HSDPA系統(tǒng)中一種感知用戶終端緩存狀態(tài)的QoE保障調(diào)度算法

劉 敏，李 波，屈 橋，閆中江

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710129）

伴隨著第三代移動通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和第四代移動通信時代的來臨，以話音業(yè)務(wù)為主的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)市場已經(jīng)趨于飽和，具有視頻和音頻信息，能夠為用戶提供繪聲繪色、圖文并茂的移動信息的移動視頻業(yè)務(wù)必將成為未來移動通信業(yè)務(wù)發(fā)展的核心[1]。運營商在滿足用戶觀看請求的同時，也不斷地考慮提高用戶對業(yè)務(wù)質(zhì)量和性能的綜合主觀感受，也就是從業(yè)務(wù)應(yīng)用的舒適角度定義的用戶體驗 （Quality of Experience，QoE）。通過QoE評分，運營商可以將用戶對視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量和性能進行綜合，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。HSDPA作為WCDMA的升級，能在一個無線載頻上為更多高速率用戶提供服務(wù)，加快了流媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展步伐[2]。

流媒體業(yè)務(wù)是一種對時延和差錯敏感的業(yè)務(wù)類型，因此該業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的帶寬和信道的質(zhì)量有著比較高的要求。在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬和高信道誤碼率制約高質(zhì)量視頻數(shù)據(jù)的傳輸，從而造成移動終端在解碼和播放過程中產(chǎn)生錯誤，影響用戶的QoE體驗。由于無線信道自身的限制和當(dāng)前移動通信技術(shù)的限制，因此在基站中采用合適的調(diào)度算法來保證流媒體業(yè)務(wù)的傳輸從而提高終端用戶的QoE質(zhì)量成為其中的研究熱點。針對這一情況，提出了一種新的調(diào)度算法來滿足用戶的QoE需求。該算法通過從到達基站的數(shù)據(jù)包中讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)幀信息，進而計算出相應(yīng)用戶終端所緩存數(shù)據(jù)尚能支持連續(xù)視頻播放的時間，同時還讀取用戶終端反饋的無線信道狀況信息，利用這兩類信息計算出該用戶的優(yōu)先級，并調(diào)度優(yōu)先級最高的用戶。本算法在滿足非實時業(yè)務(wù)基本要求的同時，改善了實時用戶的QoE。

1 經(jīng)典算法

1.1 輪詢調(diào)度算法

果網(wǎng)絡(luò)采用輪詢調(diào)度算法，則調(diào)度器將采用一種周期性的調(diào)度原則公平地使各用戶依次使用無線信道資源進行通信[3]。輪詢調(diào)度算法實現(xiàn)簡單，并能保證各用戶之間的公平性。但是該算法沒有考慮到信道狀況的時變性，不能充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。

1.2 比例公平調(diào)度算法

比例公平調(diào)度算法根據(jù)式（1）選擇用戶j進行調(diào)度：

其中 Ri（t）是用戶 i所處信道的瞬時數(shù)據(jù)速率，ri（t）是用戶i濾波后的平均吞吐量，由式（2）計算得到[4]，τ表示低通濾波器的時間常數(shù)。

比例公平調(diào)度算法通過利用不同用戶的信道質(zhì)量信息來提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，同時也兼顧了各用戶之間的公平性，但是該算法不區(qū)分實時業(yè)務(wù)和非實時業(yè)務(wù)，不能滿足實時業(yè)務(wù)的QoE需求。

2 保障QoE的調(diào)度算法

第一節(jié)講述的兩種調(diào)度算法，其基本出發(fā)點是提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和保障用戶的公平性，但對于當(dāng)前新型的流媒體業(yè)務(wù)，這些調(diào)度算法不能保證用戶觀看流媒體文件時的QoE。因此，本文提出了一種可以保證視頻流業(yè)務(wù)QoE的調(diào)度算法。

2.1 前提條件

本算法的提出基于以下前提：

2）基站可以通過解析數(shù)據(jù)包的包頭獲取該數(shù)據(jù)包的幀類型、幀序號和數(shù)據(jù)包發(fā)送時間等信息。

2.2 詳細算法描述

當(dāng)用戶需要使用手機觀看視頻時，用戶向基站發(fā)送請求，基站經(jīng)過一系列處理與用戶建立連接后，視頻服務(wù)器開始通過基站向用戶發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)到達基站后，由基站負責(zé)將視頻數(shù)據(jù)通過無線鏈路發(fā)送到用戶終端。用戶終端接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)先進行緩存，待緩存的數(shù)據(jù)量達到一定播放門限，開始播放視頻。

將基站之前的一系列設(shè)備看做整體，作為用戶數(shù)據(jù)的發(fā)送端，整個無線網(wǎng)絡(luò)給用戶i發(fā)送的視頻幀總量就是從這個用戶數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)送給用戶i的視頻幀總量，如圖1所示。整個網(wǎng)絡(luò)給用戶i發(fā)送的數(shù)據(jù)幀之間滿足關(guān)系式（3），其中Fi（t）是發(fā)送端給用戶i發(fā)送的視頻幀數(shù)，Bi（t）是用戶i終端緩存中緩存的視頻幀數(shù)，Pi（t）是用戶i終端播放器已經(jīng)播放的視頻幀數(shù)。在用戶i視頻緩存建立之前，整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶i的視頻幀全部緩存在用戶i的終端播放緩存中，此時，式（3）中Pi（t）為0；在用戶i視頻緩存建立完成之后，整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶i的視頻幀一部分緩存在用i戶終端的播放緩存中，一部分已經(jīng)由用戶i的視頻播放器播放。

圖1 單個用戶觀看視頻時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)關(guān)系示意圖Fig.1 Structure of data in real-time network for single user

假設(shè)用戶終端播放器的播放速率為f幀每秒，因此可以通過在式（3）兩端同除以視頻播放幀率f，將視頻幀數(shù)量上的等式轉(zhuǎn)換為視頻播放時間上的等式，如式（4）所示，其中tFi（t）是發(fā)送端已發(fā)送數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換的播放時間，tBi（t）是用戶端緩存中數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換的播放時間，tPi（t）是用戶端已經(jīng)播放視頻數(shù)據(jù)的時間。

基于以上觀點，提出一種新的調(diào)度算法，該算法采用當(dāng)前信道信息和用戶終端播放緩存中視頻數(shù)據(jù)能支持播放的時間作為調(diào)度參數(shù)，為用戶分配不同的優(yōu)先級，并讓優(yōu)先級最大的用戶獲得信道資源，優(yōu)先級計算如式（5）所示，其中Ri（t）為用戶 i在當(dāng)前信道條件下能得到的數(shù)據(jù)速率；tBi（t）為用戶i播放端緩存中視頻數(shù)據(jù)能支持播放的時間。

算法的實現(xiàn)根據(jù)視頻業(yè)務(wù)的建立分為兩個階段：用戶建立播放緩存階段和用戶視頻播放階段。下面將按照這兩個階段分別介紹其處理流程。

1）用戶建立播放緩存階段

這種系統(tǒng)的優(yōu)點是：建設(shè)成本低，設(shè)備便于維護，而且是集中冷卻礦井的總進風(fēng)量，效率較高。缺點是：經(jīng)濟型差，安全性差。而且在風(fēng)地點的效果也不好。

此情況下，發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)與用戶終端緩存中的數(shù)據(jù)幀數(shù)相等，可以通過基站端發(fā)送數(shù)據(jù)幀數(shù)來確定用戶i終端緩存中數(shù)據(jù)能支持播放的時間 tBi（t），如式（6）所示，其中Fi（t）是發(fā)送端給用戶i發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)，f是用戶端視頻數(shù)據(jù)播放幀率。

當(dāng)基站為用戶i發(fā)送第n幀 （假設(shè)用戶終端播放數(shù)據(jù)的幀率為f幀每秒，用戶終端視頻緩存門限為T秒，n=f·T）視頻數(shù)據(jù)時，這時用戶i終端緩存數(shù)據(jù)恰好達到緩存門限，用戶終端緩存建立，記錄當(dāng)前時刻為 Tcritical，i。

2）用戶視頻播放階段

從用戶終端緩存建立開始，播放器開始播放視頻。視頻已經(jīng)播放的時間 tPi（t）可以由式（7）確定，其中 Tcurrent是當(dāng)前系統(tǒng)時間，Tcritical，i是用戶 i終端緩存建立的時刻。 當(dāng) tFi（t）＞tPi（t）（即用戶終端緩存未出現(xiàn)下溢情況）時，通過式（4）確定用戶終端播放緩存中數(shù)據(jù)能支持播放的時間 tBi（t）。對于 tFi（t）≤tPi（t）（即用戶終端緩存出現(xiàn)下溢情況）時，用戶終端重新開始視頻緩存建立的過程，其處理流程同用戶建立播放緩存階段。

3 系統(tǒng)仿真

文中采用NS2仿真軟件，在文獻[5]提出的仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行修改和補充，搭建了使用RTP/UDP協(xié)議傳輸視頻文件的仿真系統(tǒng)。通過仿真實驗，對經(jīng)典調(diào)度算法和保證QoE的調(diào)度算法進行了仿真對比，比較了保障QoE的調(diào)度算法與經(jīng)典調(diào)度算法在性能上的增益。

3.1 仿真場景

在仿真時，仿真網(wǎng)路中實時業(yè)務(wù)與非實時業(yè)務(wù)同時存在。非實時業(yè)務(wù)是指用戶基于TCP協(xié)議進行FTP業(yè)務(wù)下載；實時業(yè)務(wù)是指用戶從視頻服務(wù)器下載視頻業(yè)務(wù)并進行實時觀看。視頻數(shù)據(jù)是將Foreman視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過循環(huán)后做成長度為60秒的視頻數(shù)據(jù)，視頻數(shù)據(jù)速率為110 kbps，視頻播放速率為30 fps。非實時業(yè)務(wù)在0～5秒內(nèi)隨機開始，實時業(yè)務(wù)在5～15秒內(nèi)隨機開始。網(wǎng)絡(luò)中實時用戶總數(shù)保持20人。通過仿真，非實時用戶數(shù)目以5人為步長增長到30人來比較各調(diào)度算法的性能。

針對實時業(yè)務(wù)統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)中所有實時用戶的平均下溢次數(shù)，實時用戶的平均Q參數(shù)[6－7]和實時用戶的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，針對非實時業(yè)務(wù)統(tǒng)計非實時用戶的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。實時用戶的平均下溢次數(shù)指在視頻數(shù)據(jù)播放過程中由于網(wǎng)絡(luò)等原因引起的用戶端視頻數(shù)據(jù)播放完畢而產(chǎn)生等待的次數(shù)。實時用戶i的Q參數(shù)如式（8）所示，Q參數(shù)越高，表明用戶的QoE體驗越好。其中，Df指用戶i由于視頻數(shù)據(jù)緩存下溢引起的數(shù)據(jù)重新緩存時間，包括初始緩存的時間；Dl指由無線信道丟失數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的緩存時間；指視頻數(shù)據(jù)從開始下載到播放結(jié)束所持續(xù)時間。

3.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)實時用戶平均下溢次數(shù)對比圖Fig.2 Figure of average underflow times of real-time users in the network

圖2 為網(wǎng)絡(luò)中實時用戶的平均下溢次數(shù)。由圖2可以看出：如果采用輪詢調(diào)度算法和比例公平調(diào)度算法，則隨著非實時用戶數(shù)目的增加，實時用戶的等待次數(shù)不斷增加；如果采用新調(diào)度算法，則實時用戶的等待次數(shù)始終保持一次，即每個用戶除了在視頻開始播放之前進行了初始緩存之外，在視頻文件播放過程中沒有出現(xiàn)再次等待視頻緩存的現(xiàn)象。

圖3 網(wǎng)絡(luò)實時用戶Q參數(shù)對比圖Fig.3 Figure of Q parameter of real-time users in the network

圖4 網(wǎng)絡(luò)實時用戶吞吐量對比圖Fig.4 Figure of throughput of real-time users in the network

圖5 網(wǎng)絡(luò)非實時用戶吞吐量對比圖Fig.5 Figure of throughput of none-real-time users in the network

圖3 為網(wǎng)絡(luò)中實時用戶的Q參數(shù)。從圖3可以看出：當(dāng)非實時用戶數(shù)目不多時，采用3種調(diào)度算法，網(wǎng)絡(luò)中每個實時用戶的QoE保障的比較好。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的非實時用戶數(shù)目增加比較多時，如果采用輪詢調(diào)度算法和比例公平調(diào)度算法，實時用戶Q參數(shù)會明顯下降，而采用新調(diào)度算法，實時用戶的Q參數(shù)保持不變，表明算法對QoE的保障比較好。

圖4為實時用戶的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。從圖4可以看出采用新調(diào)度算法，實時用戶的網(wǎng)絡(luò)吞吐量一直保持在2 Mbps，采用其他調(diào)度算法則因非實時業(yè)務(wù)量的增加而使實時業(yè)務(wù)的吞吐量降低。

圖5為非實時用戶的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。從圖5可以看出，不論采用何種調(diào)度算法，隨著非實時用戶數(shù)目的增加，非實時用戶的網(wǎng)絡(luò)吞吐量不斷增加。但是采用新調(diào)度算法，由于新調(diào)度算法對實時業(yè)務(wù)有所偏重，使得該網(wǎng)絡(luò)中非實時業(yè)務(wù)的吞吐量低于采用其他調(diào)度算法網(wǎng)絡(luò)中的非實時業(yè)務(wù)的吞吐量。這是該算法為了保證實時業(yè)務(wù)的需求而對非實時業(yè)務(wù)產(chǎn)生的損失。

4 結(jié) 論

針對當(dāng)前HSDPA系統(tǒng)中的典型調(diào)度算法不能滿足視頻用戶QoE需求的缺點，文中提出了一種采用無線信道質(zhì)量和用戶端緩存量計算用戶優(yōu)先級的能夠保障實時業(yè)務(wù)QoE需求的調(diào)度算法。該算法能夠降低實時用戶在觀看視頻時的緩存次數(shù)，保障實時用戶的吞吐量，從而保證了用戶觀看視頻時的QoE，提高用戶對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的評價。仿真結(jié)果驗證了新調(diào)度算法在保證QoE方面的優(yōu)勢以及該算法在保證QoE的情況下系統(tǒng)通過率方面的損失，說明了該算法在滿足非實時業(yè)務(wù)的需求的同時能夠較好的保障實時用戶的QoE需求。

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