CN104410870A - 能耗优化的流媒体应用带宽资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能耗优化的流媒体应用带宽资源分配方法，适用于移动蜂窝网中，单个基站的流媒体带宽资源分配的场景，在基站和核心网之间部署的带宽分配控制器，定期收集网络流媒体应用的服务带宽，各个用户的信号强度信息，各个用户视频播放的速率，用户请求的流媒体数据大小等信息，当网络中移动用户请求流媒体数据的时候，带宽分配控制器运行能耗优化流媒体带宽资源分配算法，为蜂窝网中的流媒体用户进行带宽的分配，本发明可保证所有用户的缓冲时间有限和相对公平的服务，且使各个用户获得较小的能量消耗，还允许网络管理者通过精度参数，控制算法的复杂度和算法精度，同时根据调节系数V可以实现移动终端能耗与用户视频缓冲时间的权衡。

Description

能耗优化的流媒体应用带宽资源分配方法

技术领域

本发明属于移动蜂窝网中的流媒体应用带宽资源分配技术领域，特别涉及一种能耗优化的流媒体应用带宽资源分配方法。

背景技术

随着3G和LTE技术的高速发展，YouTube，Netflix和Hulu等流媒体应用越来越受欢迎，在公车，地铁，火车上接入3G或者LTE网络看视频也随处可见。根据2014年的cisco网络指数调研报告，目前流媒体应用的流量已经占总的网络流量的53％，预计到2018年，该项指标可以达到69％左右。然而，移动设备电池的续航能力却没有跟上流媒体技术和网络技术发展的脚步，成为制约流媒体应用发展的主要瓶颈。

通过分析流媒体应用的能耗，发现在流媒体视频应用中，视频的下载能耗占用总能耗的50％以上。导致无线数据下载能耗过高，主要有两个原因，其一，无线的信号强度变化较大，信号差的时候，消耗的能量是信号好时的六倍，传统的流媒体数据传输下载保持长时间的低速传输，会导致大量的能量消耗。其二，现有的无线资源控制机制设计得不够合理，在数据传输结束之后，网络接口不能立即降到低电平状态，还需要经历一段高能耗的状态，这也会导致额外的能耗，这个能耗称为尾能耗。

针对无线蜂窝网中数据下载能耗过多的两个原因，提高能量的利用率，目前主要采用数据调度传输的方式来获取较优的能量消耗。针对信号强度变化导致的大量能量消耗，2010年，文章Bartendr提出了一种根据历史的信号强度变化预测未来的信号强度，同时据此来调整数据传输的方式，基本的思路是在信号强的时候多传输数据，信号弱的时候少传输甚至停止传输数据。由于信号预测的不准确性，Bartendr在实际应用中是有问题的。eTime和PerES两篇文章则通过一种在线调度数据传输的方式达到节能。针对尾能耗，RadioJockeys等人设计了一种快速休眠机制，预测未来的数据包到达时间，快速关闭无线接口，降低尾能耗。另外，由于数据包传输是离散的，每传输一个数据包就会产生一个尾能耗，因此文章TOP设计的算法选择将多个数据包延迟到同时下载，这样多个数据包只需要经历一个尾能耗，从而减少尾能耗的次数。但是，虽然以上文章都考虑了任务的截止时间，但是不适用于流媒体这类边下载边消耗的应用。流媒体应用是一种延迟敏感的应用，且用户会边下载边看，当缓存中的数据为0的时候，用户就会卡顿，这个在流媒体应用中是不允许的，本发明不仅考虑了节能的问题，还满足了用户缓冲时间的限制。另外，上述的各种方法都是针对单用户的无线资源传输的节能设计，对于多用户的竞争和资源分配没有考虑。在单基站范围内，基站的服务带宽是有限的，但是同时在线请求流媒体数据的现象是比较常见的，大量数据的请求将导致用户竞争，导致严重的网络拥堵，流媒体用户的视频卡顿。因此，如果仅仅考虑单用户的情况是不可取的。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能耗优化的流媒体应用带宽资源分配方法，适用于移动蜂窝网中单个基站多用户的场景，当一个移动蜂窝网基站范围中有多个用户请求流媒体应用的数据时，可保证所有用户的缓冲时间有限，使各个用户获得较小的能量消耗；本发明允许网络管理者通过精度参数控制算法的复杂度和算法精度，同时设计了调节系数V，实现移动终端能耗与用户视频缓冲时间的权衡。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种能耗优化的流媒体应用带宽资源分配方法，在蜂窝网的基站和核心网之间部署的带宽分配控制器，当网络中移动用户请求流媒体数据时，带宽分配控制器按照如下方法为各个用户分配带宽：

步骤一，在时隙t时，移动设备i向带宽分配控制器请求流媒体数据观看视频，请求的视频数据大小为M_i，此时带宽分配控制器给用户i分配新缓冲时间队列，并赋予队列长度初始值C_i(t)＝0，其他用户的队长不变；若时隙t有用户离开或者视频数据已经传输完毕，带宽分配控制器释放该用户的缓冲时间，不再为其分配宽带宽资源；

步骤二，带宽分配控制器收集用户i的信号强度signal_i(t)，用户视频播放的平均速率p_i，基站在本时隙可提供的流媒体服务带宽B(t)，设置网络带宽分配最小单元为ΔB，ΔB为带宽分配精度参数；

步骤三，带宽分配控制器根据收集的数据，对此时的带宽进行分配：

(1)根据递推式，计算本时隙各个用户的伪队列长度C_i(t)，为后续计算做准备；根据信号强度计算用户i此时可支持的最大吞吐率Th(signal_i(t))，为每个用户建立一个候选带宽集合{0,ΔB,2ΔB,…,K_iΔB}，其中K_i为使得K_iΔB≤Th(signal_i(t))成立的最大整数；用S记录带宽分配总量，S的变换范围为{0,ΔB,2ΔB,…,K_SΔB}，其中K_S为使K_SΔB≤B(t)成立的最大整数；

(2)初始化，令所有用户此时分配的带宽为d_i(t)＝0，数组a[i][s]记录瞬时带宽分配带来的最优效益值，在时刻开始时初始化a[i][s]←0，数组g[i][s]记录瞬时带来最优效益分配的带宽，在时刻开始时初始化g[i][s]←0，数组的大小均为N×(s+1)，其中s由(1)的K_s决定，s＝K_s；

(3)对于用户i＝1，在最大吞吐率Th(signal_i(t))限制的条件下，该用户候选带宽集合中的带宽{0,ΔB,2ΔB,…,K₁ΔB}，将不同的带宽值d₁遍历带入用户效益函数f(1,d₁)中，f(1,d₁)＝V·E₁(t)+C₁(t)(1-b₁(t))，将每一个用户效益值f(1,d₁)赋值给将每个不同的带宽值d₁赋给其中d₁的范围为0≤d₁≤K₁ΔB；

(4)从i＝2到i＝N，进行以下步骤，其中N为用户个数：

(4.1)对于S从0到K_SΔB进行以下步骤，其中带宽的步进为ΔB；

(4.2)遍历d_i(t)从0到K_iΔB，计算用户的瞬时总效益，记为f′(i,d_i(t))，令在遍历完所有可能带宽值之后，将用户i获得的最小值用户瞬时效益赋给并将最小瞬时总效益对应的带宽值d_i(t)赋给且要满足S-d_i(t)≥0；

(5)当所有用户都遍历完毕之后，选择数组a[i][s]中最后一行中最小的值对应的带宽赋给D_N，即给用户N分配的带宽为 $d_N=g\left[N\right]\left[\frac{D_N}{\mathrm{\ΔB}}\right];$

(6)对于用户N-1到用户1，D_i＝D_i+1-d_i+1，分配的带宽为

步骤四，带宽分配控制器进入下一时隙，进行新一轮调度决策。新调度重复以上步骤。

所述计算伪队列长度C_i(t)的递推式为：C_i(0)＝0，C_i(t+1)＝C_i(t)+1-b_i(t)，其中为时隙t传输的数据可以维持的视频播放时间。

为了保证每个用户的缓冲时间不至于过长，需要保证队列长度的有限性，即在时间T→∞时，保证用户请求数据传输完，将伪队列在时间域上相加，得到C_i(T)即用户i的总缓冲等待时间。

令 $\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,d_i\left(n\right))=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[V\·E_i\left(t\right)+C_i\left(t\right)(1-b_i\left(t\right))],$ 其中，V是实现单个基站移动终端能耗和用户缓冲等待时间权衡的平衡因子，V越大节约的能量越多，而等待时间越长，E_i(t)为用户i在时隙t中消耗的能量， $E_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{ccc}{E}_{i,\mathrm{trans}}\left(t\right)& \mathrm{if}& d_i\left(t\right)\≠0\\ E_{i,\mathrm{tail}}\left(t\right)& \mathrm{if}& d_i\left(t\right)=0\end{array}\right.,$ d_i(t)为本时隙分配的带宽，E_i.trans(t)为传输能耗，E_i.trans(t)＝P(signal_i(t))×d_i(t)，P(signal_i(t))为传输功率，即在一定的信号强度下，每传输1byte的数据消耗的能量，E_i,tail(t)为尾能耗。

本发明使用的基本传输模型和参数设置：

定义1

数据块：一个移动终端在一个时隙收到的流媒体数据，称为一个数据块。数据块只有接收完全之后，才能使用。因此，数据块只能在下一个时隙使用。

定义2

信号强度signal_i(t)：signal_i(t)为用户i在时隙t的时候移动终端的信号强度，假设一个时隙内，信号强度维持恒定。

定义3

最大吞吐率Th(signal_i(t))：在一定的信号强度下，基站每时隙可以分配给一个用户的最大传输码率(单位为byte/s)，称为最大吞吐率，记作Th(signal_i(t))。一般信号强度越大，可传输的数据量越大(根据当地具体的网络情况而定，一般呈线性关系)。若在时隙t分配给用户i的带宽为d_i(t)(byte/s)，那么要求d_i(t)≤Th(signal_i(t))。

定义4

最大服务带宽B(t)：由于基站服务各种应用，流媒体应用只占其中一部分，在时隙t可以分配给流媒体应用的带宽，记为B(t)。要求

本发明使用的计算能耗与传输能耗计算方法如下：

定义5

传输功率P(signal_i(t))：在一定的信号强度下，每传输1byte的数据消耗的能量，记作P(signal_i(t))。

当时隙长度为1s，给用户i的带宽为d_i(t)，那么此时的传输能量为E_i.trans(t)＝P(signal_i(t))×d_i(n)。

在背景中也提到，当移动终端结束数据接受时，用户不会立即降到低电平状态。而会在高电平状态维持一段时间，此状态称为尾状态，能量为尾能耗。在3G中，移动终端进行无线通信时，主要经历三个阶段CELL_DCH，CELL_FACH，CELL_IDLE，对应的功耗分别为P_d，P_f，0。当数据传输结束之后，用户会现在CELL_DCH状态维持一个定时器的时间，记为T₁。如果仍没数据传输，用户状态下降为CELL_FACH，再经历一段没有数据传输的时间T₂，才降入低电平CELL_IDLE状态。LTE系统中也有类似的无线资通信能耗控制机制，具体的3G和LTE无线通信能耗转换机制请参考附图2.

如果Δt为两段数据传输之间的时间差，对于3G，可以得到尾能耗为，

$E_{\mathrm{tail}}\left(\mathrm{\&Delta;t}\right)=\left\{\begin{array}{ccc}{P}_d\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}& \mathrm{if}& 0\&le;\mathrm{\&Delta;t}<T_1\\ P_d\&CenterDot;T_1+P_f\&CenterDot;(\mathrm{\&Delta;t}-T_1)& \mathrm{if}& T_1\&le;\mathrm{\&Delta;t}<T_2\\ P_d\&CenterDot;T_1+P_f\&CenterDot;T_2& \mathrm{if}& \mathrm{\&Delta;t}<T_1+T_2\end{array}\right.$

当时隙t没有数据传输的时候，可能会产生尾能耗，这个需要根据之前时隙的情况进行判断，计算方法如上式的分段函数，简单记为E_i,tail(t)。

令E_i(t)为用户i在时隙t中消耗的能量，d_i(t)为本时隙分配的带宽，则消耗的能耗可以表示为

$E_i\left(t\right)=\left\{\begin{array}{ccc}{E}_{i,\mathrm{trans}}\left(t\right)& \mathrm{if}& d_i\left(t\right)\&NotEqual;0\\ E_{i,\mathrm{tail}}\left(t\right)& \mathrm{if}& d_i\left(t\right)=0\end{array}\right.$

则N个用户，在一段时间T(总时隙个数T)消耗的平均能量：

$\stackrel{\&OverBar;}{E}=\frac{1}{\mathrm{NT}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{t=0}{\overset{T-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{E}_i\left(t\right)$

本发明使用的用户缓冲时间的计算方法如下：

定义6

视频播放速率p_i：流媒体应用每个时隙平均消耗的数据量称为播放速率，记作p_i。

定义7

剩余数据r_i(t)：在时隙t开始时，用户缓存中剩余的数据量称为剩余数据，记作r_i(t)，令r_i(0)＝0。

如果缓存中的数据不足够，用户的播放就会卡顿。时隙t+1的剩余数据量可以根据前一时隙的情况进行计算，r_i(t+1)＝max{(r_i(t)+d_i(t)-tp_i),0}.

定义8

缓冲时间c_i(t)：在时隙t由于缓存中的数据不够，导致用户等待的时间，记作c_i(t)，令c_i(0)＝0。

缓冲时间可以根据剩余数据量进行计算，当用户已经获得所有的数据，那么该时隙的等待时间为0。则在时间T内，所有用户的平均的等待时间可以表示为

$\stackrel{\&OverBar;}{C}=\frac{1}{\mathrm{NT}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{t=0}{\overset{T}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_i\left(t\right)$

设T_i为用户i的视频总的持续时间，从请求视频到视频播放结束的时间，总的等待时间可以表示为

$C_i\left(T_i\right)=T_i-\underset{t=0}{\overset{T_i-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{d_i\left(t\right)}{p_i}$

本发明设计的带宽资源分配算法如下：

在每个时隙t开始的时候，各个用户的缓冲等待时间的伪队列定义为而每个用户在本时隙分配的带宽为d₁(t),d₂(t),…,d_n(t)。由于调度的周期为1s，因此一个时隙分配的带宽大小和获得的数据量相等，这些数据量可以支持用户的播放时间为b₁(t),b₂(t),…,b_n(t)，且有而每个时隙，正常情况下，用户消耗1s的数据量。定义每个移动终端在初始接入的时刻缓冲时间的伪队列长度为0，即C_i(0)＝0。根据上一时隙的伪队列长度可以获得下一个时隙的长度：

C_i(t+1)＝C_i(t)+1-b_i(t)

之所以称之为伪队列，其队列长度可以为负值。当队列长度为负值时，表示用户的缓存中有足够的数据，还可以维持播放；当队长为正值的时候，表示缓存中数据不够，用户需要等待。伪队列的设计可以保证各个用户的公平性。

为了保证每个用户的缓冲时间不至于过长，需要保证队列长度的有限性，即

$\stackrel{\&OverBar;}{C}=\underset{T\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\sup \frac{1}{\mathrm{NT}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_i\left(T\right)<\&infin;$

在时间T→∞时，保证用户请求数据传输完，可以将伪队列在时间域上相加，可以得到C_i(T)就是用户i的总缓冲等待时间。因此控制伪队列的长度，即为控制用户的缓冲时间。

基于能量优化与等待缓冲时间有限的要求，本发明的问题可以形式化为：

$\begin{array}{ccc}\min & \stackrel{\&OverBar;}{E}& \\ S.T.& \stackrel{\&OverBar;}{C}<\&infin;,& \\ & d_i\left(t\right)\&le;\left({\mathrm{signal}}_i\left(t\right)\right)& i=\mathrm{1,2},...,N---\left(1\right)\\ & & t=\mathrm{0,1},...,T\\ & \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{d}_i\left(t\right)\&le;B\left(t\right)& t=\mathrm{0,1},...,T---\left(2\right)\end{array}$

基于李雅普诺夫稳定性理论，此优化问题可以通过最小化漂移惩罚因子(drift-plus-penalty)的上界求解，即在限制(1)(2)的情况下，最小化以下式子：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}[V\&CenterDot;E_i\left(t\right)+C_i\left(t\right)(1-b_i\left(t\right))]$

为了简化描述，令 $\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}f(i,d_i\left(n\right))=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}[V\&CenterDot;E_i\left(t\right)+C_i\left(t\right)(1-b_i\left(t\right))],$ 并称f(i,d_i(n))为用户效益函数。其中，V是实现单个基站移动终端能耗和用户缓冲等待时间权衡的平衡因子，调整V的大小。V越大节约的能量越多，而等待时间越长，反之亦然。

基于此最优化问题的求解方法，本发明设计了在线流媒体带宽的资源分配算法EM，即在每个时隙开始时，依据以上公式，对基站的带宽资源进行分配，分配完毕之后，按照分配结果给用户传输数据。本算法的执行周期为1s，可以修改执行周期，基本方法不变。

本发明使用的任务调度算法的性能保证：

对于任意的用户数据请求，能量优化的带宽分配方法可以获得在时间平均能耗和缓冲等待时间的性能：

$\stackrel{\&OverBar;}{E}\&le;{\stackrel{\&OverBar;}{E}}^{*}+\frac{\mathrm{\&xi;}}{V},$

$\stackrel{\&OverBar;}{C}\&le;\frac{\mathrm{\&xi;}+V\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{E}}^{*}}{\mathrm{\&eta;}},$

其中，ξ，η是基于李雅普诺夫稳定性理论的两个放缩常数，而为可以获得最优能耗。以上公式说明单基站的所有用户流媒体应用的平均能耗可以O(1/V)的接近最优能耗值；平均等待时间可以O(V)的接近最优值。

与现有技术相比，本发明公开了一种在移动蜂窝网中，单个基站的流媒体带宽资源分配的策略。当一个移动蜂窝网基站范围中，有多个用户请求流媒体应用的数据时，基站需要分配带宽资源，本发明设计了改情况下的一种节能的带宽资源分配算法，保证所有用户的缓冲时间有限，且使各个用户获得相对公平的服务和较小的能量消耗。另外，本发明公开的方法还允许网络管理者通过精度参数，控制算法的复杂度和算法精度，同时设计了调节系数V，实现移动终端能耗与用户视频缓冲时间的权衡。本发明能够有效地解决单基站多用户的流媒体带宽分配问题，以获得能量的优化，满足延迟的限制，同时根据工程需要适当的调整ΔB，还可以调整算法的精度和复杂度，具有一定的实用性和创新性。

附图说明

图1是本发明的部署示意图。

图2是无线通信的各个能耗状态转换图，包括3G和4G的转换图。

图3是本发明的单基站多用户情况下能量优化的带宽分配流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明提出一种蜂窝网中单基站多用户中流媒体带宽资源分配方法，旨在最小化网络中移动终端的平均能耗，同时控制所有用户的平均缓冲时间。本流媒体带宽资源分配方法的控制器部署在蜂窝网的基站和核心网之间，通过收集移动终端请求的数据量，信号强度，用户流媒体数据消耗速率等等，对基站的带宽资源进行分配，决策每个终端应该获得的带宽。其具体部署运行方式如附图1所示，本方法的控制器主要分成四个部分：信息采集模块，数据传输模块，数据接收模块，调度模块。信息采集模块接收和收集移动终端的信息，并获取基站可以提供的带宽资源。数据接收模块接收核心网的数据，作为一个临时缓存。根据收集的信息，能耗优化的资源分配算法在调度模块执行，决策给各个用户分配的带宽。根据能耗优化流媒体带宽资源分配算法的结果，数据传输模块进行数据传输。能耗优化流媒体带宽资源分配算法根据不同信号强度的能量消耗及各用户的信号强度差异，调度传输数据，尽量在用户接收到的信号强度好的时候传输数据(信号强度大于-70dBm)，在用户接收的信号强度较差的时候尽量少传输数据(如信号强度低于-100dBm)，提高电池的利用率，且调度传输也可以减少链路的竞争，保证各个用户接入网络的公平性。

本发明设计的能耗优化流媒体带宽资源分配算法主要针对蜂窝网的流媒体应用。流媒体应用的特征是边下载边播放，因此对时延相当敏感，当缓存中没有数据的时候，用户需要等待。等待时间越长，用户体验越差。因此在设计带宽分配策略的时候，需要同时保证所有用户的平均等待时间不能过长。

能耗优化流媒体带宽资源分配算法需要在时间域上按照时隙运行，时刻监听信道的信息和用户的信息，更新带宽分配比例，这样可以更好地为用户服务，一般定义能耗优化流媒体带宽资源分配算法的运行时间间隔为一个时隙，时隙长度暂定τ＝1s，即每秒更新一次基站的带宽分配。若时隙t有N个用户，那么流媒体带宽资源分配算法需要对N个用户进行调度。

以上是本发明所基于的一些基本原理，具体地，如图1所示，本专利的带宽分配策略首先需要在基站和服务器之间建立一个调度控制器。调度控制器定期收集网络中用户数量，用户的播放速率，用户请求视频的大小，同时更新用户的缓冲时间等等。当蜂窝网中，多个用户请求流媒体数据时，调度控制器为了节约移动终端的能量，同时保证用户的体验(即保证缓冲时间不超过一定限制)，运行能耗优化的流媒体带宽分配策略，为各个用户分配带宽。具体的方法通过以下步骤来实施：

步骤一，在时隙t时，移动设备i向带宽分配控制器请求流媒体数据观看视频，请求的视频数据大小为M_i，此时带宽分配控制器给用户i分配新缓存队列，并赋予队列长度初始值C_i(t)＝0，其他用户的队长不变；若时隙t有用户离开或者视频数据已经传输完毕，带宽分配控制器释放该用户的缓冲时间队列，不再为其分配宽带宽资源；

步骤二，带宽分配控制器收集用户i的信号强度signal_i(t)，用户视频播放的平均速率p_i，基站在本时隙可提供的流媒体服务带宽B(t)，设置网络带宽分配最小单元为ΔB，ΔB为带宽分配精度参数；

步骤三，带宽分配控制器根据收集的数据，对此时的带宽进行分配：

(1)根据递推式，计算本时隙各个用户的伪队列长度C_i(t)，为后续计算做准备；根据信号强度计算用户i此时可支持的最大吞吐率Th(signal_i(t))，为每个用户建立一个候选带宽集合{0,ΔB,2ΔB,…,K_iΔB}，其中K_i为使得K_iΔB≤Th(signal_i(t))成立的最大整数；用S记录带宽分配总量，S的变换范围为{0,ΔB,2ΔB,…,K_SΔB}，其中K_S为使K_SΔB≤B(t)成立的最大整数；

(2)初始化，令所有用户此时分配的带宽为d_i(t)＝0，数组a[i][s]记录瞬时带宽分配带来的最优效益值，在时刻开始时初始化a[i][s]←0，数组g[i][s]记录瞬时带来最优效益分配的带宽，在时刻开始时初始化g[i][s]←0，数组的大小均为N×(s+1)，其中S由(1)的K_s决定，s＝K_s；

(3)对于用户i＝1，在最大吞吐率Th(signal_i(t))限制的条件下，该用户候选带宽集合中的带宽{0,ΔB,2ΔB,…,K₁ΔB}，将不同的带宽值d1遍历带入用户效益函数f(1,d₁)中，f(1,d₁)＝V·E₁(t)+C₁(t)(1-b₁(t))，将每一个用户效益值f(1,d₁)赋值给将每个不同的带宽值d₁赋给其中d₁的范围为0≤d₁≤K₁ΔB；

(4)从i＝2到i＝N，，进行以下步骤，其中N为用户个数：

(4.1)对于S从0到K_SΔB进行以下步骤，其中带宽的步进为ΔB；

(4.2)遍历d_i(t)从0到K_iΔB，计算用户的瞬时总效益，记为f′(i,d_i(t))，令在遍历完所有可能带宽值之后，将用户i获得的最小值用户瞬时效益赋给并将最小瞬时总效益对应的带宽值d_i(t)赋给其中S-d_i(t)≥0；

(5)当所有用户都遍历完毕之后，选择数组a[i][s]中最后一行中最小的值对应的带宽赋给D_N，即给用户N分配的带宽为 $d_N=g\left[N\right]\left[\frac{D_N}{\mathrm{\&Delta;B}}\right];$

(6)对于用户N-1到用户1，D_i＝D_i+1-d_i+1，分配的带宽为

步骤四，带宽分配控制器进入下一时隙，进行新一轮调度决策。新调度重复以上步骤。

综上所述，本专利公开了一种在无线蜂窝网中，单个基站的能耗优化的流媒体应用带宽资源分配方法。本方法首先在基站和核心网之间部署的带宽分配控制器，定期收集网络流媒体应用的服务带宽，各个用户的信号强度信息，各个用户视频播放的速率，用户请求的流媒体数据大小等信息，当网络中移动用户请求流媒体数据的时候，带宽分配控制器运行能耗优化流媒体带宽资源分配算法，为蜂窝网中的流媒体用户进行带宽的分配，本发明可保证所有用户的缓冲时间有限和相对公平的服务，且使各个用户获得较小的能量消耗，还允许网络管理者通过精度参数，控制算法的复杂度和算法精度，同时根据调节系数V可以实现移动终端能耗与用户视频缓冲时间的权衡。

Claims (6)

1.一种能耗优化的流媒体应用带宽资源分配方法，其特征在于，在蜂窝网的基站和核心网之间部署的带宽分配控制器，当网络中移动用户请求流媒体数据时，带宽分配控制器按照如下方法为各个用户分配带宽： 

步骤一，在时隙t时，移动设备i向带宽分配控制器请求流媒体数据观看视频，请求的视频数据大小为M_i，此时带宽分配控制器给用户i分配新缓冲时间队列，并赋予队列长度初始值C_i(t)＝0，其他用户的队长不变；若时隙t有用户离开或者视频数据已经传输完毕，带宽分配控制器释放该用户的缓冲时间队列，不再为其分配宽带宽资源； 

步骤二，带宽分配控制器收集用户i的信号强度signal_i(t)，用户视频播放的平均速率p_i，基站在本时隙可提供的流媒体服务带宽B(t)，设置网络带宽分配最小单元为ΔB，ΔB为带宽分配精度参数； 

步骤三，带宽分配控制器根据收集的数据，对此时的带宽进行分配： 

(1)根据递推式，计算本时隙各个用户的伪队列长度C_i(t)，为后续计算做准备；根据信号强度计算用户i此时可支持的最大吞吐率Th(signal_i(t))，为每个用户建立一个候选带宽集合{0,ΔB,2ΔB,…,K_iΔB}，其中K_i为使得K_iΔB≤Th(signal_i(t))成立的最大整数；用S记录带宽分配总量，S的变换范围为{0,ΔB,2ΔB,…,K_SΔB}，其中K_S为使K_SΔB≤B(t)成立的最大整数； 

(2)初始化，令所有用户此时分配的带宽为d_i(t)＝0，数组a[i][s]记录瞬时带宽分配带来的最优效益值，在时刻开始时初始化a[i][s]←0，数组g[i][s]记录瞬时带来最优效益分配的带宽，在时刻开始时初始化g[i][s]←0，数组的大小均为N×(s+1)，其中s由(1)的K_s决定，s＝K_s； 

(3)对于用户i＝1，在最大吞吐率Th(signal_i(t))限制的条件下，该用户候选带宽集合中的带宽{0,ΔB,2ΔB,…,K₁ΔB}，将不同的带宽值d₁遍历带入用户效益函数 f(1,d₁)中，f(1,d₁)＝V·E₁(t)+C₁(t)(1-b₁(t))，将每一个用户效益值f(1,d₁)赋值给 将每个不同的带宽值d₁赋给其中d₁的范围为0≤d₁≤K₁ΔB； 

(4)从i＝2到i＝N，进行以下步骤，其中N为用户个数： 

(4.1)对于S从0到K_SΔB进行以下步骤，其中带宽的步进为ΔB； 

(4.2)遍历d_i(t)从0到K_iΔB，计算用户的瞬时总效益，记为f′(i,d_i(t))，令 在遍历完所有可能带宽值之后，将用户i获得的最小值用户瞬时效益赋给并将最小瞬时总效益对应的带宽值d_i(t)赋给且需保证其中S-d_i(t)≥0； 

(5)当所有用户都遍历完毕之后，选择数组a[i][s]中最后一行中最小的值对应的带宽赋给D_N，即给用户N分配的带宽为 

(6)对于用户N-1到用户1，D_i＝D_i+1-d_i+1，分配的带宽为

步骤四，带宽分配控制器进入下一时隙，进行新一轮调度决策。新调度重复以上步骤。 

2.根据权利要求1所述能耗优化的流媒体应用带宽资源分配方法，其特征在于，所述计算伪队列长度C_i(t)的递推式为：C_i(0)＝0，C_i(t+1)＝C_i(t)+1-b_i(t)，其中为时隙t传输的数据可以维持的视频播放时间。 

3.根据权利要求1所述能耗优化的流媒体应用带宽资源分配方法，其特征在于，为了保证每个用户的缓冲时间不至于过长，需要保证队列长度的有限性，即在时间T→∞时，保证用户请求数据传输完，将伪队列在时间域上相加，得到C_i(T)即用户i的总缓冲等待时间。 

4.根据权利要求1所述能耗优化的流媒体应用带宽资源分配方法，其特 征在于，令其中，V是实现单个基站移动终端能耗和用户缓冲等待时间权衡的平衡因子，V越大节约的能量越多，而等待时间越长，E_i(t)为用户i在时隙t中消耗的能量， d_i(t)为本时隙分配的带宽，E_i.trans(t)为传输能耗，E_i.trans(t)＝P(signal_i(t))×d_i(t)，P(signal_i(t))为传输功率，即在一定的信号强度下，每传输1byte的数据消耗的能量，E_i,tail(t)为尾能耗。 

5.根据权利要求4所述能耗优化的流媒体应用带宽资源分配方法，其特征在于，在3G中，Δt为两段数据传输之间的时间差，P_d为3G中移动终端进行无线通信时CELL_DCH阶段对应的功耗，P_f为CELL_FACH阶段对应的功耗，T₁为数据传输结束之后，用户在CELL_DCH状态维持的一个定时器的时间，T₂为CELL_FACH状态下经历的没有数据传输的时间，经历T₂后，降入低电平CELL_IDLE状态。 

6.根据权利要求1所述能耗优化的流媒体应用带宽资源分配方法，其特征在于，设为流媒体应用传输中用户可以获得最优平均能耗，则所有用户的时间平均能耗和平均缓冲时间获得以下的效果： 

其中，ξ，η是基于李雅普诺夫稳定性理论的两个放缩常数。