云游戏方案之解码端排队队列调优

2023-11-27 本文已影响0人 myxu_bin

概述

论文：Enabling High Quality Real-Time Communications with Adaptive Frame-Rate
这篇论文研究了如何为高质量的实时通信(RTC)应用优化解码器队列延迟。主要内容和贡献总结如下:
引言部分指出,随着5G等新网络技术的发展,高清和高帧率的实时通信应用日益普及,如云游戏、虚拟现实等。这些应用对端到端延迟要求极高(约100ms)。
作者通过实测发现,在这些应用中,解码器队列经常出现拥塞,成为延迟的主要来源。这是由于高帧率增加了帧的到达速率,而高清的视频解码时间更长,两者共同导致了解码器队列利用率过高。
作者提出了自适应帧率控制器(AFR),它可以动态调整帧率,减少解码器队列的排队延迟。AFR包含两个控制器:固定控制器根据解码速率预测潜在的排队延迟;瞬变控制器则根据实际队列状态做出反应。
在仿真和实际部署中对AFR进行了评估。结果显示,AFR可以将排队延迟的99分位数量降低7.4倍,将严重排队的帧比例降低26倍;同时也减少了总体延迟,提高了用户体验。
AFR已在云游戏产品中使用超过一年,为数万用户提供服务。

原理

AFR中的两个控制器具体如下:

固定控制器(Stationary Controller)
这个控制器的目的是预测和控制解码器队列的常态排队延迟。它的工作流程如下:

(1) 测量视频帧的到达间隔(enqueue 过程)和解码延迟(dequeue过程)的统计值,包括平均值和方差。

(2) 根据这些统计值,利用Kingman公式预测解码器排队的预期延迟。

(3) 根据预期延迟和目标延迟,计算出目标帧率,以减少排队延迟。

这样设计的好处是可以提前感知到解码器负载的变化,比直接测量排队延迟响应更快。同时使用了双EWMA滤波,可以平衡测量的敏感性和稳定性。

瞬变控制器(Transient Controller)
这个控制器的目的是处理突发的排队延迟增加,例如解码卡顿或网络突发。它的工作原理如下:

(1) 根据当前队列最前端帧的等待时间,判断当前增加的排队延迟是由解码还是网络造成的。

(2) 如果是解码卡顿,那么大幅降低目标帧率以减轻解码器压力;如果是网络突发,则不调整帧率。

这样设计的好处是可以区分不同原因导致的突发排队增加,做出不同的控制,避免过度反应。

总体来说,两个控制器作为层次式控制的不同层次,能够合作应对解码器排队延迟的各种变化, Keep 一个 Ultra Short的排队延迟。

kingman公式

Kingman公式是评估G/G/1队列的平均排队延迟的一个经典近似公式。其表达形式为:

$E[t_{queue}] \approx \frac{\rho}{(1-\rho)\mu_s}(c_a^2+c_s^2)$

其中:

$E[t_{queue}]$ :平均排队延迟
$\rho$ :系统利用率,定义为 $\rho = \lambda/\mu$ ,即到达率 $\lambda$ 与服务率 $\mu$ 的比值
$\mu_s$ :平均服务时间
$c_a$ : $c_a = \sigma_a/\mu_a$ ,到达过程变异系数, $\sigma_a$ 是到达间隔的标准差, $\mu_a$ 是平均到达间隔
$c_s$ : $c_s = \sigma_s/\mu_s$ ,服务过程变异系数,其定义方式与 $c_a$ 相同
可以看出,平均排队延迟与以下因素相关: