近日，快手與清華大學(xué)孫立峰團(tuán)隊聯(lián)合發(fā)表論文《Towards User-level QoE: Large-scale Practice in Personalized Optimization of Adaptive Video Streaming》，被計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的國際頂尖學(xué)術(shù)會議 ACM SIGCOMM 2025 錄用。該論文提出了一種創(chuàng)新的視頻流優(yōu)化系統(tǒng) ——靈犀系統(tǒng)，這是業(yè)界首個成功部署在大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境中、面向用戶個性化體驗的自適應(yīng)視頻流優(yōu)化系統(tǒng)。

• 論文：《Towards User-level QoE: Large-scale Practice in Personalized Optimization of Adaptive Video Streaming》
• 論文地址：https://dl.acm.org/doi/10.1145/3718958.3750526

ACM SIGCOMM是全球計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域歷史最悠久、聲望最高的旗艦學(xué)術(shù)會議之一。該會議對論文的質(zhì)量和創(chuàng)新性有著極為嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)，每年錄用率極低。入選 SIGCOMM 的論文通常代表了網(wǎng)絡(luò)研究的最新突破和未來方向，不僅要求研究工作具有堅實的理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)性的實踐驗證，更強(qiáng)調(diào)其對學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的深遠(yuǎn)影響。歷史上，從奠定互聯(lián)網(wǎng)基石的 TCP/IP 協(xié)議到引領(lǐng)網(wǎng)絡(luò)變革的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）等諸多里程碑式的技術(shù)，都曾在 SIGCOMM 上首次亮相，深刻推動了全球網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與演進(jìn)。

視頻流體驗的個性化優(yōu)化在學(xué)術(shù)界與工業(yè)界已進(jìn)行諸多探索。然而，現(xiàn)有的方法在真實的大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境部署中，常常面臨著一些根本性制約，如顯式用戶評分干擾用戶體驗、控制帶寬進(jìn)行播放干預(yù)導(dǎo)致體驗受損、優(yōu)化不連續(xù)以及難以規(guī)模化等。靈犀（LingXi）系統(tǒng)的設(shè)計初衷便是為了系統(tǒng)性地攻克這些難題，實現(xiàn)一個真正可部署、可持續(xù)、無打擾的個性化 QoE 優(yōu)化框架。如下表 1 清晰地展示了靈犀系統(tǒng)與既往方法的核心區(qū)別：

表 1：靈犀系統(tǒng)與既有工作的核心區(qū)別

一、背景：從傳統(tǒng) QoS 到個性化 QoE 的轉(zhuǎn)變

1. 系統(tǒng)級 QoS 優(yōu)化的性能瓶頸

為了驗證傳統(tǒng) QoS 優(yōu)化方法的局限性，我們進(jìn)行了一項為期數(shù)天的大規(guī)模線上 A/B 測試。實驗組采用兩種不同的 QoS 優(yōu)化傾向：Alg2（基線）、Alg3（優(yōu)先保障視頻質(zhì)量）、Alg1（優(yōu)先降低卡頓）。如圖 1 所示，盡管各算法在具體 QoS 指標(biāo)（圖 1-a；1-b）和線性 QoE 模型（圖 1-c）上表現(xiàn)出差異，但在最核心的真實用戶體驗指標(biāo) —— 總觀看時長（圖 1-d）上，沒有任何算法表現(xiàn)出持續(xù)且具有統(tǒng)計顯著性的優(yōu)勢。這一結(jié)果證明，在現(xiàn)代視頻流系統(tǒng)中，僅提升系統(tǒng)級的 QoS 指標(biāo)已難以直接轉(zhuǎn)化為真實用戶體驗的改善，傳統(tǒng)的優(yōu)化路徑已趨于飽和。

(a) 目標(biāo) 3 實現(xiàn)了最高的視頻質(zhì)量

(b) 目標(biāo) 1 實現(xiàn)了最低的卡頓時間

(c) 目標(biāo) 1 實現(xiàn)了最高的線性 QoE 分?jǐn)?shù)

(d) 沒有算法可以取得明顯的觀看時長提升

圖 1：A/B 測試中具有不同優(yōu)化目標(biāo)的算法獲得的 QoS 和 QoE。

2. 識別關(guān)鍵 QoE 影響因子：聚焦 “卡頓”

為了尋找新的優(yōu)化突破口，我們必須理解不同 QoS 指標(biāo)對用戶行為的真實影響。我們以 “用戶退出率” 作為衡量 QoE 的細(xì)粒度指標(biāo)，分析了上百萬條真實播放軌跡。

(a) 視頻質(zhì)量

(b) 視頻流暢性

(c) 整體卡頓時間

(d) 復(fù)合效應(yīng)下的卡頓時間

圖 2：QoS 指標(biāo)對退出率的影響。

如圖 2 所示，我們發(fā)現(xiàn)不同 QoS 指標(biāo)對退出率的影響存在顯著的量級差異：

• 視頻質(zhì)量 (圖 2-a)：影響量級在 10?3。
• 視頻平滑度 (圖 2-b)（碼率切換）：影響量級在 10?2。
• 卡頓時長 (圖 2-c)：影響量級在 10?1，是前兩者的 10 倍乃至 100 倍。

結(jié)論 1：在所有 QoS 指標(biāo)中，卡頓事件是影響用戶體驗的最主要負(fù)向因素。由于其影響的權(quán)重遠(yuǎn)超其他因素，且用戶行為本身存在大量與 QoS 無關(guān)的噪聲，因此，對影響較小的指標(biāo)進(jìn)行個性化建模極易被噪聲淹沒。一個有效的個性化 QoE 優(yōu)化系統(tǒng)，必須將建模的重心放在用戶對卡頓的響應(yīng)上。

3. 驗證個性化優(yōu)化空間：用戶感知的 “千人千面”

在確定卡頓為核心優(yōu)化目標(biāo)后，我們進(jìn)一步探究了用戶對卡頓的感知是否存在個體差異。

(a) 平均可容忍卡頓時間的累積分布

(b) 用戶在遇到不同卡頓時間時的案例

圖 3：卡頓的個性化感知。

如圖 3 (a) 所示，用戶平均可容忍卡頓時長的累積分布函數(shù)表明，用戶間的卡頓容忍度差異巨大，并且具有一定穩(wěn)定性。同時，圖 3 (b) 展示了不同用戶的真實反應(yīng)曲線，清晰地呈現(xiàn)出三種模式：敏感型（卡頓輕微增加，退出率即飆升）、閾值敏感型和不敏感型。

結(jié)論 2：用戶對卡頓的感知和容忍度存在顯著的、穩(wěn)定的個體差異性與時間動態(tài)性。這為實現(xiàn)用戶級的個性化 QoE 優(yōu)化提供了堅實的理論基礎(chǔ)和巨大的優(yōu)化空間。

二、算法設(shè)計：靈犀系統(tǒng)的三大核心組件

基于以上洞察，我們設(shè)計了靈犀系統(tǒng)。它并非一個全新的 ABR 算法，而是一個可以與任何現(xiàn)有 ABR 算法兼容的動態(tài)優(yōu)化目標(biāo)調(diào)整模塊。靈犀系統(tǒng)的模塊化架構(gòu)使其能夠便捷地集成到現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)中，不對播放過程進(jìn)行干預(yù)保證了生產(chǎn)環(huán)境安全，基于用戶自然觀看行為無需顯式反饋避免打擾用戶體驗，同時通過實時追蹤用戶偏好變化實現(xiàn)持續(xù)的個性化優(yōu)化。靈犀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 4 所示。

圖 4：靈犀系統(tǒng)概覽

其核心架構(gòu)由三個協(xié)同工作的組件構(gòu)成：

1.在線貝葉斯優(yōu)化(Online Bayesian Optimization, OBO)：參數(shù)的動態(tài)探索者

由于用戶 QoE 與 ABR 參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系是未知的 “黑盒”，并且用戶偏好會隨時間動態(tài)變化。基于這一背景，我們需要一個樣本效率高、能處理黑盒問題并適應(yīng)動態(tài)環(huán)境的算法，即在線貝葉斯優(yōu)化 (Online Bayesian Optimization, OBO)。靈犀系統(tǒng)會為每個用戶獨立運(yùn)行 OBO 過程，利用歷史 “參數(shù) - 體驗反饋” 數(shù)據(jù)點，構(gòu)建高斯過程代理模型來擬合未知的目標(biāo)函數(shù)。通過最大化采集函數(shù)（Acquisition Function），OBO 能夠智能地在 “探索”（嘗試不確定性高的參數(shù)）和 “利用”（選擇當(dāng)前最優(yōu)的參數(shù)）之間進(jìn)行權(quán)衡，為每個用戶持續(xù)迭代尋找當(dāng)前最優(yōu)的 ABR 參數(shù)（如卡頓懲罰因子）。

2. 蒙特卡洛采樣 (Monte Carlo Sampling)：決策的未來模擬器

當(dāng) OBO 給出一個候選參數(shù)后，靈犀系統(tǒng)會啟動蒙特卡洛模擬。它基于用戶歷史網(wǎng)絡(luò)狀況建立帶寬模型，并從當(dāng)前播放器狀態(tài)開始，進(jìn)行多次獨立的虛擬播放。在每次模擬中，系統(tǒng)都使用該候選參數(shù)驅(qū)動 ABR 進(jìn)行決策，并利用退出率預(yù)測器計算每個 segment 的退出概率。最終，通過匯總所有模擬軌跡的平均退出率，來評估該候選參數(shù)的長期影響，從而實現(xiàn)對短期和長期 QoE 的對齊。

3. 混合退出率預(yù)測器 (Hybrid Exit Rate Predictor)：體驗的精準(zhǔn)量化器

圖 5：混合退出率預(yù)測器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

卡頓是影響 QoE 的主導(dǎo)因素，且其與其他 QoS 指標(biāo)（如畫質(zhì)、觀看時長）的交互效應(yīng)復(fù)雜且非線性。因此，我們設(shè)計了一個混合模型來捕捉這種復(fù)雜性，既保證對核心痛點（卡頓）進(jìn)行個性化精準(zhǔn)建模，還有效避免了在低影響因素上的個性化建模所可能引入的噪聲，從而實現(xiàn)了模型性能與魯棒性的平衡。

• 個性化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：專門用于預(yù)測發(fā)生卡頓時用戶的退出率。該網(wǎng)絡(luò)（如圖 5 所示）輸入包括短期播放狀態(tài)（碼率、吞吐量、卡頓時長序列）和長期用戶狀態(tài)（歷史卡頓間隔、歷史卡頓 - 退出間隔），能夠捕捉復(fù)雜的非線性關(guān)系和用戶個體特征。
• 整體統(tǒng)計模型：對于未發(fā)生卡頓的場景，由視頻質(zhì)量、平滑度等影響較小的因素主導(dǎo)，我們使用從全體用戶日志中得到的統(tǒng)計模型進(jìn)行預(yù)測。

三、實驗效果：大規(guī)模 A/B 測試的有力證明

我們在快手平臺上進(jìn)行了為期 10 天的大規(guī)模 A/B 測試，將靈犀系統(tǒng)與生產(chǎn)環(huán)境中經(jīng)過高度優(yōu)化的基線 ABR 算法進(jìn)行對比。

1. 整體 QoE 與 QoS 雙重提升

(a) 總觀看時長

(b) 碼率

(c) 卡頓時間

圖 6：靈犀系統(tǒng)的 A/B 實驗。

實驗結(jié)果顯示，靈犀系統(tǒng)在總觀看時長（QoE）、平均視頻碼率（QoS）、總卡頓時長（QoS）方向上均取得了全面且顯著的性能提升。這證明靈犀系統(tǒng)在優(yōu)化用戶主觀體驗的同時，也協(xié)同改善了客觀服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)。

2. 低帶寬長尾用戶的顯著收益

靈犀系統(tǒng)更大的價值體現(xiàn)在對播放體驗更敏感的低帶寬用戶上。

(a) 在線參數(shù)

(b) 卡頓時間

圖 7：不同帶寬下的靈犀系統(tǒng)性能

如圖 7 所示：

• 參數(shù)自適應(yīng)：在低帶寬（<2000 kbps）區(qū)域，卡頓風(fēng)險高，靈犀自動為用戶分配了更保守的 ABR 參數(shù)；在高帶寬區(qū)域，則采用更激進(jìn)的參數(shù)以追求更高畫質(zhì)。
• 卡頓優(yōu)化效果：在帶寬低于 2000 kbps 的場景下，靈犀系統(tǒng)使卡頓時長減少了約 15%，極大地改善了弱網(wǎng)用戶的觀看體驗。

3. 個性化優(yōu)化的直接驗證

為了驗證靈犀系統(tǒng)在 “因人而異” 優(yōu)化方面的效果，我們分析了用戶的卡頓敏感度與其對應(yīng)參數(shù)之間的關(guān)系。

圖 8：多日卡頓退出率與ABR參數(shù)關(guān)系分析。

如圖 8 所示，用戶的卡頓退出率（衡量其對卡頓的敏感度）與系統(tǒng)為其分配的ABR 參數(shù)之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。即對卡頓越敏感（退出率越高）的用戶，系統(tǒng)分配的參數(shù)越保守，反之亦然。

四、總結(jié)

靈犀（LingXi）系統(tǒng)的成功實踐，標(biāo)志著自適應(yīng)視頻流優(yōu)化范式的一次關(guān)鍵演進(jìn)，即從以往追求單一、靜態(tài)的系統(tǒng)級優(yōu)化目標(biāo)，轉(zhuǎn)向了為成千上萬個動態(tài)、獨立的個性化用戶目標(biāo)提供量身定制的策略，實現(xiàn)了真正的 “千人千面”。

該系統(tǒng)通過混合預(yù)測器、蒙特卡洛模擬與在線貝葉斯優(yōu)化架構(gòu)，精準(zhǔn)量化并持續(xù)適應(yīng)每個用戶的獨特體驗偏好。在覆蓋數(shù)千萬用戶的生產(chǎn)環(huán)境驗證中，這一用戶級優(yōu)化范式不僅帶來了整體 QoE 與 QoS 的雙重提升，更關(guān)鍵的是，它為長期困擾行業(yè)的弱網(wǎng)用戶帶來了高達(dá) 15% 的卡頓減少，并直觀地展現(xiàn)了為不同敏感度用戶匹配差異化策略的能力。綜上，靈犀系統(tǒng)為大規(guī)模、用戶級的個性化 QoE 優(yōu)化提供了突破當(dāng)前行業(yè)瓶頸的關(guān)鍵路徑。