HSDPA系統(tǒng)中一種感知用戶(hù)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(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和第四代移動(dòng)通信時(shí)代的來(lái)臨，以話(huà)音業(yè)務(wù)為主的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)市場(chǎng)已經(jīng)趨于飽和，具有視頻和音頻信息，能夠?yàn)橛脩?hù)提供繪聲繪色、圖文并茂的移動(dòng)信息的移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)必將成為未來(lái)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)發(fā)展的核心[1]。運(yùn)營(yíng)商在滿(mǎn)足用戶(hù)觀看請(qǐng)求的同時(shí)，也不斷地考慮提高用戶(hù)對(duì)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(hù)體驗(yàn) （Quality of Experience，QoE）。通過(guò)QoE評(píng)分，運(yùn)營(yíng)商可以將用戶(hù)對(duì)視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量和性能進(jìn)行綜合，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。HSDPA作為WCDMA的升級(jí)，能在一個(gè)無(wú)線(xiàn)載頻上為更多高速率用戶(hù)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(duì)時(shí)延和差錯(cuò)敏感的業(yè)務(wù)類(lèi)型，因此該業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬和信道的質(zhì)量有著比較高的要求。在無(wú)線(xiàn)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(dòng)終端在解碼和播放過(guò)程中產(chǎn)生錯(cuò)誤，影響用戶(hù)的QoE體驗(yàn)。由于無(wú)線(xiàn)信道自身的限制和當(dāng)前移動(dòng)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(lái)保證流媒體業(yè)務(wù)的傳輸從而提高終端用戶(hù)的QoE質(zhì)量成為其中的研究熱點(diǎn)。針對(duì)這一情況，提出了一種新的調(diào)度算法來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的QoE需求。該算法通過(guò)從到達(dá)基站的數(shù)據(jù)包中讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)幀信息，進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)用戶(hù)終端所緩存數(shù)據(jù)尚能支持連續(xù)視頻播放的時(shí)間，同時(shí)還讀取用戶(hù)終端反饋的無(wú)線(xiàn)信道狀況信息，利用這兩類(lèi)信息計(jì)算出該用戶(hù)的優(yōu)先級(jí)，并調(diào)度優(yōu)先級(jí)最高的用戶(hù)。本算法在滿(mǎn)足非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)基本要求的同時(shí)，改善了實(shí)時(shí)用戶(hù)的QoE。

1 經(jīng)典算法

1.1 輪詢(xún)調(diào)度算法

果網(wǎng)絡(luò)采用輪詢(xún)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(hù)依次使用無(wú)線(xiàn)信道資源進(jìn)行通信[3]。輪詢(xún)調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并能保證各用戶(hù)之間的公平性。但是該算法沒(méi)有考慮到信道狀況的時(shí)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(hù)j進(jìn)行調(diào)度：

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

比例公平調(diào)度算法通過(guò)利用不同用戶(hù)的信道質(zhì)量信息來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，同時(shí)也兼顧了各用戶(hù)之間的公平性，但是該算法不區(qū)分實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)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(diǎn)是提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和保障用戶(hù)的公平性，但對(duì)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(hù)觀看流媒體文件時(shí)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(guò)解析數(shù)據(jù)包的包頭獲取該數(shù)據(jù)包的幀類(lèi)型、幀序號(hào)和數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間等信息。

2.2 詳細(xì)算法描述

當(dāng)用戶(hù)需要使用手機(jī)觀看視頻時(shí)，用戶(hù)向基站發(fā)送請(qǐng)求，基站經(jīng)過(guò)一系列處理與用戶(hù)建立連接后，視頻服務(wù)器開(kāi)始通過(guò)基站向用戶(hù)發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)到達(dá)基站后，由基站負(fù)責(zé)將視頻數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路發(fā)送到用戶(hù)終端。用戶(hù)終端接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)先進(jìn)行緩存，待緩存的數(shù)據(jù)量達(dá)到一定播放門(mén)限，開(kāi)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(hù)數(shù)據(jù)的發(fā)送端，整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)給用戶(hù)i發(fā)送的視頻幀總量就是從這個(gè)用戶(hù)數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)送給用戶(hù)i的視頻幀總量，如圖1所示。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)給用戶(hù)i發(fā)送的數(shù)據(jù)幀之間滿(mǎn)足關(guān)系式（3），其中Fi（t）是發(fā)送端給用戶(hù)i發(fā)送的視頻幀數(shù)，Bi（t）是用戶(hù)i終端緩存中緩存的視頻幀數(shù)，Pi（t）是用戶(hù)i終端播放器已經(jīng)播放的視頻幀數(shù)。在用戶(hù)i視頻緩存建立之前，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶(hù)i的視頻幀全部緩存在用戶(hù)i的終端播放緩存中，此時(shí)，式（3）中Pi（t）為0；在用戶(hù)i視頻緩存建立完成之后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶(hù)i的視頻幀一部分緩存在用i戶(hù)終端的播放緩存中，一部分已經(jīng)由用戶(hù)i的視頻播放器播放。

圖1 單個(gè)用戶(hù)觀看視頻時(shí)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(hù)終端播放器的播放速率為f幀每秒，因此可以通過(guò)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(shí)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(shí)間，tBi（t）是用戶(hù)端緩存中數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換的播放時(shí)間，tPi（t）是用戶(hù)端已經(jīng)播放視頻數(shù)據(jù)的時(shí)間。

基于以上觀點(diǎn)，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(hù)終端播放緩存中視頻數(shù)據(jù)能支持播放的時(shí)間作為調(diào)度參數(shù)，為用戶(hù)分配不同的優(yōu)先級(jí)，并讓優(yōu)先級(jí)最大的用戶(hù)獲得信道資源，優(yōu)先級(jí)計(jì)算如式（5）所示，其中Ri（t）為用戶(hù) 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(hù)i播放端緩存中視頻數(shù)據(jù)能支持播放的時(shí)間。

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

1）用戶(hù)建立播放緩存階段

這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：建設(shè)成本低，設(shè)備便于維護(hù)，而且是集中冷卻礦井的總進(jìn)風(fēng)量，效率較高。缺點(diǎn)是：經(jīng)濟(jì)型差，安全性差。而且在風(fēng)地點(diǎn)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(hù)終端緩存中的數(shù)據(jù)幀數(shù)相等，可以通過(guò)基站端發(fā)送數(shù)據(jù)幀數(shù)來(lái)確定用戶(hù)i終端緩存中數(shù)據(jù)能支持播放的時(shí)間 tBi（t），如式（6）所示，其中Fi（t）是發(fā)送端給用戶(hù)i發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)，f是用戶(hù)端視頻數(shù)據(jù)播放幀率。

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

2）用戶(hù)視頻播放階段

從用戶(hù)終端緩存建立開(kāi)始，播放器開(kāi)始播放視頻。視頻已經(jīng)播放的時(shí)間 tPi（t）可以由式（7）確定，其中 Tcurrent是當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，Tcritical，i是用戶(hù) i終端緩存建立的時(shí)刻。 當(dāng) tFi（t）＞tPi（t）（即用戶(hù)終端緩存未出現(xiàn)下溢情況）時(shí)，通過(guò)式（4）確定用戶(hù)終端播放緩存中數(shù)據(jù)能支持播放的時(shí)間 tBi（t）。對(duì)于 tFi（t）≤tPi（t）（即用戶(hù)終端緩存出現(xiàn)下溢情況）時(shí)，用戶(hù)終端重新開(kāi)始視頻緩存建立的過(guò)程，其處理流程同用戶(hù)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(xiàn)[5]提出的仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和補(bǔ)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(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)經(jīng)典調(diào)度算法和保證QoE的調(diào)度算法進(jìn)行了仿真對(duì)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(chǎng)景

在仿真時(shí)，仿真網(wǎng)路中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)與非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)同時(shí)存在。非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)是指用戶(hù)基于TCP協(xié)議進(jìn)行FTP業(yè)務(wù)下載；實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)是指用戶(hù)從視頻服務(wù)器下載視頻業(yè)務(wù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)觀看。視頻數(shù)據(jù)是將Foreman視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)循環(huán)后做成長(zhǎng)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(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在0～5秒內(nèi)隨機(jī)開(kāi)始，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在5～15秒內(nèi)隨機(jī)開(kāi)始。網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)用戶(hù)總數(shù)保持20人。通過(guò)仿真，非實(shí)時(shí)用戶(hù)數(shù)目以5人為步長(zhǎng)增長(zhǎng)到30人來(lái)比較各調(diào)度算法的性能。

針對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)中所有實(shí)時(shí)用戶(hù)的平均下溢次數(shù)，實(shí)時(shí)用戶(hù)的平均Q參數(shù)[6－7]和實(shí)時(shí)用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，針對(duì)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)非實(shí)時(shí)用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。實(shí)時(shí)用戶(hù)的平均下溢次數(shù)指在視頻數(shù)據(jù)播放過(guò)程中由于網(wǎng)絡(luò)等原因引起的用戶(hù)端視頻數(shù)據(jù)播放完畢而產(chǎn)生等待的次數(shù)。實(shí)時(shí)用戶(hù)i的Q參數(shù)如式（8）所示，Q參數(shù)越高，表明用戶(hù)的QoE體驗(yàn)越好。其中，Df指用戶(hù)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(shí)間，包括初始緩存的時(shí)間；Dl指由無(wú)線(xiàn)信道丟失數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的緩存時(shí)間；指視頻數(shù)據(jù)從開(kāi)始下載到播放結(jié)束所持續(xù)時(shí)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(shí)時(shí)用戶(hù)平均下溢次數(shù)對(duì)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(shí)時(shí)用戶(hù)的平均下溢次數(shù)。由圖2可以看出：如果采用輪詢(xún)調(diào)度算法和比例公平調(diào)度算法，則隨著非實(shí)時(shí)用戶(hù)數(shù)目的增加，實(shí)時(shí)用戶(hù)的等待次數(shù)不斷增加；如果采用新調(diào)度算法，則實(shí)時(shí)用戶(hù)的等待次數(shù)始終保持一次，即每個(gè)用戶(hù)除了在視頻開(kāi)始播放之前進(jìn)行了初始緩存之外，在視頻文件播放過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)再次等待視頻緩存的現(xiàn)象。

圖3 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)用戶(hù)Q參數(shù)對(duì)比圖Fig.3 Figure of Q parameter of real-time users in the network

圖4 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)用戶(hù)吞吐量對(duì)比圖Fig.4 Figure of throughput of real-time users in the network

圖5 網(wǎng)絡(luò)非實(shí)時(shí)用戶(hù)吞吐量對(duì)比圖Fig.5 Figure of throughput of none-real-time users in the network

圖3 為網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)用戶(hù)的Q參數(shù)。從圖3可以看出：當(dāng)非實(shí)時(shí)用戶(hù)數(shù)目不多時(shí)，采用3種調(diào)度算法，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)實(shí)時(shí)用戶(hù)的QoE保障的比較好。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的非實(shí)時(shí)用戶(hù)數(shù)目增加比較多時(shí)，如果采用輪詢(xún)調(diào)度算法和比例公平調(diào)度算法，實(shí)時(shí)用戶(hù)Q參數(shù)會(huì)明顯下降，而采用新調(diào)度算法，實(shí)時(shí)用戶(hù)的Q參數(shù)保持不變，表明算法對(duì)QoE的保障比較好。

圖4為實(shí)時(shí)用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。從圖4可以看出采用新調(diào)度算法，實(shí)時(shí)用戶(hù)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(shí)時(shí)業(yè)務(wù)量的增加而使實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的吞吐量降低。

圖5為非實(shí)時(shí)用戶(hù)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(shí)時(shí)用戶(hù)數(shù)目的增加，非實(shí)時(shí)用戶(hù)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(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)有所偏重，使得該網(wǎng)絡(luò)中非實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的吞吐量。這是該算法為了保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的需求而對(duì)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)產(chǎn)生的損失。

4 結(jié) 論

針對(duì)當(dāng)前HSDPA系統(tǒng)中的典型調(diào)度算法不能滿(mǎn)足視頻用戶(hù)QoE需求的缺點(diǎn)，文中提出了一種采用無(wú)線(xiàn)信道質(zhì)量和用戶(hù)端緩存量計(jì)算用戶(hù)優(yōu)先級(jí)的能夠保障實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)QoE需求的調(diào)度算法。該算法能夠降低實(shí)時(shí)用戶(hù)在觀看視頻時(shí)的緩存次數(shù)，保障實(shí)時(shí)用戶(hù)的吞吐量，從而保證了用戶(hù)觀看視頻時(shí)的QoE，提高用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的評(píng)價(jià)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了新調(diào)度算法在保證QoE方面的優(yōu)勢(shì)以及該算法在保證QoE的情況下系統(tǒng)通過(guò)率方面的損失，說(shuō)明了該算法在滿(mǎn)足非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的需求的同時(shí)能夠較好的保障實(shí)時(shí)用戶(hù)的QoE需求。

[1]胡海波.國(guó)外移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)發(fā)展情況分析 [J].通信世界，2007（36B）:8.HU Hai-bo.Analysis of foreign business development of mobile video[J].Communication World，2007（36B）:8.

[2]Kolding T E，Pedersen K I，Wigard J，et al.High speed downlink packetaccess:WCDMA evolution[C]//IEEE Vehicular Technology Society News.USA:IEEE 2003.2003.

[3]Seo Y I，Sung D K.Analytical comparition of three packet scheduling schemes under a Per-User mininum throughput assurance requirement in HSDPA [C]//IEEE 16th International Symposium on Personal，Indoor and Mobil Radio Communications.Berlin:IEEE 2005，2005:1708-1712.

[4]Lundevall M，Olin B，Olsson J，et al.Streaming application over HSDPA in mixed service scenarios[C]//Vehicular Technology Conference.USA:IEEE 2004，2004:841-845.

[5]Sivabalakrishnan M，Manjula D.Analysis of decision feedback RTCP for multimedia streaming over 3G[C]//Proceedings of International Conference on Computer and Communication Engineering.Malaysia:IEEE 2008，2008:1023-1026.

[6]Vukadinodic V，Karlsson G，et al.Video streaming performance underproportionalfairscheduling[J].IEEE Journalon Selected Areas in Communications，2010，28（3）:399-408.

[7]Vukadinodic V，Karlsson G，et al.Video sreaming in 3.5G:throughput-Delay performance of propotional fairs scheduling[C]//Modeling，Analysis and Simulation of Computor and Telecommunication Systems.USA:IEEE 2006，2006:393-400.