CN103686874A - 一种带宽分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带宽分配方法，接收应用程序产生的数据并在每个时隙内对缓存区内的数据进行划分，计算划分后的性能损失量并为各队列预分配带宽使得决策变量最大，当决策变量大于0时按照该分配的带宽发送数据，否则撤销预分配的带宽不发送任何数据。采用本发明的技术方案能够将上层应用的性能损失量控制在一个既定范围内，同时通过对待发送数据单元的调度使得数据单元能够集中在信号强度好、传输带宽高、系统功耗低的时隙内发送，在保障上层应用性能的同时使得系统能耗的降低最大化，延长电池使用时间。

Description

一种带宽分配方法

技术领域

本发明涉及移动互联网技术领域，尤其涉及一种带宽分配方法。

背景技术

随着移动平台的飞速发展，移动智能终端的数量也在以惊人的速度增长，世界上每天大约有50万台Android设备被激活。这些智能终端功能丰富，它们拥有各种各样的传感器、GPS、Wi-Fi接口、相机以及越来越复杂、性能越来越强劲的中央处理器。借助于这些硬件基础，琳琅满目的移动应用进入了人们的日常生活，大大改变了人们的生活方式。然而，随着应用程序的功能越发复杂多样，有限的电池容量成为人们使用这些应用的一大阻碍。在移动设备有限的能量储备条件下，如何合理而有效的使用移动平台上有限的资源，提高设备的续航能力，使得用户能够更长时间的使用设备，是移动智能终端发展道路上的一个至关重要的问题。

无线通信所产生的能耗占据了移动终端总能耗中很大一部分，一些对传输带宽要求很高的服务，如VoIP(Voice over Internet Protocol)或流媒体，往往会造成非常大的传输能耗。在通用移动通信系统(UMTS，Universal MobileTelecommunications System)网络中，无线资源控制(RRC，Radio ResourceControl)协议部署在链路层以降低频谱资源管理所造成的开销。RRC使得终端在结束3G数据传输之后不会立即降低到低能耗状态，而是在高能状态停滞一段时间，直到一段时间内再没有数据传输才会回落到低能耗状态。这段时间内产生的能耗被称为尾能耗(Tail Energy)。近期研究表明，尾能耗现象不仅在3G网络中存在，在4GLTE网络中也同样存在。在一些场景下，尾能耗甚至超过了数据传输产生的能耗，大大缩短了电池可用时间。

近年来，许多研究工作围绕着降低尾能耗展开。一种主要方案是，通过对数据流的调度将一些数据延迟并捆绑发送，以减少尾能耗。但这种方式没有考虑对上层应用的性能影响，对于延迟敏感的应用(如流媒体应用)，数据被延迟发送会对应用性能、用户体验造成很大的影响。另一种主要方案是，需要基于对未来信息的预测，如预测信号强度、发送带宽以及下一次数据发送的时间。这种基于预测的方案往往由于预测的困难导致可行性不高。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种带宽分配方法，在保证上层应用性能损失量在给定范围的前提下，通过合理的调度降低因无线通讯所产生的总能耗，同时在上层应用的性能损失容忍程度动态变化时也能保证调度方案能够动态适应这种性能保障要求的动态变化。

本发明提供了一种带宽分配方法，包括以下步骤：

步骤一、接收应用程序产生的数据，所述数据根据时隙不同分为多个数据单元；

步骤二、在每个时隙内根据所述数据单元的紧急程度权重w_i将所述各数据单元分为多个缓存组，再根据所述数据单元的时延等级D将每个缓存组分为多个缓存队列，计算当前时隙每个缓存队列的性能损失量以及总性能损失量；

步骤三、当所述总性能损失量小于应用程序允许的最大性能损失量时，为每个缓存队列分配带宽，所述带宽小于该缓存队列所包含的数据单元的数据量，且所有分配的带宽之和小于传输带宽C，使得决策变量D(t)取得最大值；所述决策变量

其中，PD_i(t)为当前时隙内第i组的性能损失量，

r_ij为第i组第j个队列分配的带宽，V为权衡因子，P为瞬时传输功率；

步骤四、如果所述决策变量D(t)大于0则按照所述带宽发送各数据单元；否则撤销所述带宽，不发送任何数据，进入下一时隙；

循环上述步骤，直至完成所有时隙的带宽分配。

所述划分后的第i组第j个队列的性能损失量PD_ij＝w_i*f(D)*Size_ij，其中w_i为紧急程度权重，f(D)为性能损失函数，Size_ij为数据单元的数据量。

所述性能损失函数f(D)由应用程序的类型决定。

每个缓存组的性能损失量为缓存组内所有缓存队列的性能损失量之和，所述总性能损失量为缓存区内所有缓存组的性能损失量之和。

所述时延等级其中，Delay为延迟时间，θ为时延等级粒度，所述延迟时间为当前时间与该数据单元到达时间的差值，所述时延等级粒度根据划分精细度设置。

所述应用程序允许的最大性能损失量为静态配置或动态调整。

当所述应用程序允许的最大性能损失量动态调整时，对当前时隙的权衡因子进行动态调整。

对所述当前时隙的权衡因子进行动态调整具体为：如果当前时隙的总性能损失量超过应用程序允许的最大性能损失量，则将当前时隙的权衡因子调整为上一时隙的一半；否则将当前时隙的权衡因子增大。

所述将当前时隙的权衡因子增大具体为权衡因子V(t)＝V(t-1)+δ，所述δ为一常数。

本发明在保证性能的情况下优化传输能耗，保证了上层应用的用户体验。不仅如此，为了适应不同时间内上层应用程序的最大性能损失量可能发生的变化，提出了权衡性能损失与能量消耗的权衡因子，动态适应性能损失要求。采用本发明提供的技术方案可以在保障上层应用性能的同时使得系统能耗的降低最大化。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的具体实施例，其中：

图1为本发明实施例带宽分配方法流程图；

图2为本发明实施例带宽分配交互示意图；

图3为本发明实施例性能损失函数的变化示意图；

图4为本发明实施例性能损失函数的另一变化示意图；

图5为本发明实施例带宽分配方法另一流程图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。

本发明提供了一种带宽分配方法，如图1所示，通过在每个传输时隙内根据性能损失、传输带宽以及瞬时功耗，为不同的数据流合理分配带宽，在保证上层应用的性能损失不超过可容忍的最大值的前提下优化能耗。

首先，当运行在移动终端上的应用程序通过网络与通信目标建立连接时，判断是否有数据传输：如果没有数据传输则断开连接。这里所说的网络可以是GSM、3G或者LTE，本发明对此不作限制。

一般情况下当需要进行通信时，上层应用程序会产生通信所需的数据，并把这些数据写入发送套接字Socket。比如，用户通过浏览器打开网页时，浏览器通过3G网络与WEB服务器进行连接后会在一段时间内产生一定的数据；用户通过outlook邮箱发送邮件时，与邮箱服务器连接后会产生一定的数据。本发明实施例接收的数据可以是来自一个应用程序的数据，也可以是多个应用程序产生的数据。

本发明实施例将这些连续变化的时间视为一个又一个的时隙，将每个时隙内的数据称之为数据单元，一个时隙对应一个数据单元。数据单元之间的数据量可以相同也可以不同，如第二个数据单元与第三个数据单元的数据量相同，但二者均与第一个数据单元的数据量不同。

在下层将待发送的所有数据单元暂存于缓存区buffer中。在每个时隙内对缓存区中的数据单元进行划分：

首先，根据缓存的数据单元的紧急程度不同，将所有缓存的数据划分为多个缓存组Group：

假定数据单元集合为U＝{u₁，u₂，…u_k，…}，每一个数据单元u_k都有一个规定的截止时间d_k以及表征紧急程度的权重w_k。分组方式为：具有相同紧急程度权重的数据单元归为一组，也即将w_k值相同的数据单元作为一组。

然后，在每组中再根据滞留的数据单元的延迟时间的不同，将数据单元分为多个缓存队列Queue，具有相同时延等级的数据单元划分为一个队列。数据单元u_k的延迟时间的计算方法为当前时间t与该数据单元到达时间a_k的差值，也即Delay＝(t-a_k)。进一步计算该数据单元的时延等级，时延等级的计算方式为

其中Delay为数据单元的时延，θ为时延等级粒度，θ越小表示时延等级划分得越精细。假设数据单元1、数据单元2、数据单元3的时延Delay分别为1s、2s、3s，那么当θ＝2时其时延等级分别为0、1、1，数据单元2和数据单元3均划分在时延等级为1的队列内；而当θ＝1时其时延等级分别为1、2、3，数据单元2划分在时延等级为2的队列内，数据单元3则划分在时延等级为3的队列内。由此可以看出，θ＝1比θ＝2划分的时延等级更加精细。最终，将时延等级相同的数据单元作为一个队列。

假设所有的数据单元总共划分为n组，每一组划分为m个队列，如图2所示，应用程序产生的数据均暂存于缓存区，缓存区中包括缓存组1至缓存组n，每个缓存组内又包括缓存队列1至缓存队列m，每个缓存队列中包括有多个数据单元。

当对数据进行划分完毕以后，计算当前时隙内的性能损失量。本发明实施例中所提及的性能损失量由三个因素决定：被延迟发送的数据单元的数据量Size、表征紧急程度的权重值w以及实际的延迟时间D。

首先计算每个队列的性能损失量：假设第i组中第j个队列的性能损失量PD_ij＝w_i*f(D)*Size_ij，则对应的每组的性能损失量为

其中，w_i表示每组中第i个数据单元紧急程度的权重，每一组中的数据单元拥有相同的紧急程度；Size_ij为第i组第j个队列中包含的数据量大小；f(D)为性能损失函数，由上层应用的性能需求决定，性能损失函数f(D)可以根据应用程序类型的不同有不同的具体形式，由应用程序自身的特征决定。图3和图4分别示出了两种不同应用程序中性能损失函数随延迟时间D变化的曲线示意图，其中每个应用程序都会有各自的deadline时间点。

当计算出每个队列的性能损失量以后，调度器为每个队列预分配带宽r_ij，使得决策变量D(t)取得最大值，并且保证分配带宽之和不超过传输带宽C，同时各个队列得到的带宽不会超过队列中所包含的数据量大小。也即：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}}\≤C$

0≤r_ij≤Size_ij

带宽分配具体为：首先确定上层应用程序的性能损失容忍度，假设上层应用程序能够接受的最大性能损失(也即性能损失容忍度)为Ω。在每个时隙内根据这些状态信息计算每组的性能损失量，根据每组的性能损失量为每个延迟的缓存队列分配发送带宽，使得在保证总性能损失量不超过Ω的前提下总能耗最低。如果决策变量D(t)大于零，则按照预分配的带宽发送各个队列中的数据；否则撤销预分配的带宽，不发送任何数据，进入下一时隙。其中，

为当前时隙内第i组的性能损失量；P为由信号强度S(dbm)估算得到的瞬时传输功率(mW)，根据经验公式P＝-25*S-1030.9，而传输带宽C＝2.667*S+293.73；

为每个队列中平均每字节的性能损失量，V为调节性能损失量和能量消耗的权衡因子，是权衡性能损失和能耗的重要参数，可预先静态设置也可动态确定，本发明实施例中可将权衡因子V静态配置为V＝0.001，也可将其初始值设为0，在每个时隙内动态调整。考虑到各个应用程序对延迟时间的容忍度可能不同，比如：对于同样的一秒钟延迟时间，当用户利用优酷看视频时和当用户利用outlook邮箱发送邮件时的容忍度应当是不同的。当上层应用程序的性能损失容忍程度发生动态变化时为了适应该变化权衡因子V也会适当动态调整。

当应用程序能够容忍的性能损失量的最大值动态变化时，通过参数V刻画性能损失和能耗之间的权衡关系，动态调整参数V，自适应的在不同性能需求前提下优化能耗。具体的流程如图5所示，说明如下：

假设初始时权衡因子V值为0，在每个时隙内根据上述方法计算当前所有组的性能损失量之和PD(t)，也即当前系统的总性能损失量。当总性能损失量PD(t)的值超过了当前时隙内系统所能容忍的性能损失最大值Ω时，则将当前时隙内的权衡因子V更新为上一时隙的一半，也即：V(t)＝V(t-1)/2；否则，将权衡因子V增大，即：V(t)＝V(t-1)+δ。其中，δ为一经验常数，代表V的增量。循环上述操作直到当前系统的总性能损失量小于当前时隙内系统所能容忍的性能损失量的最大值。再为各个队列预分配带宽使得以调整后的权衡因子V计算得到的决策变量D(t)取得最大值且分配带宽之和不超过传输带宽C，同时，各个队列得到的带宽不超过队列中包含的数据量。

本发明在进行能耗优化的同时保证了上层应用的性能损失量在给定范围内，上层应用可以根据自身应用特征给定所允许的性能损失最大值，在保证性能的情况下优化传输能耗，保证上层应用的用户体验。本发明还考虑到不同时间内上层应用的性能损失最大值可能会动态变化，为了适应这种变化提出了能够权衡性能损失与能量消耗的权衡因子V，并在此基础上提出了动态适应性能损失要求的动态调整方法。本发明属于在线调度方法，不需要基于对未来信息的预测，可行性高。

采用本发明的技术方案能够通过对待发送数据单元的调度使得数据单元能够集中在信号强度好、传输带宽高、系统功耗低的时隙内发送，在保障上层应用性能的同时最大化降低系统能耗，延长电池使用时间。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制。因此，在不背离本发明的精神及其实质的情况下，本领域技术人员可作出各种改变、替换和变型。很显然，但这些改变、替换和变型都应涵盖于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带宽分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、接收应用程序产生的数据，所述数据根据时隙不同分为多个数据单元；

步骤二、在每个时隙内根据所述数据单元的紧急程度权重w_i将所述各数据单元分为多个缓存组，再根据所述数据单元的时延等级D将每个缓存组分为多个缓存队列，计算当前时隙每个缓存队列的性能损失量以及总性能损失量；

步骤三、当所述总性能损失量小于应用程序允许的最大性能损失量时，为每个缓存队列分配带宽，所述带宽小于该缓存队列所包含的数据单元的数据量，且所有分配的带宽之和小于传输带宽C，使得决策变量D(t)取得最大值；所述决策变量

其中，PD_i(t)为当前时隙内第i组的性能损失量，r_ij为第i组第j个队列分配的带宽，V为权衡因子，P为瞬时传输功率；

步骤四、如果所述决策变量D(t)大于0则按照所述带宽发送各数据单元；否则撤销所述带宽，不发送任何数据，进入下一时隙；

循环上述步骤，直至完成所有时隙的带宽分配。

2.如权利要求1所述的带宽分配方法，其特征在于，所述划分后的第i组第j个队列的性能损失量PD_ij＝w_i*f(D)*Size_ij，其中w_i为紧急程度权重，f(D)为性能损失函数，Size_ij为数据单元的数据量。

3.如权利要求2所述的带宽分配方法，其特征在于，所述性能损失函数f(D)由应用程序的类型决定。

4.如权利要求1所述的带宽分配方法，其特征在于，每个缓存组的性能损失量为缓存组内所有缓存队列的性能损失量之和，所述总性能损失量为缓存区内所有缓存组的性能损失量之和。

5.如权利要求1所述的带宽分配方法，其特征在于，所述时延等级

其中，Delay为延迟时间，θ为时延等级粒度，所述延迟时间为当前时间与该数据单元到达时间的差值，所述时延等级粒度根据划分精细度设置。

6.如权利要求1所述的带宽分配方法，其特征在于，所述应用程序允许的最大性能损失量为静态配置或动态调整。

7.如权利要求6所述的带宽分配方法，其特征在于，当所述应用程序允许的最大性能损失量动态调整时，对当前时隙的权衡因子进行动态调整。

8.如权利要求7所述的带宽分配方法，其特征在于，对所述当前时隙的权衡因子进行动态调整具体为：如果当前时隙的总性能损失量超过应用程序允许的最大性能损失量，则将当前时隙的权衡因子调整为上一时隙的一半；否则将当前时隙的权衡因子增大。

9.如权利要求8所述的带宽分配方法，其特征在于，所述将当前时隙的权衡因子增大具体为权衡因子V(t)＝V(t-1)+δ，所述δ为一常数。

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