CN102858018A - 一种HSPDA系统中保证用户QoE性能的调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种HSPDA系统中保证用户QoE性能的调度方法，由位于基站中的调度器利用检测到的当前用户的信道传输质量和用户终端中播放缓存的剩余数据量来计算当前用户的优先级，从而调度当前优先级最高的用户。本发明保证在实时业务和非实时业务共存的网络中使实时业务用户的优先级高于非实时业务用户的优先级，保证了实时业务对于延迟和吞吐量的要求，从而保证了用户在观看视频时的QoE。

Description

一种HSPDA系统中保证用户QoE性能的调度方法

技术领域

本发明涉及移动通信领域，尤其是实时业务的传输方法。

背景技术

在第三代移动通信服务中，流媒体业务正在受到越来越多的关注。在大规模的流媒体系统中，用户的点播大多数集中在少数比较热门的流媒体节目中，这使得合并用户服务、共享流媒体服务器和网络带宽资源势在必行。运营商在满足用户观看请求的同时，也不断地考虑提高用户对业务质量和性能的综合主观感受，也就是从业务应用的舒适角度定义的用户体验（Quality of Experience，简称QoE）。通过QoE评分，运营商可以将用户对视频业务质量和性能进行综合，优化网络服务。WCDMA(WidebandCode Division Multiple Access)作为第三代移动通信的关键技术，能够支持移动设备之间的语音、图像、数据以及简单的视频通信。而HSDPA（High Speed Downlink PacketAccess）作为WCDMA的升级，能在一个无线载频上为更多的高速率用户提供服务，加快了流媒体业务的发展步伐。

在众多提供流媒体服务的设备中，流媒体服务器和流媒体代理服务器起着至关重要的作用。移动流媒体服务器一般位于IP核心网中，用于存放已经编码的流媒体文件，它能响应用户请求并向移动终端发送流媒体文件。移动流媒体代理服务器位于移动网络的边缘，一端与Internet网络相连接，为用户提供可供下载的流媒体文件源，一端通过无线移动网络支持移动用户，为移动用户提供下载流媒体文件的链路。在无线网络环境中，无线网络信道资源不稳定，移动客户端资源有限，因而移动流媒体服务器的作用显得尤为重要。在移动流媒体服务器端通过采用合适的调度方法为移动用户提供流媒体服务并保证移动用户得到较高的QoE成为其中的研究热点。

传统的轮询调度方法以其简单易行和确保每一个用户能公平地占用无线网络资源而受到人们的欢迎，但是该方法使调度器采用一种周期性的调度原则公平的使各个用户循环占用无线信道资源来进行通信，没有考虑到信道状况的时变性，不能充分利用网络资源，使得网络的吞吐量受限，不能充分利用网络资源。相比于轮询调度方法不能提高网络的吞吐量，最大载干比调度方法以其能最大化网络吞吐量而著称，但是最大载干比调度方法总是在每个TTI(Transmission Time Interval)内令拥有最佳信道资源的用户占用无线网络资源来进行通信。它总是调度具有最佳信道资源的用户，这使得距离基站近的用户得到很好的服务，而距离基站距离远的用户会长期得不到服务，使得不同用户之间的公平性极差。针对以上不能同时保证网络吞吐量和用户之间公平性的问题，人们提出了比例公平调度方法，该方法通过利用信道的瞬时变化来提高网络的吞吐量，同时也保证了各用户之间的公平性。但是该方法并不能很好的满足实时业务的要求。该方法的基本思想是令短期信噪比与长期信噪比最高的用户占用无线信道资源。

上述三种调度方法的提出，其基本出发点是都提高网络的吞吐量和降低网络的延迟。但是对于当前新型的流媒体业务，这些调度方法不能保证用户观看流媒体文件时的QoE。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种保证QoE的调度方法，这种调度方法充分考虑用户观看视频时会出现的中断情况，保证了用户观看视频时的QoE。

本发明的技术原理及其具体实现过程描述如下：

在HSDPA系统中，基站在当前时隙内接收到用户终端通过上行专用物理控制信道（HS-DPCCH）传输来的CQI(Channle Quality Information)信息。该CQI值是通过对高速物理下行链路共享信道（HS-DSCH）的信噪比进行测量而得到的。CQI信息代表当前信道的的信道测量标准值，通常一个高值的CQI表示信道质量高。基站通过接收到的信道质量值，采用合适的调度方法，分别计算出当前网络中活动用户的优先级，并选取优先级最大的用户作为下一个时隙内要进行调度的用户。基站提前相应的HS-DSCH信道2个时隙开始在高速共享控制信道（HS-SCCH）传送用户的控制信令。用户终端检测HS-SCCH信道，一旦从HS-SCCH信道的第一部分检测到当前信息是传送给自己的，用户终端立即开始解码HS-SCCH的剩余内容，并缓存HS-DSCH信道上的用户信息，等待接收数据等其他行为。在这个过程中，我们主要关注于基站采用何种调度方法来计算所有用户的优先级，并从中选出优先级最大的用户最为下一个时隙的调度用户，其他过程是HSDPA系统的固有过程，并不在本方法的研究范围内。故而只将方法的过程介绍如下。

位于基站的调度器会为每一个成功接入移动网络的用户维持一个相对应的数据队列，基站通过采用不同的调度方法来为各个用户提供数据服务。本方法令基站通过获取当前无线信道的状况信息，并从到达基站的数据包中读取相关的数据帧信息，通过计算得到与当前调度用户相对应的移动用户终端缓存中的视频数据尚能持续播放的时间，从而利用者两类信息计算出当前用户的优先级大小，并选取优先级最大的用户作为下一个时隙被调度的用户。

综上所述，本发明的主体思想为：位于基站中的调度器，利用检测到的当前用户的信道传输质量和用户终端中播放缓存的剩余数据量来计算当前用户的优先级，从而调度当前优先级最高的用户。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：基站获取每一个接入网络的用户所处信道的当前状态信息，计算每一个用户的接收端缓存中数据还能维持播放的时间，计算每一个用户的优先级大小

其中R_i(t)为用户i当前能得到的瞬时数据速率，t_Bi(t)为用户i终端播放缓存内数据能支持的播放时间；

步骤2：对当前所有用户的优先级按照从大到小的顺序进行排序；

步骤3：挑选出优先级最大的活动用户作为下一个时隙中将被调度的用户，若此活动用户的序号为非负值，转入步骤4，否则转入步骤1；

步骤4：基站更新所有实时用户的接收端视频播放时间，若该用户数据发送完毕，设置该用户的终端视频数据播放时间为0.0，设置该用户的视频播放结束标志位为1；若该用户数据未发送完毕，判断该用户的终端视频播放缓存是否已经建立；

步骤5：若该用户的终端视频播放缓存尚未建立，则不更新该用户的用户端播放时间；反之，判断该用户视频播放缓存是否出现下溢，转入步骤6；

步骤6：若该用户视频播放缓存未出现下溢，则更新该用户的视频播放时间；反之，清零该用户的播放时间，记录当前视频帧序号，设置缓存建立标志位为0；

步骤7：基站更新调度用户数据，若该用户为非实时用户，那么不更新该用户数据；若该用户为实时用户，则判断该用户数据是否发送完毕；若该用户数据发送完毕，设置该用户的终端视频数据播放时间为0.0，设置该用户视频播放结束标志位为1；若该用户数据未发送完毕，读取该用户队列队首数据包的帧序号，更新该用户的已接收数据帧号，判断该用户是否已经建立用户端视频播放缓存；

步骤8：若该用户的用户端视频播放缓存尚未建立，则判断接收到当前数据包后，该用户是否能建立用户端播放缓存。若接收当前数据包后，用户能建立用户端播放缓存，则设置用户端缓存建立标志位为1；反之，则设置用户端播放缓存建立标志位为0；若用户端已经建立播放缓存，判断该用户播放缓存是否出现下溢。若该用户的播放缓存未出现下溢情况，则什么也不做；反之，清零该用户的播放时间，记录当前视频帧序号，设置缓存建立标志位为0。

本发明的有益效果是：在采用一般调度方法的网络中，调度器对实时业务用户和非实时业务用户进行调度时，将对延迟和吞吐量要求较高的实时业务等同于非实时业务进行调度，从而使用户在观看视频时会产生不愉快，影响用户的观看体验。本发明保证在实时业务和非实时业务共存的网络中使实时业务用户的优先级高于非实时业务用户的优先级，保证了实时业务对于延迟和吞吐量的要求，从而保证了用户在观看视频时的QoE。

附图说明

图1是本方法的实现流程图；

图2是新调度方法在选定场景下平均缓存次数对比图；

图3是新调度方法在选定场景下Q参数对比图；

图4是新调度方法在选定场景下实时业务网络吞吐量对比图；

图5是新调度方法在选定场景下非实时业务网络吞吐量对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的技术方案如下：

●情况1：基站调度接入无线移动网络中的用户。

步骤1：基站获取每一个接入网络的用户所处信道的当前状态信息，计算每一个用户的接收端缓存中数据还能维持播放的时间（具体步骤见有关用户端播放缓存时间计算），利用这两个信息计算每一个用户的优先级大小，优先级计算如式（1）所示，其中R_i(t)为用户i当前能得到的瞬时数据速率，t_Bi(t)为用户i终端播放缓存内数据能支持的播放时间。转入步骤2；

$P_i=\frac{R_i\left(t\right)}{t_{\mathrm{Bi}}\left(t\right)}---\left(1\right)$

步骤2：基站调度器对当前所有用户的优先级按照从大到小的顺序进行排序，转入步骤3；

步骤3：基站调度器从已经排好序的用户中挑选出优先级最大的活动用户作为下一个时隙中将被调度的用户，若此序号为非负值，转入步骤4，否则转入步骤1；

步骤4：基站调度器更新所有实时用户的接收端视频播放时间。若该用户数据发送完毕，设置该用户的终端视频数据播放时间为0.0，设置该用户的视频播放结束标志位为1。若该用户数据未发送完毕，判断该用户的终端视频播放缓存是否已经建立（具体判断条件见用户终端缓存建立判断）。转入步骤5；

步骤5：若该用户的终端视频播放缓存尚未建立，则不更新该用户的用户端播放时间；反之，判断该用户视频播放缓存是否出现下溢（用户终端缓存中视频数据播放完毕，具体判断条件见用户终端缓存下溢判断）。转入步骤6；

步骤6：若该用户视频播放缓存未出现下溢，则更新该用户的视频播放时间；反之，清零该用户的播放时间，记录当前视频帧序号，设置缓存建立标志位为0。转入步骤7；

步骤7：基站调度器更新调度用户数据。若该用户为非实时用户，那么不更新该用户数据；若该用户为实时用户，则判断该用户数据是否发送完毕。若该用户数据发送完毕，设置该用户的终端视频数据播放时间为0.0，设置该用户视频播放结束标志位为1。若该用户数据未发送完毕，读取该用户队列队首数据包的帧序号，更新该用户的已接收数据帧号，判断该用户是否已经建立用户端视频播放缓存。转入步骤8；

步骤8：若该用户的用户端视频播放缓存尚未建立，则判断接收到当前数据包后，该用户是否能建立用户端播放缓存。若接收当前数据包后，用户能建立用户端播放缓存，则设置用户端缓存建立标志位为1；反之，则设置用户端播放缓存建立标志位为0。若用户端已经建立播放缓存，判断该用户播放缓存是否出现下溢。若该用户的播放缓存未出现下溢情况，则什么也不做（步骤4中已经更新用户的播放时间）；反之，清零该用户的播放时间，记录当前视频帧序号，设置缓存建立标志位为0。完成数据更新后，本次调度过程结束。

下面针对情况1中涉及的若干名词进行具体解释：

有关用户端播放缓存时间计算：非实时用户的播放端缓存时间设置为一固定值，该值的大小通过统计实时用户播放端缓存的平均大小得到一个折中值，使得非实时用户的优先级既不影响实时业务的质量，又能满足非实时业务的需求。若当前用户为首次调度，则其播放缓存的初始值为1/30秒。若用户为非初始调度，其过程如下：在基站端，基站记录为实时用户i发送第一帧数据的时间为T_start，i。对于尚未建立用户端缓存的用户，基站发送的数据帧与用户端缓存中数据相等，用户端播放缓存时间t_Bi由式（2）计算，其中F_i(t)是基站已经发送视频数据帧数，f是用户终端视频数据的播放帧率。对于已经建立缓存的用户，基站记录该用户建立缓存的时刻为T_criticai，用户终端视频已经播放时间t_Pi(t)的计算如式（3）所示，其中T_current为当前系统时间，那么用户终端缓存时间t_Bi如式（4）计算得到。

$t_{\mathrm{Bi}}=\frac{F_i\left(t\right)}{f}---\left(2\right)$

t_Pi(t)＝T_urrent-T_critical,i                      （3）

$t_{\mathrm{Bi}}=\frac{F_i\left(t\right)}{f}-t_{\mathrm{pi}}\left(t\right)---\left(4\right)$

用户终端缓存建立判断：不论用户终端是首次缓存还是播放一段时间后产生再次缓存，用户终端接收到基站发送来的视频数据并不直接进行播放，而是等缓存中的数据达到缓存为T秒的数据量才开始播放数据。用户缓存建立的判断条件如式（5）所示。其中，F_received为基站已经为该用户发送视频帧的序号；F_rebuf为该用户开始缓存数据时基站给该用户发送的视频帧的序号，若该用户当前缓存为首次缓存，此值为0。T为用户端缓存门限；f为用户终端视频播放帧率。

F_received-F_rebuf=T*f                            （5）

用户终端缓存下溢判断：用户端缓存下溢的判断条件如式（6）所示。其中t_Fi为基站为用户i已经发送的数据帧总数所对应的时间，其计算如式（7）所示，F_i(t)为基站已经发送视频数据帧数，f是用户终端视频数据的播放帧率。t_Pi为用户终端视频数据播放时间，其计算如式（3）所示。

t_Fi-t_Pi>0                                        （6）

$t_{\mathrm{Fi}}=\frac{F_i\left(t\right)}{f}---\left(7\right)$

本实验的仿真场景为3G网络中，基站对接入网络的用户进行调度，网络中所有的用户只进行一种业务流。网络中的非实时业务通过TCP协议传输FTP业务，每一个非实时业务流在0~5秒内随机开始，开始时间满足长度为5的均匀分布。网络中的实时业务通过RTP/UDP协议传输流媒体数据，流媒体数据的发送速率为110kbps，用户终端播放视频数据的速率为30帧每秒。物理层采用由Matlab程序产生的CQI文件来模拟无线链路的信道状况。链路层采用AM（Acknoledgement Mode）模式。在基站中所采用的调度方法分别为轮询调度方法、比例公平调度方法和保证QoE的调度方法。实验网络中包含20个下载实时业务的用户，下载非实时业务的用户以5人为步长从5人增加到30人。

本仿真以视频数据播放过程中实时用户的平均缓存次数、实时用户的平均Q参数和实时用户的网络吞吐量作为实时业务的性能参数，以非实时用户的网络吞吐量作为非实时业务的性能参数。实时业务的平均下溢次数指在视频数据播放过程中由于网络等原因引起的用户端视频数据播放完毕而产生等待的次数。实时用户i的Q参数如式（8）所示，Q参数越高，表明用户的QoE体验越好。其中，D_f指用户i由于视频数据缓存下溢引起的数据重新缓存时间，D_l指由无线信道丢失数据而产生的缓存时间，D指视频数据从开始下载到播放结束所持续时间。

$Q=\frac{D-D_f-D_l}{D}---\left(8\right)$

仿真结果如图2、图3、图4和图5所示。从图2和图3中可知，无论网络中的非实时业务是否繁重（下载FTP业务的用户数目越多，背景业务越繁重），本方案始终保持实时用户的平均缓存次数为一次，用户的QoE参数保持在0.85以上，而其他调度方法则随着非实时业务的增多，实时业务的性能得不到良好的保证。从图4和图5中可以看出，本方案在网络中非实时业务繁重时也能比较好的保证实时业务的吞吐量，而其他调度方法则由于非实时业务的增加而使得实时业务的吞吐量下降。

下面结合实例，在3G网络中对其进行详细说明。

一、具体操作过程

1.发送分组设置

本流程针对上层发送数据包来进行描述，本流程过程中的参数设置是为了方便下一步在基站中读取数据包的信息而设置的。

设实时业务是将Foreman测试序列经FFMPEG软件生成时间长度为60秒的视频数据，该视频序列的帧率为30帧每秒，视频序列速率为110kbps。RTP层封包大小为1024字节，UDP层封包大小为1200字节。

根据数据和网络设置，RTP层每读入一帧视频数据后，将读入的当前数据帧按照公式（9）计算出当前数据帧能分为n个RTP数据包，其中Size是RTP层读入当前数据帧的大小，ftp_size是网络设定的FTP封包的大小。

n=Size/ftp_size                (9)

2.操作过程

当前调度为非初始调度，当前系统时间为7.141800秒，实时用户0已经建立初始缓存，该用户建立缓存的时刻为5.281800秒，基站已经为该用户发送208帧视频数据，该用户终端反馈的信道质量为22；实时用户1尚未建立缓存，基站已为该用户发送60帧视频数据，该用户终端反馈的信道质量为24；非实时用户2的缓存设置为10秒，该用户终端反馈的信道质量为14。

步骤1：基站读取由反馈信息获得信道状况，实时用户0，实时用户1和非实时用户2的信道质量分别为22，24和14，通过表1所显示的CQI与TB块大小转换表将CQI值转换为TB块大小分别为7168，11418和2583。用户0的播放端缓存时间计算如式（10），得到用户0的播放端缓存时间为5.073300秒，根据式（2）计算得到用户1的播放端缓存时间为2.000000秒。按照公式（1）计算用户0，用户1和用户2的优先级分别为1412.88，5709.00和258.3，转入步骤2；

$t_{B0}=\frac{208}{30}-(7.141800-5.281800)---\left(10\right)$

步骤2：对网络中所有用户的优先级按照由大到小的顺序进行排序，排序后结果为用户1，用户0和用户2，转入步骤3；

步骤3：基站调度器从已经排好序的用户中挑选出优先级最大的活动用户1作为下一个时隙中将被调度的用户，转入步骤4；

步骤4：基站不更新非实时用户信息，判断各个实时用户视频数是否发送完毕。此时实时用户0，实时用户1数据均没有发送完毕。转入步骤5；

步骤5：基站判断用户的终端视频播放缓存是否建立。判断结果为用户0的用户端缓存已经建立；用户1终端缓存尚未建立，则不更新用户端视频数据已经播放时间，用户1终端视频已经播放时间为0.0。转入步骤6；

步骤6：基站判断用户0未出现缓存下溢情况。用户终端视频数据已经播放的时间计算如式（3）所示，用户0终端视频已经播放时间为1.86秒。注入步骤7；

步骤7：当前调度用户为用户1，基站首先判断该用户为实时用户，其次判断该用户的视频数据未发送完毕，基站最后读取该用户队列队首数据包的帧序号，得到用户1的队首数据帧序号为61。转入步骤8；

步骤8：用户1尚未建立用户端播放缓存，用户1接收当前数据帧后，不能建立用户端播放缓存，设置用户端播放缓存建立标志位为0。本次调度过程结束。

表1

CQI	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											TB块	137	173	233	317	377	461	650	792	931	1262
CQI	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
											TB块	1483	1742	2279	2583	3319	3565	4189	4664	5287	5887
CQI	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
											TB块	6554	7168	11418	9719	14411	17300	21754	23370	24220	25558

Claims (1)

1.一种HSPDA系统中保证用户QoE性能的调度方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：基站获取每一个接入网络的用户所处信道的当前状态信息，计算每一个用户的接收端缓存中数据还能维持播放的时间，计算每一个用户的优先级大小其中R_i(t)为用户i当前能得到的瞬时数据速率，t_Bi(t)为用户i终端播放缓存内数据能支持的播放时间；

步骤2：对当前所有用户的优先级按照从大到小的顺序进行排序；

步骤3：挑选出优先级最大的活动用户作为下一个时隙中将被调度的用户，若此活动用户的序号为非负值，转入步骤4，否则转入步骤1；

步骤4：基站更新所有实时用户的接收端视频播放时间，若该用户数据发送完毕，设置该用户的终端视频数据播放时间为0.0，设置该用户的视频播放结束标志位为1；若该用户数据未发送完毕，判断该用户的终端视频播放缓存是否已经建立；

步骤5：若该用户的终端视频播放缓存尚未建立，则不更新该用户的用户端播放时间；反之，判断该用户视频播放缓存是否出现下溢，转入步骤6；

步骤6：若该用户视频播放缓存未出现下溢，则更新该用户的视频播放时间；反之，清零该用户的播放时间，记录当前视频帧序号，设置缓存建立标志位为0；

步骤7：基站更新调度用户数据，若该用户为非实时用户，那么不更新该用户数据；若该用户为实时用户，则判断该用户数据是否发送完毕；若该用户数据发送完毕，设置该用户的终端视频数据播放时间为0.0，设置该用户视频播放结束标志位为1；若该用户数据未发送完毕，读取该用户队列队首数据包的帧序号，更新该用户的已接收数据帧号，判断该用户是否已经建立用户端视频播放缓存；

步骤8：若该用户的用户端视频播放缓存尚未建立，则判断接收到当前数据包后，该用户是否能建立用户端播放缓存。若接收当前数据包后，用户能建立用户端播放缓存，则设置用户端缓存建立标志位为1；反之，则设置用户端播放缓存建立标志位为0；若用户端已经建立播放缓存，判断该用户播放缓存是否出现下溢。若该用户的播放缓存未出现下溢情况，则什么也不做；反之，清零该用户的播放时间，记录当前视频帧序号，设置缓存建立标志位为0。

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