,   r es ul t i ng  i n   a  s m oot her   es t i m at i on.   F or   l ar ge  f l uc t uat i ons ,   i D   i s  l ar ge a nd a  δ   c l os er  t o 0 i s  r equ i r ed t o br i ng  1 e i T +   c l o s er  t o  i T   t o al l o w  a m or e r api d  r es pons e  t o  l ar ge   f l uc t uat i o ns .   I n  s um m ar y ,   t he   v al ue  of   t he  p ar am et er   δ   i s   s t r on gl y   r e l at ed  t o   i D   i n   our   ana l y s i s .   T he  c ont r ol   f unc t i ons   r e l at i ng   δ   and   i D   ar e  des i gn ed  as   s ho w n  i n  ( 5)   and   (6 ):     i nor D T ρ =     ( 5 )     0 () 1 1 M Ne ρρ δ − = +     ( 6 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI K A     I S S N :  1 693 - 6 930       T ow ar ds  S moo t h a nd  H ig h - Q ual i t y   B i t r at e  A d apt a t i on f or  H T T P   A da pt i v e …   ( Li hon g G eng )   907   W h er e  ρ   i s  t he  nor m al i z at i on  v a l u e of   i D   and  nor T   is  a   nor m al i z at i o n f ac t or ;   M   and   0 ρ   ar e t he   s t eepn es s  and  m i dpoi nt   of  t he  c ont r o l  f unc t i on  ( 6) ,  r es pec t i v e l y ;   N   i s  a  f unc t i o n  of  t he  buf f e r   oc c upanc y .  I n  our  m et hod,   w e as s um e t hat  t he f l uc t u at i ons   ar e s hor t - t er m  w h en  i D   i s  l es s  t ha n  10%  of   nor T   ( i. e . , 0.1 ρ < )  and t he f l uc t uat i ons  ar e l ar ge   w h en  i D   i s   l ar ger  t h an  20%  of   nor T   ( i. e . ,  0.2 ρ > ) .  M   and  0 ρ   need t o be s et   pr op er l y  t o m a k e s ur e t hat  a  ρ   s m al l er  t han 0 . 1  w i l l   y i e l d a   δ   c l os er   t o  1 ,   i n   ot h er   w or ds ,   our   m et hod   g et s   a  s m oot h  es t i m at i on  f or   s hor t - t er m   f l uc t uat i ons ;   b y  c o nt r as t ,   a  ρ   l ar ger   t han   0. 2  w i l l   obt ai n  a   δ   c l os er  t o   0,  s ug ges t i ng  t hat  o ur  m et hod q ui c k l y   r es ponds   t o  l ar ge  f l uc t uat i o ns .   F ur t her m or e,   i n  c as e  of   buf f er   dr ai ni ng - up ,   N   w i l l   do m i nat e  t he  s peed of  c ont r ol  i n ( 6)  w he n t he buf f er  l ev el  i s  l o w er  t h an t he m i ni m u m  t hr es hol d.   I t   i s  def i ned as   ex pr es s ed i n ( 7)  an d ( 8) :     c u r m i n ma x mi n BB BB µ − = −     ( 7 )     1 0 100 0 N µ µ µ > = ≤     ( 8 )     W h er e  c u r B   i s  t he c ur r ent  buf f er  l ev el   w h i c h i s  m eas ur ed i n s ec onds ,   mi n B   and  ma x B   ar e   t he  m i ni m u m  and m ax i m u m  bu f f er  t hr es hol ds ,  r es pec t i v e l y ,  and   µ   i s  t he b uf f er  oc c upanc y .       3 . 2 .  B i tr a te   S e l e c ti o n   A l g o r i th m   I n t h i s  s ec t i on,   gi v e n t he  es t i m at ed t hr o ugh put  as  d es c r i bed  abo v e ,   w e  pr o po s e an   i nn ov at i v e   bi t r at e   s el ec t i o n   al gor i t hm   t hat   c ons i der s   t he  v ar i at i on  r ang e  of   t h e  c ur r ent   b i t r at e  t o   ac hi e v e  a  h i g h  and  r e l at i v e l y   s m oot h  v i d eo  q ual i t y .   B e s i des ,   buf f er   under f l o w   and   ov er f l o w   ar e  c ons i der e d i n o ur  al gor i t hm .   T o  ac hi e v e  our   g oa l ,   w e  s t udi ed  t he  J us t   N ot i c ea bl e   D i f f er enc e  ( J N D ) .   T he  J N D   [ 16 ]   is   def i ned t o des c r i be t h e s m al l es t  per c ept ua l  di f f er enc e/ c hang e bet w een t w o s t i m ul i  ( e. g. ,  t w o   v er s i o ns  of  a  v i deo)  t hat  c o ul d  be  det ec t ed  b y  hum an  per c ept i on;  t h i s   w or k  c onc l uded  t h at  i f  t h e  v i deo  v er s i ons   w er e  eq ua l l y  s p ac ed  b y   3  J N D   uni t s ,  a s ep ar at i o n   t h at   y i el d ed no ob v i ous   di f f er enc e i n  pr ac t i c e ,  t h e t y p i c al   num ber  of  v er s i ons   w as  4 t o 7 .  O n  t he  bas i s  of   t hi s  c onc l us i o n,   t he bi t r at es  of  t he F oot b a l l  an d S oc c er  s eque nc es  w er e s pac ed b y   1. 5 J N D  uni t s  i n  [ 17 ] ,  r es ul t i ng  i n b i t r at es   of  3000 ,  149 5,  10 38,   773,   640 ,  55 0,  42 7,  32 2,  2 60,  a nd 2 22  K bps ;  t hi s  l i s t  of   bi t r at es ,   w h i c h  be l o nge d  t o   f as t - m ot i on  gr oup ,   s hou l d  t hus   al s o   be  s af e  f or   s l o w - m ot i on  gr oup .   B as ed  on t hes e c onc l us i o ns ,  t w o p i e c e w i s e f unc t i o ns  ar e des i gn ed t o  det er m i ne t he s af e   v ar i at i on r a nge  of  t he c ur r e nt  b i t r at e.  E quat i o ns  ( 9)  an d ( 10)  pr es e nt  t h es e f unc t i o ns .     _ 100 200 400 1400 c ur L ow T h L ow T h c ur M i dT h c hg up M i dT h c ur H i gT h c ur H i gT h RR R RR R R RR RR < ≤< = ≤< ≥     ( 9 )     _ 100 ( , 200) ( , 200) ( , 400) c ur L ow T h c ur L ow T h L ow T h c ur M i dT h c hg dow n c ur M i dT h M i dT h c ur H i gT h c ur H i gT h c ur H i gT h RR mi n R R R R R R ma x R R R R R ma x R R R R ≤ − <≤ = − << −≥   ( 10 )     W h er e  c u r R   i s  t he c ur r ent  bi t r at e;   Lo w Th R ,  Mi d T h R   and  Hi g T h R   ar e t hr ee bi t r at e t hr es h ol ds  t h at   sa t i sf y   Lo w Th M i d Th H i g Th R RR << ;  t he f unc t i ons   mi n   and  ma x   r et ur n t he m i ni m u m  an d  m ax i m u m   v a l ue,  r es pec t i v el y ,  be t w ee n t hei r  t w o i npu t s ;  and t he r et ur n v al u es ,   _ c hg up R   and  _ c hg dow n R ,  def i ne  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                            I SSN :  1 6 9 3 - 6 930   T E L KO M NI K A     V o l.   14 ,  N o .  3,   S ept em ber  2016  :   9 04   –   91 5   908   t he  s af e  v ar i at i o n  r ange  of   t he  c ur r ent   bi t r at e.   I f   t he  av ai l ab l e  t hr ou gh put   i s   i nc r ea s i ng,   eq uat i on   ( 9)  i s  us ed  t o  det er m i ne t h e v ar i at i o n r an ge,  i . e. ,   _ c hg up R .  B y   c ont r as t ,  i f  t h e a v a i l ab l e t hr ough put   i s   dec r eas i ng ,   equ at i on  ( 10 )   i s   us ed  t o  det er m i ne  _ c hg dow n R .   W e  c onv er t   / c hg_up c hg_dow n R R   i nt o  t he  c or r es pondi ng  bi t r a t e  i nd ex  w i t h  eq uat i on ( 11) :     __ ( / ,) c hg c hg up c hg dow n c ur I nde x f R R R =     ( 11 )     W h er e  f   i s   a  c on v er s i on  f u nc t i on  and  c h g I nde x   i s   t h e  s af e  v ar i at i o n  r an ge  of   t he  bi t r a t e  i ndex   c or r es pondi ng t o  / c hg_up c hg_dow n R R .   B as ed o n t he s af e v ar i at i on r ang e of  t he c ur r ent  bi t r at e as  det er m i ned abo v e,  t he   pr oc edur es   per f or m ed i n   o ur  al gor i t hm  ar e des c r i b ed  i n a l gor i t hm  1.  H er e ,   b e s t R I nde x   is  in i t i a li z e d   as  t he  b i t r at e  i ndex   w i t h t he h i g hes t   pos s i b l e  v a l u e  t hat   i s   l o w er  t ha n t he c ur r ent   es t i m at ed  t hr oug hpu t ;  i n ot her   w or ds ,   i t  s at i s f i es :     { } | b es t e R I nde x k k k R ma x R R T R R = <∈ ,     ( 12 )     l as t R I nde x   i s  t h e b i t r at e  i nd ex  of  t he  l as t  s egm ent .   D i f I nde x   i s  t he  a bs ol u t e  v al ue  of   or i D   w hi c h  i s   equ al  t o  t h e d i f f er enc e b et w e en  b e s t R I nde x   a nd  l as t R I nde x .  mi n B ,  mi d B   and   ma x B   ar e b uf f e r   t hr es hol ds ,  m eas ur ed i n  s e c onds ,   w h i c h  sa t i sf y   mi n mi d m a x B B B << .   T he i nput   ar gum ent s  of  our  al g or i t hm  i nc l ud e t h e i n s t ant an eous  t hr oug hpu t  ( T ) ,  t he  es t i m at ed t hr ou ghp ut  ( e T ) ,  t he c ur r ent  b uf f er  l ev e l  ( c u r B )  and t he   b i t r at e i n dex  of  t he l as t   s egm ent  ( l as t R I nde x ) .  T he out put   ar g um ent  i s  t he b i t r at e i ndex  f or  t he  nex t  s egm ent  ( n e x t R I nde x ).   W h en  0 or i D ≥ ,   an  e qua l   or   h i g her   bi t r at e   c an  be  r e ques t e d  f or   t he  nex t   s egm ent .   T he   c ur r ent   buf f er   l ev e l   i s   c o ns i der ed  i n  t hi s   c as e.   I f   c u r m i d BB ≤ ,   i t   i s   not   w i s e  t o  i nc r eas e  t he  b i t r at e  i m m edi at el y   bec aus e  t h e  b uf f er   l ev e l   i s   s t i l l   i ns uf f i c i ent .   T hus ,   w e  l ea v e  t h e  bi t r at e   unc han g ed  ( n e x t l a s t R I nde x R I nde x = ) . If   c u r m i d BB > ,  t he n i t   i s  s af e t o i nc r e as e t he  bi t r at e.   A s  des c r i be d abo v e ,  i t   i s   nec es s ar y   t o  ens ur e  t ha t   ev er y   c ha nge  i n q ual i t y   r em ai ns  w i t hi n  t he  s af e v ar i at i o n r ang e of   t he c ur r ent  b i t r at e.  T hus ,   D i f I nde x   i s  c om par ed w i t h   c h g I nde x . If   c h g D i f I nde x I nde x ≥ ,  i t   m ean s   t hat   b e s t R I nde x   i s   m u c h hi gher  t ha n   l as t R I nde x .  I f  w e c hoos e  b e s t R I nde x   t o  f ol l o w  t h e c ur r ent   av a i l ab l e t hr o ugh put ,  a n ob v i ous  c hang e i n q ua l i t y   w i l l   be not i c ed b y  t he  us er .  T hus ,  w e c ho os e  l as t c hg R I nde x I nde x +   as  t he bi t r at e i n dex  f or  t he nex t  s egm ent ,  w hi c h pr o v i des   a r el at i v el y  r a pi d  r es pons e  t o  t h e a v a i l abl e  t hr ou gh p ut   w h i l e  m ai nt a i ni n g  a  us er - f r i endl y  q ua l i t y   c ha nge.   I f   < c h g D i f I nde x I nde x ,  t hen  b e s t R I nde x   c an be c hos en s af el y .  H o w ev er ,  w hen t h e  buf f er  l ev e l  i s   hi g her   t han  t he  m ax i m u m   buf f er   t hr es hol d  and    b es t R I nde x R   i s   l es s   t han  t he  es t i m at ed  t hr ou ghpu t ,   a  s c he m e t o av oi d  buf f er  ov er f l o w  i s  r eq ui r e d.   W e i nc r eas e  b e s t R I nde x   b y  1 t o pr e v en t   buf f e r   ov er f l o w .   A f t er  t he app l i c at i on of  t hi s  ov er f l o w - c ont r ol  m eas ur e,   D i f I nde x   w i l l  be l es s  t han or   equa l  t o  c h g I nde x ,  w hi c h  i s  s t i l l  a  s af e qu al i t y  c han ge.   W h en  0 or i D < ,   t he  c ur r ent   av ai l ab l e  t hr o ug hput   i s   i ns uf f i c i ent   t o m ai nt ai n t he  pr e v i o us   v i deo  qu al i t y .   B i t r at e  r ed uc t i on   i s   i ne v i t ab l e.   T he  c ur r ent   buf f er   l e v el   s hou l d  be   c ar ef ul l y   c ons i der e d i n t hi s  c as e.  I f   c u r m i n BB ≤ ,  t hen t he buf f er  c an be eas i l y   em pt i ed i f  t he s el ec t ed  bi t r at e  i s  hi g her  t h an t h e a v a i l abl e  t hr oug hpu t .   W e i nc r e m ent al l y  dec r eas e  b e s t R I nde x   b y   1 i n a l oop  unt i l     b es t R I nde x R   i s  l es s  t ha n t he c ur r en t  a v ai l ab l e t hr ou ghp ut .  T hi s  s t r at eg y   w i l l  c a us e t he  buf f er  l ev e l  t o  i nc r eas e  dur i ng  t he  do w n l o ad  d ur at i on  of   t he  nex t   s eg m ent   t o  pr ev ent   pl a y b ac k   f r ee z es ,   bu t   a n  uns af e  c hange  i n  qua l i t y   m a y   oc c ur .   I f   t he  buf f er   l ev el   s at i s f i es   B mi n c u r ma x B B <≤ ,   t he  s i t uat i on  i s   r el at i v el y   s af e and a  s om ew hat  c ons er v at i v e  s c hem e   i s  adopt ed.  F i r s t ,  w e  det e r m i ne  t he  b es t   pos s i bl e  v i d eo  q ual i t y   ( l as t R I nde x k − )   b y   dec r eas i n g  bi t r at e  l e v e l   i n  a  l oo p  t o  ens ur e  t h at   at   l e a s t   a m i ni m u m  buf f er  i s  pr es er v ed .  T hen,  a  bi t r at e  l e v el  t hat  i s   no  hi gh er  t h an  l as t R I nde x k −   is   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI K A     I S S N :  1 693 - 6 930       T ow ar ds  S moo t h a nd  H ig h - Q ual i t y   B i t r at e  A d apt a t i on f or  H T T P   A da pt i v e …   ( Li hon g G eng )   909   adop t ed.  I f   D i f I nde x   i s  l es s  t han or   equa l  t o  c h g I nde x ,  i t  r e v e al s  t h at  t h e  av a i l ab l e t hr oug hput   has   not  c ha nge d  c ons i d er ab l y .   I t   i s   unn ec es s ar y   t o s w i t c h   t o  b e s t R I nde x   t o a dapt   t o  t h e dec r e a s i ng   t hr oug hpu t .   T her ef or e,   n e x t R I nde x   i s  s et  t o t h e m i ni m u m  v al u e be t w ee n  1 b e s t R I nde x +   and  l as t R I nde x k − .  If   D i f I nde x   i s   l ar ger  t h an   c h g I nde x ,   t he n  a l ar ge  t hr oug hput   f l uc t uat i on  has   oc c ur r ed.  T o adapt  t o t he  dec r eas i n g t hr ou ghp ut  qu i c k l y   and s af el y ,  t he m ax i m um  c hange i n   i nd ex   c or r es pond i ng t o t h e s af e v ar i at i o n r ang e,   c h g I nde x ,  i s  c hos en.  I n ac c or da nc e w i t h t he   l i m i t s   i m pos ed  ab ov e,   n e x t R I nde x   i s   s et   e qua l   t o  t he  m i ni m u m   v al u e  b et w e en  l as t c hg R I nde x I nde x −   and   l as t R I nde x k − .   F in a ll y ,   if   c ur m ax BB > ,   t he n  a  m or e  c ons er v at i v e   s c hem e  i s   adop t ed   t o   r ed uc e  t he  buf f er .  I f   c h g D i f I nde x I nde x ≤ ,  t he n  n e x t R I nde x   i s  s i m pl y   s et  eq ua l  t o t he  l as t  bi t r at e  l as t R I nde x   t o  ens ur e  a s m oot h  v i de o qua l i t y .  I f   c h g D i f I nde x I nde x > ,  t he n  n e x t R I nde x   i s  d ec r em ent ed as   1 l as t R I nde x − ,  j us t  i n c as e an a br upt  c h a nge i n b i t r at e  oc c ur s  w h en  t he buf f er  l ev el  s w i t c hes  f r o m   t he c ur r ent  buf f er  s t at e t o t he s t at e  < mi n c u r ma x B B B ≤ .   I t  s hou l d  b e n ot e d t h at   n e x t R I nde x   m u s t  l i e  i n  a r eas o na bl e   r ange  of   [ ] 1, m   i n our   al g or i t hm .       4 .   E xp er i m en t s an d   D i scu ssi o n   I n  t h i s   s ec t i on,   w e  g i v e  a n  ov er v i e w   of   t he  ex per i m ent al   m et hodo l og y   a nd  e v a l u a t e  our   bi t r at e  ad apt at i on  a l g or i t h m   on  our   H L S   s y s t em .   A f t er   r epor t i ng  t he  r es u l t s   of   t he  ex per i m ent s ,   w e pr es e nt  a s i m pl e di s c us s i on of  our   al gor i t hm .     4 . 1.   E x p e r i m e n t S e tti n g   T he s t r uc t ur e  of   our  H LS  s y s t em  i s   depi c t ed  i n  F i g ur e   1 a nd  c ons i s t s   of   t hr ee   c o m ponent s ,   i . e. ,  a H L S  s e r v er ,  a H LS  c l i e nt  a nd  w i r e d l oc a l  ar e a net w or k  ( LA N ) .  O n t he s er v er   s i de,  t he or i gi na l  v i deo  w as  enc oded i n C B R  m ode t o pr oduc e 20 a v a i l ab l e bi t r a t e v e r si o n s f r o m   100 t o 20 00 K bps   w i t h a  s t ep of  100  K bps .  I n ad di t i on,   eac h  v er s i o n  w as   c hoppe d i nt o   s egm ent s   of   t he  s am e  dur at i o n  of   5  s ec onds   ( i . e. ,   =5 τ ) .   A l l   s egm ent s   and  m ani f es t   f i l es   w er e   s t or ed on  t he  v er s i on  2. 4. 9 A p ac he H T T P  s er v er  t h at  i s  i nt e gr at e d i nt o  Mac   Mi n i  1 0. 10 . 2.   Mor eo v er ,   t he  s er v er ’ s  T i m eout  w as  s e t  t o  60  s  f or  al i v e c on nec t i ons .  O n  t h e  c l i e nt  s i de,   t he  c l i en t  w as  i m pl em ent ed on  t h e A ndr o i d 4. 4. 2  p l at f or m .   A l l  ada pt at i o n  a l gor i t hm s   w er e  i m pl em ent ed on  t he c l i ent .  T hr e e s egm ent s  w i t h t he  f our t h bi t r at e  i nd ex   w er e  b uf f er ed bef or e  t he s t ar t  of  v i d eo pl a y b ac k .  E ac h s ubs eq uent  r e ques t   w as  s ent  af t er  t he l as t  s eg m ent  had been  c o m pl et e l y  r ec e i v ed.  P ar t i c ul ar l y ,   w h en t h e buf f er  l ev el  w ou l d b e l ar g er  t han t h e t a r get  buf f er ,  an   i dl e de l a y  bef or e t h e s end i n g of  t he nex t  r equ es t  w as  s et  t o ac c ount  f or  a l i m i t ed buf f er   c apac i t y .   I n our   ex per i m ent s ,   t h e t ar get  b uf f er  w as  s et   t o  7 s e gm ent  dur at i ons .   W i r ed LA N   i s  b ui l t  b y   a  T P - LI N K  r out er  an d t her e  ar e no ot h er  dev i c es  ex c ept  a H LS  s er v er  and a H L S  c l i e nt  i n t h i s   L AN .         Wi r e d  L A N HL S  S e r v er HL S  C l i en t D um m y N e t       F ig ur e   1 .   T es t bed  or gan i z at i on f or  ex per i m ent s       F or  a f ai r   c o m par i s on,  di f f er ent  al g or i t hm s  s houl d be e v a l uat ed un der  t he s am e n et w or k   c ondi t i o ns .   T he  D um m y N et   net w or k   e m ul at or   [ 18 ]   w as   us ed  t o  c on t r ol   t he  a v a i l ab l e  b and w i dt h.   T hi s   e m ul at or   i s   eas i l y   c o nf i gur e d  on  W i ndow s .   T o  c o nt r ol   t h e  av ai l ab l e  ba nd w i dt h  on  t he  c l i ent   s i de  i n a  s i m pl e m anner ,  bot h  D um m y N et   and  our  c l i e nt   w er e  i ns t al l ed  on  a  W i ndow s  7   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                            I SSN :  1 6 9 3 - 6 930   T E L KO M NI K A     V o l.   14 ,  N o .  3,   S ept em ber  2016  :   9 04   –   91 5   910   P r of es s i ona l  des k t op  w i t h  a 3. 1 0 G H z  I nt el   C or e  i 3  C P U  a nd  4 G B   of  R A M.  I n ad di t i on ,  an   A ndr o i d  v i r t ua l  m ac hi ne  w a s  need ed t o r un  our  c l i en t  o n  W i ndow s .         4 . 2 .   T h r o u g h p u t E s ti m a ti o n  E x p e r i m e n t   B ef or e our   bi t r at e ada pt at i on a l gor i t hm  w as  i nv es t i g at ed,  o ur  t hr oug hput  es t i m at i on  m et hod w as  e v a l ua t ed s e par at e l y   i n t hi s  ex per i m ent .  T he t w o t hr oug hput   es t i m at i on  m et hods   pr opos e d  i n  [ 7 ]   an d  [ 9 ]   w er e  i m pl em ent ed  t o  dem ons t r at e  t he  ef f ec t i v en es s   of   ou r   m et hod.   F or   s i m pl i c i t y ,  t he  m et hods  of   [ 7 ]   an d  [ 9 ]   ar e c a l l e d t h e D F I  m et hod  a nd  t he  T hang  m et hod,   A l gor i t hm  1    B i t r at e s el e c t i on   al g or i t h m     I nput :   ,, , l as e c u r t R I nde x TT B       O u tp u t:  n e x t R I nde x   1:   b e s t or i l as t R I nde x R I nde x D − =     2:   n e x t b e s t R I nde x R I nde x =     3:   i f  0 or i D ≥   th e n   4:         i f  c u r m i d BB ≤   th e n   5:               n e x t l a s t R I nde x R I nde x =   6:         el se   7:               i f  c h g D i f I nde x I nde x ≥   th e n   8:                     n e x t l a s t c h g R I nde x R I nde x I nde x = +     9:               el se   10:                     i f      && b es t e c ur m ax R I nde x B R T B ≥<   th e n   11:                              1 n e x t b e s t R I nde x R I nde x = +     12:                     e n d i f   13:               e n d i f   14:         e n d i f   15:   el se   16:         i f  c u r m i n BB ≤   th e n   17:               w h i le   b es t R I nde x RT >   th e n   18:                       1 b e s t b e s t R I nde x R I nde x = −     19:               e n d w hi l e   20:                 n e x t b e s t R I nde x R I nde x =     21:         el se  i f   c ur m ax BB ≤   th e n   22:               0 k =     23:               w h i le   () ( / 1) * la s t R I nde x k c ur m i n R T BB τ − − >−   th e n   24:                     1 kk = +   25:               e n d w hi l e   26:               i f  c h g D i f I nde x I nde x ≤   th e n   27:                     ( ) 1 , n e x t l a s t b e s t R I nde x m i n R I nde x k R I nde x − + =     28:               el se   29:                       (, ) ne x t l as t l as t c hg R I nde x m i n R I nde x k R I nde x I nde x = −−     30:               e n d i f   31:         el se   32:               i f  c h g D i f I nde x I nde x ≤   th e n   33:                       n e x t l a s t R I nde x R I nde x =     34:               el se   35:                     1   n e x t l a s t R I nde x R I nde x − =     36:               e n d i f   37:         e n d i f   38:   e nd i f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI K A     I S S N :  1 693 - 6 930       T ow ar ds  S moo t h a nd  H ig h - Q ual i t y   B i t r at e  A d apt a t i on f or  H T T P   A da pt i v e …   ( Li hon g G eng )   911   r es pec t i v el y .  C om pl ex   n et w or k   c ondi t i ons   w i t h  bot h  l ar g e  f l uc t u at i ons   and  s h or t - t e rm   f l uc t uat i ons  w er e   em ul at ed  us i ng D um m y N et .   I n  our   m et hod,   i n  or der   t o  obt a i n  a  s m oot h  es t i m at i on  w he n  0.1 ρ <   and  an  a ggr es s i v e  es t i m at i on w hen   0.2 ρ > ,   M   an d  0 ρ   w er e s et  t o 2 1  and  0. 1 67,  r es pec t i v e l y .  I n  pr ac t i c e ,   w e  r egar d  t he  f l uc t u at i ons   w hi c h ar e  l es s  t h an  one  s t ep  of  bi t r at es  ( 100  K bps  i n o ur  ex per i m ent s )  as   t he  s hor t - t er m   f l uc t uat i ons .   T her ef or e,   nor T   w as   s et   t o  10 00  K b ps   ac c or di n g  t o  t h e  as s u m pt i on  bel o w  eq uat i on ( 6)  i n s ec t i on  3. 1.   mi n B   and  ma x B   w er e s et   t o 1 an d 4 s egm ent  dur a t i ons ,   r es pec t i v el y .   T he  ex per i m ent al   s et t i n gs   f or   t he  D F I   met ho d  and  t h e  T hang  m et h od  w er e  s et   as   des c r i bed  i n  [ 7 ]   and  [ 9 ] .   S p ec i f i c al l y ,   i n  t he  D F I   m et ho d,   c   w as   s et   t o  0. 1 6 7  f or   f ai r nes s   and  ε   w as  s et  t o  0. 0 5 t o  obt ai n  t h e opt i m al  r es ul t s .         ( a)  E s t i m at ed t hr o ugh put     ( b)  A da pt ed  b i t r at e        ( c )  B uf f er  l ev el     F i gur e   2 .   C om par i s on of  di f f er ent  t hr ou ghp ut  es t i m at i on m et hods       F ig ur e   2 (a ),  F i g ur e   2( b)   an d  F i g ur e   2( c )   c om par e  t he  r es ul t s   i n  t er m s   o f   t he  es t i m at ed   t hr oug hpu t ,  ada pt e d bi t r a t e   and buf f er  l ev e l ,  r es pec t i v el y .  N ot e t hat  t h e ban d w i dt h c ur v e i n e ac h  of  t he f ol l o w i n g f i gur es  r epr es ent s  t he t he or et i c a l  c a pa c i t y   of  t he  l i nk  ( c ont r ol l ed  b y   D um m y N et ) ;   t he es t i m at ed t hr o ugh put s   ar e t h e r es ul t s  of  t he  di f f er ent  t hr o ug hput  es t i m at i on  m et ho ds ;  t he   adap t ed  b i t r at e  i s   t he  h i g hes t   v a l ue  t h at   i s  l o w er   t han  t he  es t i m at ed t hr o ugh put ,  s h o w n  as   equa t i o n ( 12) ;  an d t h e b uf f er  l ev e l ,   w hi c h  i s  s ho w n  on t h e r i ght   v er t i c al   ax i s  i n F i g ur e   2 (c ),   r epr es ent s  t h e c ur r ent   buf f er  s t at e  i n s ec on ds .   T he f ol l o w i ng  b eh av i or s  c an b e obs er v ed  f r o m  t hos e f i gur es .  I n t he c as e  of  l ar ge   f l uc t uat i ons  ( e. g. ,  6 0 - 80 s  and 22 0 - 24 0 s ) ,  t he es t i m at ed t hr o ug hput s  of  al l  m et hods  r es pon d  qui c k l y   as   a  r es ul t   of   t he  d y n am i c   c ont r ol   s t r at eg i es .   F or   t hi s   r eas on,   t h e y   a l l   h a v e  r eas o nab l y   s af e  buf f er s   ( hi gher   t h an  8   s ) .   H o w e v er ,   i n  t he  c as e   of   s hor t - t er m   f l uc t uat i ons   ( e. g. ,   11 5 - 190   s   and  2 57 - 3 32  s ) ,   t h e  t hr o ughp ut   es t i m at ed  b y   t he   D F I   m et hod  v ar i es   f r equent l y   w i t h  t h e   f l uc t uat i ng ba nd w i dt h,   w h i c h c aus es  f l uc t uat i o ns  i n t he ad apt e d b i t r at es .  T he  T hang m et hod   obt a i ns   s m oot h es t i m at es   at   hi gh  ba nd w i dt hs   ( e. g. ,   2 57 - 33 2  s )   but   f l uc t uat i ng  e s t i m at es   w hen   t he  ban d w i dt h  i s  l o w  ( e . g . ,  11 5 - 190  s ) .  B y  c o nt r as t ,  t he  pr op os ed m et hod  o bt ai ns  s m oot h   es t i m at es   f or   al l   s h or t - t er m   f l uc t uat i ons   b y   v i r t ue   of   t h e  ap pr opr i at e   des i gn   of   t he   nor m al i z at i on   f ac t or   nor T .   T her ef or e,   t he  pr op os ed  m et hod  ac hi e v es   t h e   s m oot hes t   adap t ed  b i t r at e .   I n  s hor t ,   0 50 100 150 200 250 300 350 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 T i me  (s ) B i t r at e ( K bps )     B an dw i dt h D F I  M et h od T h an g M et h od P r opos ed M et h od 0 50 100 150 200 250 300 350 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 T i me  (s ) B i t r at e ( K bps )     B an dw i dt h D F I  M et h od T h an g M et h od P r opos ed M et h od 0 50 100 150 200 250 300 350 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 B i t r at e ( K bps )     0 50 100 150 200 250 300 350 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 T i me  (s ) B uf f er  l ev el  ( s ) B an dw i dt h D F I  M et h od T h an g M et h od P r opos ed M et h od Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                            I SSN :  1 6 9 3 - 6 930   T E L KO M NI K A     V o l.   14 ,  N o .  3,   S ept em ber  2016  :   9 04   –   91 5   912   t he  pr o pos ed  m et hod  ac hi e v es   a  s m oot h  r es pons e  t o  s hor t - t er m   f l uc t uat i o ns   and  a  f as t   r es pons e t o   l ar ge f l uc t u at i o ns .     4 . 3 .   B i tr a te  A d a p ta ti o n  A l g o r i th m   E x p e r i m e n t   T he s ec ond ex per i m ent  w as  c onduc t ed t o i n v es t i gat e t he per f or m anc e of  our  bi t r at e  adap t at i on  al gor i t hm ,  i . e. ,  t he b i t r at e  s el ec t i o n a l gor i t h m  gi v en t h e t hr oug hput  es t i m at i on m et hod  i n v es t i ga t e d ab ov e.  A s  de s c r i bed abo v e,  our  b i t r at e  s el ec t i o n al gor i t hm  al r ead y  i nc l u des  a   s t r at eg y  f or  pr e v e nt i ng  buf f er  under f l o w .  T her ef or e,  t o bes t   i l l us t r at e  t he  per f or m anc e of  our   bi t r at e s el ec t i o n a l g or i t hm ,  t he p ar am et er   N   w as  s et  t o 1   f or  t hi s  ex per i m ent .  T he o t h er  s et t i ngs   w er e t h e s am e as  i n  t h e pr ev i ous   ex per i m ent .  F ur t h er m or e,  i n our   bi t r a t e s e l ec t i o n a l gor i t hm ,  w e  s et   mi n B ,  mi d B   and  ma x B   t o  1. 5,   2  and  6   s egm ent   dur at i o ns ,   r es pec t i v el y .   T he  bi t r at e  t hr es h ol ds   Lo w Th R ,  Mi d T h R   an d  Hi g T h R   w er e  s et  t o  70 0,  1 00 0 an d 15 00  K b ps ,  r es pec t i v el y .       A no t her  b i t r at e ad apt at i o n al gor i t hm  w i t h  goo d p er f or m anc e,   Q AAD   [ 10 ] ,  w hi c h  es t i m at es  t hr ough put   bas e d on s am pl es  of  t he  do w nl o ad t hr oug hpu t ,   w as   i m pl em ent ed f or   c o m par i s on.  T he  ex per i m e nt al  s et t i ngs   w er e t h e s am e as  i n  [ 10 ] .  I n par t i c ul ar ,  t he pr edef i n ed   m ar gi nal  b uf f er  l engt h  µ   w as  s et  t o  5 s egm ent  d ur at i ons  and  t he  m i ni m u m  buf f er  l engt h  δ   wa s   s et  t o 1. 5 s egm ent  dur at i on s  f or  t hi s  ex per i m ent .   C om pl ex  net w or k   c ondi t i o ns  w i t h bot h l ar ge f l uc t u a t i ons  an d s hor t - t er m  f l uc t uat i ons   w er e  em ul at e d  us i ng   D um m y N et .   T he  r es u l t s   i n  t er m s   of   t he  a dapt ed  bi t r a t es   a nd  b u f f e r   le v e ls   ar e c om par ed i n F i gur e   3.  T he a dap t ed  b i t r at es   a r e t he  o ut pu t s  of  t he  b i t r at e  ada pt at i o n   al g or i t hm s .     F ro m  F i g u re   3( a) ,   w e c a n s ee t hat   w he n  ban d w i dt h  i s   s har pl y  d ec r eas i n g ( e . g. ,  1 86 - 20 6  s  and 3 01 - 32 1 s ) ,  t he  Q A A D  a l gor i t hm  r es ul t  i n l ar g e c han ges  i n bi t r at e ( e . g. ,   214 - 2 31 s  an d  342 - 3 58 s )  bec a us e i t  i ni t i al l y   at t em pt s  t o c han ge  q ual i t y   w i t h t he s m al l es t  p o s s i bl e s t e p i n   bi t r at e.  B y  c ont r as t ,  t he  pr o pos ed a l g or i t hm  at t em p t s  t o ens ur e t hat  e ac h qu al i t y   c hange  i s  s af e.   T hi s   m eas ur e  ac hi ev es   s m oot h er  c hang es   i n  qu al i t y .   Mor eo v er ,  t h e  pr op os ed  a l gor i t hm   has   a   f as t er  r eac t i on  t i m e i n  r ea c hi ng  t he  o pt i m al  b i t r at e ( e. g. ,  0 - 48  s ,  2 66 - 3 23 s   a nd 3 64 - 4 19 s ) .   T hus ,  t he pr opos ed  al gor i t h m   y i el ds  a hi gher  a dapt ed  bi t r at e.  F r om  F i g ur e   3( b) ,  i t   i s  ev i de nt  t ha t   t he pr o pos e d a l gor i t hm  ac hi e v es  a s af e b uf f er .         ( a)  A da pt ed  b i t r at e     ( b)  B uf f er  l ev e l   F ig ur e   3 .   C om par i s on of  di f f er ent  bi t r a t e a dap t at i on  al g or i t hm s       T o  m or e c l ear l y   i l l us t r a t e  t he a dv ant ages   of  t he pr opos ed  al gor i t hm ,  f i v e ad di t i on al   ex per i m ent s   w er e  c on duc t ed.   W e ev al u at e d  t h e p er f or m anc e  bas ed  on   t he  a v e r age  v a l ues   of   t he  f i v e  s et s   of   r es ul t s .   S ev er a l   s t at i s t i c s   r egar d i ng  t h e  t es t ed  al gor i t hm s   ar e  pr o v i ded  i n  T abl e  1.  T he bi t r at e  v a l u es  ar e s ho w n  i n t h e f i r s t  t hr ee  r o w s  i n uni t s  of  K bps .  T he ne x t  t hr ee r o w s   c onc er n  t he  b uf f er   v al ues ,   and  t h e  r es ul t s   i n  t er m s   o f   qua l i t y   c han ges   ar e  s ho w n   i n  t he  l as t   t w o  r ow s .   T he  “ Max i m u m   c hange  i n  b i t r at e”   i n  t he  t hi r d  r o w   i s   t h e  l ar g es t   bi t r at e  di f f er enc e  bet w een   an y  t w o c ons ec ut i v e s egm ent s .  T he s t andar d  de v i a t i on ( S T D )  i n t he s ec o nd a nd f i f t h r ow s  i s   us ed t o qu ant i f y  t h e am oun t  of  v ar i at i on  of  t he  bi t r at e  a nd b uf f er .   T he “ N um ber  of  uns af e qu al i t y   0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 T i me  (s ) B i t r at e ( K bps )     B an dw i dt h Q AAD  M e t h o d P r opos ed M et h od 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 B i t r at e ( K bps )     0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 T i me  (s ) B uf f er  l ev el  ( s ) B an dw i dt h Q AAD  M e t h o d P r opos ed M et h od Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI K A     I S S N :  1 693 - 6 930       T ow ar ds  S moo t h a nd  H ig h - Q ual i t y   B i t r at e  A d apt a t i on f or  H T T P   A da pt i v e …   ( Li hon g G eng )   913   c hanges ”  r ep or t ed  i n  t he  l as t  r o w  r ef er s  t o c hang es  i n q ua l i t y  t hat  ar e out s i d e of  t he s af e  v ar i at i on r a nge  of  t he c ur r e nt  b i t r at e.       T abl e 1.   S ta ti s ti c s  o f   A v er a ge V al ues  o f  F i v e  E x per i m ent s   S ta t i s t i c s   Q AAD   P r opos ed al gor i t h m   I m pr ov e m ent  r a t e   A v er age bi t r at e ( K bps )   1122   1232   9. 8%   S T D  o f b i tr a te s   ( K b / s )   532   450   15. 4%   M a x i m u m  c hange  i n  bi t r a t e ( K bp s )   937   408   56. 5%   A v er age buf f er  l ev el  ( s )   29. 8   21. 7   - 27. 2%   S T D  o f  buf f er  l ev el  ( s )     7. 78   7. 01   9. 9%   N um ber  o f  i n t er r upt i ons   0   0   0%   N um ber  o f  qual i t y   c hanges   52. 6   31. 4   40. 3%   N um ber  o f  un s af e  qual i t y   c hanges   2. 6   2   23. 1%       F ro m   t he   s t at i s t i c s ,   w e c a n s ee t ha t  t he Q A A D   al g or i t hm  has  a hi g her  buf f er  l ev el   bec aus e  of   i t s   c ons er v at i v e   s t r at eg y   an d  t hat   ne i t h er   al gor i t hm   s u f f er s   an y   i nt er r u pt i o ns .   I n  f ac t ,   a hi gh er  buf f er  w i t h no i nt er r upt i ons  does   not  pr o v i d e a bet t er  Q oE  f or  t he us er .   B ec aus e t he  us er   w i l l  no t  n ot i c e  a  c han g e i n t he  buf f er  l ev el   un l es s   t he  buf f er  i s  ex ha us t ed.  A s   ex pec t ed,  t h e  pr opos e d a l gor i t hm  r es ul t s  i n f e w er  ( uns af e)  qu al i t y   c ha nges ,  s m al l er  m ax i m u m   c hange  i n  bi t r at e  and  l o w er   S T D   of   bi t r at es ,   w hi c h  i m pl i es   t hat   o ur   bi t r at e  a dapt at i on  a l gor i t hm   c an  obt ai n  s m oot her  v i deo  qua l i t y .  F ur t her m or e,  t he pr opos e d al g or i t hm  ac hi ev es  a hi gher  a v er ag e b i t r at e.   A l l  of  t h es e r es u l t s  c onf i r m   t hat   t he  pr op os ed  al gor i t hm  ac hi ev es  a c o ns i d er ab l e  a dv a nt a ge  ov er   t he Q A A D   al gor i t hm .     4 . 4 .  D i scu s si o n   A s   m ent i one d  a bo v e,   a t hr ough put   es t i m at i on  m et hod s hou l d  be  s t abl e  i n  t he  c as e  of   s hor t - t er m   f l uc t uat i ons   w hi l e a l s o r eac t i n g q ui c k l y  t o  l a r ge f l uc t ua t i o ns .  T he m et ho d pr o pos ed  i n   [ 6 ]   ac h i e v es  s m oot h es t i m at i on f or  s hor t - t er m   f l uc t uat i ons  b ut  f ai l s  t o  c o pe  w i t h  l ar ge  f l uc t uat i ons .  T he D F I   m et hod an d t he T han g m et hod  r es pond  q ui c k l y  t o  l ar ge f l uc t uat i ons  b ut   y i e ld   f lu c t uat i ng   es t i m at es   i n  t he  c as e  of   s hor t - t er m   f l uc t uat i o ns .   T he  r es ul t s   of   t he  f i r s t   ex per i m ent   s ho w   t hat   o ur   t hr ough put   es t i m at i on  m et ho d  beh av es   w el l   f or   bot h  s hor t - t e rm   f l uc t uat i ons  an d l ar ge f l uc t u at i o ns .     I n our  t hr oug hpu t  es t i m at i on m et hod,   nor T   i s  dec i d ed b y   t h e s t ep of  b i t r at es .   A l l   t he  s t eps   ar e  equ al   i n  o ur   ex p er i m ent s .   W hen  t he  s t eps   ar e  n ot   e qua l ,   t h i s   s i t u at i o n  ne eds   f ur t her   r es ear c h;  f or  ex am pl e,  t h e s m al l es t  s t ep c a n b e c hos en t o d ec i d e  nor T .  B es i de s ,  f r o m  t he   obs er v a t i ons ,   w e no t e t ha t  t he nor m al i z at i on f ac t or   nor T   pl a y s  a n i m por t ant  r ol e i n t h e  es t i m at i on   of  s hor t - t er m   f l uc t uat i ons  and t he p ar am et er   M   pl a y s  an i m por t ant  r ol e i n t he e s t i m at i on o f  l ar ge f l uc t ua t i o ns .   W i t h  f ur t her  r es ear c h,  a d y nam i c  s c hem e  c an be des i gn ed f or  det er m i ni ng  nor T   and  M   bas e d on  t he  c har ac t er i s t i c s  of  di f f er ent  net w or k s .     T he al gor i t hm  pr opos ed i n  [ 19 ]   at t em pt s  t o  m ai nt ai n a  s t abl e b i t r at e t o ens ur e a s m oot h   bi t r at e.  H o w e v er ,  t hi s  s t r at eg y   c aus es  e v e nt ua l   abr up t   c hang es   i n  b i t r at e   i n  t h e  c as e of  l ar ge,   r api d d ec r eas es  i n t h e av a i l a bl e t hr ou ghp ut .   W hen   t he av a i l ab l e t hr o ugh put  i s  i nc r eas i ng ,  t he  Q A A D  a l gor i t hm  c hanges  t he qua l i t y   w i t h t h e s m al l es t  pos s i bl e s t ep t o ac h i e v e a  s m oot h bi t r at e.   H o w e v er ,   t hi s   s t r at eg y  do e s   not   t ak e  f ul l  ad v a nt ag e  o f   t he  a v a i l ab l e ban d w i dt h.   T he  pr opos e d   bi t r at e ada pt at i o n al g or i t h m  c hanges  t he qua l i t y   w i t hi n t h e s af e v ar i at i o n r ang e of  t he c ur r ent   bi t r at e.   T hi s   s t r at eg y   av oi d s   abr upt   c h an ge  i n  bi t r at e  and  get s   a   hi gh  ban d w i dt h   ut i l i z at i on .   T he   r es ul t s   of   t he   s ec ond   ex per i m ent   i nd i c at e   t ha t   our   al go r i t hm   c an  get   h i g her   a v er a ge  q ua l i t y   a nd  s m oot her   v i d eo  qu al i t y .  I t   s houl d b e  not e d t hat  t h e t hr es hol ds  us e d t o d ef i ne   our  p i ec e w i s e  f unc t i on  ar e  s ui t abl e  f or   s l ow - m ot i on  [ 16 ]   v i deos   an d  s om e  f as t - m ot i on  v i de os .   T h us ,   f or   v i deos   w i t h f as t er  m ot i on,   t hes e  t h r es hol ds  s h oul d b e r es et   b as ed o n t h e J N D .   I n m os t  bi t r at e  ad apt at i on   al gor i t hm s ,   m   di f f er ent   v i d eo q ua l i t i es  m us t  i ne v i t ab l y   b e  t r av er s ed  t o  s el ec t   t h e  bes t   bi t r at e  (   b es t R I nde x R ) .   T hi s   i s   al s o  t r ue  of   our   al gor i t hm .   T her ef o r e,   our   a lg o r it h m ’s  t im e  c o m p le x it y  is   () Om ,  i den t i c a l  t o  t hat  of  t he  Q A A D   al gor i t hm .   I n t hi s  p aper ,   w e f oc us ed p ur el y  on  i m pr ov i ng t he p er f or m anc e of  our  bi t r at e  ada pt at i on  al g or i t hm  f or  a s i ngl e c l i e n t .  H o w e v er ,   t he c as e  of   m ul t i pl e c l i ent s   i s  bot h m or e pr ac t i c al   and   m or e c hal l e ng i ng  [ 20 ] .  T he ques t i on of  ho w  t o ac h i e v e a ba l a nc e bet w een  ef f i c i enc y  a nd   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.