CN113994644A - 一种用于传输视频数据流的通信实体和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种用于通过通信网络以目标传输比特率向用户设备(107a‑c)传输视频数据流的通信实体，其中，该通信实体包括：第一调度实例(103)，用于确定向用户设备转发视频数据流的初始传输比特率；以及第二调度实例(105)，用于基于初始传输比特率和视频比特率的集合确定目标传输比特率，该视频比特率的集合包括第一视频比特率和第二视频比特率，第一视频比特率与第一视频质量相关联，第二视频比特率与第二视频质量相关联，第一视频比特率小于第二视频比特率，其中，第二调度实例用于如果初始传输比特率不超过第一视频比特率，选择初始传输比特率作为目标传输比特率。

Description

一种用于传输视频数据流的通信实体和方法
技术领域
总体上，本申请公开涉及无线通信领域。更具体地，本申请公开涉及一种用于通过通信网络向用户设备传输视频数据流的通信实体和对应的方法。
背景技术
在典型的HTTP自适应流(HTTP Adaptive Streaming，HAS)系统中，视频文件以称为表示的不同比特率(即，质量)进行编码，其中，每个表示都划分成具有相似持续时间的段。所有段都存储在网络服务器中，并经由后续的HTTP请求以客户端选择的质量逐个向客户端流传输。HAS系统不包括关于应如何执行比特率自适应(质量选择)的规范，而是将应用其自身的自适应策略的任务委托给客户端。
但是，所有的HAS客户端都是贪婪的，因为它们被设计为获得最高可能的体验质量(Quality of Experience，QoE)，即，客户端寻求在给定的网络条件下以最高的支持质量下载段。
在移动网络的上下文中，在视频流传输服务受移动性和小区负载变化的影响的情况下，HAS客户端不断适应流传输质量，以应对吞吐量变化。由于自适应视频客户端贪婪地运行，一方面可能会使蜂窝网络资源过载，降低其他网络用户的QoE，另一方面可能会遭受持续的比特率振荡。问题的根源在于，每个HAS客户端只关注由竞争相同无线资源的其他客户端的存在而产生的吞吐量的变化。
因此，为了考虑这些因素以及避免由于视频比特率不必要的切换和HAS业务相对于其他业务类型不公平的资源分配而导致的不稳定的缺点，自适应视频流的存在需要仔细的资源管理。
通常，针对上述认定问题的现有方法可分为以下三种中的一种：首先，可以通过网络运营商将HAS客户端的流传输比特率限制为固定的速率，称为“静态速率节流”。这迫使HAS客户端在大多数服务中选择中等质量，以换取一些好处，例如，流传输业务不会被添加到用户的每月数据上限中的零费率合同。静态速率节流的问题在于，它不适应网络负载：在低负载时，用户得不到高质量，因此浪费了容量，而在高负载时，没有逐步控制HAS业务的机制。
其次，跨层分配方案得益于流传输的应用层信息，例如回放缓冲区占用。用信号将信息发送给基站调度器，以调整其调度结果。然而，跨层信令必须由过顶(over-the-top，OTT)服务的运营商采用，迄今为止，所有对此类信令接口和协议进行标准化的尝试都失败了。即便有了这样的标准，OTT和运营商之间相互冲突的技术目标也使得这些标准不太可能被采用。OTT旨在将给定网络限制的QoE最大化，而运营商旨在将给定QoE限制的网络效率最大化。OTT几乎没有兴趣为调度器运行的较低协议层提供透明度。
第三种方法涉及“网络辅助的比特率自适应”：一种可替代方法是在网络侧(例如，在网关、路由器或基站处)估计关键应用参数，而不是利用跨层信令直接得到应用层信息。这种估计存在精度误差，并且通常依赖于深度数据包检测(deep packet inspection，DPI)技术。DPI计算昂贵，技术上很难或不可能利用端到端加密/隐私标准来实现，并且因为它能够实现访问可能代表侵犯隐私的敏感信息，所以可能受到法律约束的限制。
以下详细讨论了关于移动视频流传输的网络优化的一些最先进的研究：
T-Mobile US，作为2015年11月推出的Binge On项目的一部分，对于平均超过视频一分钟的视频流传输，使用1.5Mbit/s的静态限制。该解决方案在大多数情况下提供了480p的中等质量，并且没有提供控制质量振荡的方法，由于无法适应网络负载，因此效率不高。
在2017年的IEEE Commun.Lett.中的S.科隆内塞等人的作品《LTE蜂窝网络中用于基于HTTP的视频流传输的跨层带宽分配方案》(“A cross-layer bandwidth allocationscheme for HTTP-based video streaming in LTE cellular networks”，S.Colonneseet.al.，IEEE Commun.Lett.，2017)中，作者提出了一种跨层带宽分配方案，该方案考虑了信道质量、视频质量要求和HAS视频流的编码速率波动，并将用户经历的传输延迟最小化。但是，这项工作依赖于OTT和运营商之间的协作。
在2017纽约第八届ACM多媒体系统会议中的A.H.扎兰等人的作品《SAP：蜂窝网络中提高的dash视频体验的暂停感知速度》(“SAP:Stall-aware pacing for improved dashvideo experience in cellular networks”，A.H.Zahran et.al.in Proc.8th ACM onMultimedia Systems Conference，New York，2017)中，作者利用网络和客户端状态信息来优化单个视频流的速度，以减少视频暂停。然而，这项工作假定在调度器处，已知客户端处的当前视频缓冲区级，并且不考虑质量振荡。
在2016年的IEEE Trans.Circuits Syst.Video Technol.中的S.西卡尔等人的作品《改善LTE网络上HTTP自适应流传输的QoE和公平性》(“Improving QoE and fairness inHTTP adaptive streaming over LTE network”，S.Cical et.al.，IEEE Trans.CircuitsSyst.Video Technol.，2016)中，根据视频内容特征、播出缓冲区级和信道条件，优化无线电资源的共享。这项工作需要信道状态信息(Channel State Infomration，CSI)更新来设置保证比特率(Guaranteed Bit Rate，GBR)。此外，它忽略了质量变化，并且需要HAS服务器、客户端和基站之间的密切协作。
在2013年纽约的第13届移动计算和网络大会中的J.陈等人的作品《用于蜂窝网络上自适应视频递送的调度框架》(“A scheduling framework for adaptive videodelivery over cellular networks”，J.Chen et.al.in Proc.19thAnnu.Int.Conf.Mobile Computing and Networking，ser.MobiCom'13.New York，2013)中，作者最佳地计算了每个用户的比特率分配，包括调度器和每流整形器，以增强每个流的比特率稳定性。这项工作提供了网关级的解决方案，并执行了网络侧比特率自适应。但是，对于产生质量切换的在动态场景，由于用户到达/离开以及移动性，它并不高效。
US13/789,462提供了对视频缓冲区占用和视频流特性(比特率，缓冲区延迟)的估计。然后，该信息被基站调度器使用，来调整其调度结果。但是，它依赖于访问数据包内容和元数据信息，来获得缓冲区占用估计。
EP2016/082709提出了一种基于视频帧(I、P、B)类型分配资源的调度器。但是，它需要代理服务器将每个数据包按视频帧类型分类，这对于利用数据加密的任务来说并不容易。
US2014/018657是基于识别可以维持通过HTTP的动态自适应流传输(dynamicadaptive streaming over HTTP，DASH)客户端的特定视频质量的比特率的。它使用虚拟播放器来锁定特定时间间隔的比特率。但是，它没有考虑质量振动，也没有提供在不同类型的业务之间高效且公平地利用资源的方法。
鉴于上述，仍然需要一种允许更高效地向用户设备传输视频数据流的改进的通信实体和对应的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于通过通信网络更高效地向用户设备传输视频数据流的改进的通信实体和对应的方法。
前述目的和其他目的是通过独立权利要求的主题实现的。根据从属权利要求、说明书和附图，进一步的实现形式是显而易见的。
总体上，本发明涉及在存在自适应流传输用户的情况下，移动网络中无线电资源的调度。该调度由与基站处现有的调度器协作的新实例实时执行。这种新机制确保了自适应流传输用户的视频质量稳定性，以及所有用户间高效且公平地利用网络资源。本发明关注HTTP自适应流传输(HAS)的具体业务类型，其是一类基于超文本传输协议(hypertexttransfer protocol，HTTP)用来递送多媒体数据(即，视频和音频)的应用协议。常见的规范是通过HTTP的动态自适应流传输(DASH)和HTTP实时流传输(HTTP live streaming，HLS)。
更具体地，本发明的实施例提供了一种新的调度实例(以下也称为“第二调度实例”)，其位于基站处，并且与基站的现有调度器(以下也称为“第一调度实例”)密切协作。第二调度实例的功能可以总结如下：
首先，第二调度实例接收来自主调度器，即第一调度实例，的HAS用户的瞬时速率和平均速率。其次，第二调度实例检索每个HAS用户的视频比特率的集合，例如，通过访问比特率数据库或直接从服务供应商查询该集合。它通过考虑可用的视频比特率的集合来调整第一调度实例的输出，即HAS用户的平均速率。这是通过调整速率以等于低于该速率的最高视频比特率来实现的。
此外，第二调度实例在每个时隙调度HAS用户，以通过利用公平调度策略实现目标速率。将结果发送给主调度器(即，第一调度实例)，使得主调度器可以将HAS和非HAS用户的所有调度结果转发给基站的发射机。此外，第二调度实例通知主调度器未分配的资源，使得它们能够用于非HAS用户，从而不浪费容量。
因此，根据第一方面，本发明涉及一种用于通过通信网络以目标传输比特率向用户设备传输视频数据流的通信实体，其中，所述通信实体包括：第一调度实例，用于确定向所述用户设备转发所述视频数据流的初始传输比特率，以及第二调度实例，用于基于所述初始传输比特率和视频比特率的集合，确定所述目标传输比特率，所述视频比特率的集合包括第一视频比特率和第二视频比特率，所述第一视频比特率与第一视频质量相关联，所述第二视频比特率与第二视频质量相关联，所述第一视频比特率小于所述第二视频比特率，其中，所述第二调度实例用于：如果所述初始传输比特率不超过所述第一视频比特率，选择所述初始传输比特率作为所述目标传输比特率。
因此，提供了一种改进的通信实体，允许以有效的方式通过蜂窝通信网络向用户设备传输视频数据流的。
在第一方面的另一种可能的实现形式中，所述第二调度实例用于：如果所述初始传输比特率超过所述第一视频比特率，将所述初始传输比特率与所述第二视频比特率进行比较；以及如果所述第二视频比特率不超过所述初始传输比特率，选择所述第二视频比特率作为所述目标传输比特率，或者，如果所述第二视频比特率超过所述初始传输比特率，选择所述第一视频比特率作为所述目标传输比特率。
在第一方面的另一种可能的实现形式中，所述视频比特率的集合包括与多个视频质量相关联的多个视频比特率，以及其中，所述第二调度实例用于从所述多个视频比特率中的小于所述初始传输比特率的那些视频比特率中确定最大视频比特率，或者从所述多个视频比特率中确定小于所述初始传输比特率的最低视频比特率，其中，所述通信实体用于选择分别确定的所述视频比特率作为所述目标传输比特率。
在第一方面的另一种可能的实现形式中，所述通信实体用于以另一目标传输比特率向另一用户设备传输另一视频数据流，其中，所述第一调度实例用于确定向所述另一用户设备转发所述另一视频数据流的另一初始传输比特率；以及其中，所述第二调度实例用于基于所述另一初始传输比特率和所述视频比特率的集合，确定所述另一目标传输比特率，其中，所述第二调度实例用于：如果所述另一初始传输比特率不超过所述第一视频比特率，选择所述另一初始传输比特率作为所述另一目标传输比特率。可替换地，所述第二调度实例用于基于所述另一初始传输比特率和另一视频比特率的集合，确定所述另一目标传输比特率，所述另一视频比特率的集合包括第三视频比特率和第四视频比特率，所述第三视频比特率与第三视频质量相关联，所述第四视频比特率与第四视频质量相关联，所述第三视频比特率小于所述第四视频比特率，其中，所述第二调度实例用于：如果所述另一初始传输比特率不超过所述第三视频比特率，选择所述另一初始传输比特率作为所述另一目标传输比特率。
在第一方面的另一种可能实现形式中，所述第一调度实例用于调度所述通信实体的第一无线电资源，以向所述用户设备传输所述视频数据流，以及调度所述通信实体的第二无线电资源，以进行其他数据通信。
其他数据通信包括例如与非HAS用户设备的通信，并且第二无线电资源是尚未分配的用于传输视频数据流的空闲的无线电资源。
在第一方面的另一种可能的实现形式中，所述第二调度实例用于接收来自所述第一调度实例的所述初始传输比特率，以及向所述第一调度实例提供所述目标传输比特率，以及其中，所述第一调度实例用于调度所述通信实体的无线电资源，以所述目标传输比特率向所述用户设备传递所述视频数据流，或者其中，所述第二调度实例还用于调度所述通信实体的无线电资源，以所述目标传输比特率向所述用户设备传递所述视频数据流，以及向所述第一调度实例提供指示调度的所述无线电资源的信息，以所述目标传输比特率向所述用户设备传递所述视频数据流。
在第一方面的另一种可能的实现形式中，所述通信实体包括接收接口，用于根据HTTP自适应流传输技术，特别是通过因特网，接收所述视频数据流。
在第一方面的另一种可能的实现形式中，所述第一调度实例以及所述第二调度实例形成所述通信实体的复合调度器，或者其中，所述第一调度实例以及所述第二调度实例是在所述通信实体中实现的单独的调度器。
在第一方面的另一种可能的实现形式中，所述通信实体包括数据库，用于存储所述视频比特率的集合，或者其中，所述第二调度实例用于通过所述通信网络或通过另一通信链路，从远程数据库中检索视频数据速率的集合。
在第一方面的另一种可能的实现形式中，所述第一调度实例用于确定对时隙内不同视频数据流的多个传输比特率求平均值的平均传输比特率，以及确定所述初始传输比特率作为所述平均传输比特率。
在第一方面的另一种可能的实现形式中，所述通信实体包括传输接口，用于以所述目标传输比特率向所述用户设备传输所述视频数据流。
在第一方面的另一种可能的实现形式中，所述传输接口用于通过无线电通信网络向所述用户设备传输所述视频数据流。
在第一方面的另一种可能的实现形式中，所述通信实体是基站或演进型基站eNodeB。
在第一方面的另一种可能的实现形式中，所述第二调度实例用于通过以下等式从多个用户设备中确定用于在时隙t分配所述通信实体的无线电资源c的最佳用户设备
Figure BDA0003299289840000051
对于c∈K
Figure BDA0003299289840000052
其中，K表示可用的无线电资源，
Figure BDA0003299289840000053
表示将视频数据流从所述通信实体传输至所述多个用户设备中的一个用户设备i的目标传输比特率，γi(t)表示将视频数据流从所述通信实体传输至各自的所述用户设备i的实际传输比特率，
Figure BDA0003299289840000054
表示各自的所述用户设备i在所述无线电资源c的所述时隙t的瞬时比特率，以及iv表示与所述通信实体进行其他数据通信的用户设备，其中，所述第一调度实例(103)用于向所述第二调度实例提供各自的所述用户设备i的所述瞬时比特率
Figure BDA0003299289840000055
根据第二方面，本发明涉及一种用于由通信实体通过通信网络以目标传输比特率向用户设备传输视频数据流的方法。所述方法包括以下步骤：由所述通信实体的第一调度实例确定向所述用户设备转发所述视频数据流的初始传输比特率；以及在第二调度实例处，基于所述初始传输比特率和视频比特率的集合，确定所述目标传输比特率，其中，所述视频比特率的集合包括第一视频比特率和第二视频比特率，所述第一视频比特率与第一视频质量相关联，所述第二视频比特率与第二视频质量相关联，所述第一视频比特率小于所述第二视频比特率，其中，如果所述初始传输比特率不超过所述第一视频比特率，所述第二调度实例选择所述初始传输比特率作为所述目标传输比特率。
因此，提供一种改进的方法，允许以有效的方式通过通信网络从通信实体向用户设备传输视频数据流。
附图说明
结合以下附图将对本发明的其他实施例进行描述，其中：
图1示出了表示根据实施例的包括根据实施例的通信实体和用户设备的通信系统的示意图；
图2示出了表示根据实施例的包括根据实施例的通信实体和多个用户设备的通信系统的示意图；
图3示出了表示根据实施例的调度实例使用的无线资源分配的算法的示意图；
图4示出表示了根据比例公平调度器的典型用户的视频质量动态随时间变化的示意图；
图5示出了表示根据实施例的典型用户的视频质量动态随时间变化的示意图；
图6示出了根据实施例的调度实例和用于RAN切片的比例公平调度器之间的性能比较；
图7示出了根据实施例的调度实例和用于RAN共享的比例公平调度器之间的性能比较；
图8示出了表示根据实施例的一种通过通信实体向用户设备传输视频数据流的方法的示意图。
在各个附图中，相同的附图标记将用于相同或至少功能等同的特征。
具体实施方式
结合附图进行以下描述，附图作为本公开的一部分，示例性地示出了可以实现本发明的具体方面。应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其它方面并且可以进行结构或逻辑变化。因此，下面的详细描述不应被理解为限制性的，因为本发明的范围由所附权利要求限定。
例如，应理解，与所述方法相关的公开也可适用于配置为执行该方法的对应设备或系统，反之亦然。例如，若描述了特定的方法步骤，则相应的设备可包括用于执行所描述的方法步骤的单元，即使这种单元没有在附图中被明确地描述或示出。进一步地，应理解，除非另有特别说明，否则本文中描述的各示例性方面的特征可以彼此组合。
总体上，本发明涉及一种通信实体，该通信实体在由于信道和负载变化而产生的动态场景下工作良好，用于通过通信网络向用户设备传输视频数据流。本发明关注HTTP自适应流传输(HAS)的具体业务类型，其是一类基于超文本传输协议(HTTP)用来递送多媒体数据(即，视频和音频)的应用协议。常见的规范是通过HTTP的动态自适应流传输(DASH)和HTTP实时流传输(HLS)。
由于大部分多媒体业务是由HAS协议产生的(参见桑德怀恩的《全球互联网现象：拉丁美洲和北美》，《白皮书》，2016(Sandvine，“Global Internet Phenomena:LatinAmerica&North America”，White Paper，2016))，因此，互联网中的大部分多媒体业务(参见思科的《思科视觉网络指数：预测和趋势，2017-2022》，《白皮书》，2019(Cisco，“CiscoVisual Networking Index：Forecast and Trends，2017-2022”，White Paper，2019))以及其特定的服务要求使得在HAS用户存在的情况下优化网络资源管理非常可取。
本发明的实施例提供了一种能够仲裁多个业务流的公平调度实例，其中，以稳定的方式控制HAS流。此外，本发明的实施例可以与在基站处实现的任何现有调度策略以及任何HAS客户端自适应策略相结合，从而促进快速且方便的部属。
如下文将参考图1和图2更详细地描述，本发明的实施例启用了新的调度实例(以下也称为“第二调度实例”和图中的“顾问”)，其确保了HAS用户(以下也称为用户设备)的比特率稳定性。该调度实例位于基站处，并且与基站的现有调度器(以下也称为“第一调度实例”)密切协作。
第二调度实例用于计算HAS用户设备的调度结果并将它们传递给第一调度实例。为了进行该计算，第二调度实例接收来自第一调度实例的关于HAS用户设备的传输比特率的信息(即，用户设备的平均传输比特率和瞬时传输比特率)，这是在第一调度实例处已经存在的信息。
第二调度实例还用于接收每个HAS用户的视频比特率的集合作为输入。该视频比特率的集合可以通过其他方式获取，例如，通过从比特率数据库中检索，该比特率数据库包含将源互联网协议(internet protocol，IP)地址或域名服务器(domain name servers，DNS)映射到给定服务供应商，从而映射到该供应商的已知比特率的查找表，或通过直接从服务供应商处查询，假设运营商和过顶(OTT)服务供应商之间的这种协作是可行的。
该视频比特率的集合用于为每个HAS用户设备寻找目标传输比特率。更准确地，该目标传输比特率是比特率列表的值之一，因为这确保了比特率的稳定性。然后，为了以公平的方式实现这些目标传输比特率，第二调度实例计算HAS用户的调度结果。
更具体地，图1示出了表示根据实施例的包括根据实施例的通信实体101和用户设备107的通信网络100的示意图。在一个实施例中，通信实体101是基站或演进型基站eNodeB，并且通信实体101用于通过通信网络100向用户设备107传输视频数据流。
根据一个实施例，通信实体101包括接收接口以及传输接口，该接收接口用于根据HTTP自适应流传输技术，特别是通过因特网，接收视频数据流，该传输接口用于向用户设备107传输视频数据流。具体地，通信实体101的传输接口用于通过无线电通信网络向用户设备107传输视频数据流。
同理，图2示出了表示根据实施例的包括根据实施例的通信实体101和多个用户设备107a-c的通信网络的示意图，其中，通信实体101用于通过通信网络向多个用户设备107a-c传输多个视频数据流。
从图1和图2所示的详细视图可以看出，通信实体101包括第一调度实例103和第二调度实例105。如图2的实施例所示，通信实体101还包括用于数据传输的基站发射机205。
在一个实施例中，第一调度实例103以及第二调度实例105形成通信实体101的复合调度器，或者第一调度实例103以及第二调度实例105是在通信实体101中实现的单独的调度器。
根据一个实施例，第一调度器103用于确定向用户设备107转发视频数据流的初始传输比特率，其中，第一调度实施例103用于确定初始传输比特率作为对时隙内不同视频数据流的多个传输比特率求平均值的平均传输比特率。
根据一个实施例，第二调度实例105用于基于初始传输比特率和视频比特率的集合，确定目标传输比特率，其中，视频比特率的集合包括与第一视频质量相关联的第一视频比特率和与第二视频质量相关联的第二视频比特率，并且其中，第一视频比特率小于第二视频比特率。
在一个实施例中，通信实体101包括用于存储视频比特率的集合的数据库，或者，第二调度实例105用于通过通信网络100或通过另一通信链路，从远程数据库203中检索视频数据速率的集合。
为了确定目标传输比特率，第二调度实例105用于：如果初始传输比特率不超过第一视频比特率，选择初始传输比特率作为目标传输比特率。进一步地，第二调度实例105用于：如果初始传输比特率超过第一视频比特率，将初始传输比特率与第二视频比特率进行比较；以及如果第二视频比特率不超过初始传输比特率，选择第二视频比特率作为目标传输比特率，或者如果第二视频比特率超过初始传输比特率，选择第一视频比特率作为目标传输比特率。
根据另一个实施例，视频比特率的集合可以包括与多个视频质量相关联的多个视频比特率，以及，第二调度实例105用于从多个视频比特率中的小于初始传输比特率的那些视频比特率中确定最大视频比特率，或者从多个视频比特率中确定小于初始传输比特率的最低视频比特率。然后，通信实体101用于选择分别确定的视频比特率作为目标传输比特率。
根据另一个实施例，通信实体101可以以另一目标传输比特率向另一用户设备107b传输另一视频数据流。第一调度实例103用于确定向另一用户设备107b转发另一视频数据流的另一初始传输比特率。
此外，第二调度实例105用于基于另一初始传输比特率和视频比特率的集合，确定另一目标传输比特率，其中，第二调度实例105用于：如果另一初始传输比特率不超过第一视频比特率，选择另一初始传输比特率作为另一目标传输比特率。
可替换地，第二调度实例105用于基于另一初始传输比特率和另一视频比特率的集合，确定另一目标传输比特率，其中，另一视频比特率的集合包括与第三视频质量相关联的第三视频比特率和与第四视频质量相关联的第四视频比特率，并且其中，第三视频比特率小于第四视频比特率。第二调度实例105用于：如果另一初始传输比特率不超过第三视频比特率，选择另一初始传输比特率作为另一目标传输比特率。
此外，第二调度实例105用于接收来自第一调度实例的初始传输比特率，以及向第一调度实例提供目标传输速率。
在一个实施例中，第一调度实例103用于调度通信实体101的无线电资源，以目标传输比特率向用户设备107传递视频数据流，或者，第二调度实例105还用于调度通信实体101的无线电资源，以目标传输比特率向用户设备107传递视频数据流，以及向第一调度实例103提供指示所调度的无线电资源的信息，以目标传输比特率向用户设备107传递视频数据流。
在另一个实施例中，第一调度实例103用于调度通信实体101的第一无线电资源，以向用户设备107传输视频数据流，以及调度通信实体101的第二无线电资源，以进行其他数据通信。其他数据通信包括例如与非HAS用户设备的通信，并且第二无线电资源是尚未分配的剩余无线电资源。
最后，在一个实施例中，第二调度实例105用于通过以下等式从多个用户设备107a-c中确定用于在时隙t分配通信实体101的无线电资源c的最佳用户设备
Figure BDA0003299289840000081
对于c∈K
Figure BDA0003299289840000082
其中，K表示可用的无线电资源，
Figure BDA0003299289840000083
表示将视频数据流从所述通信实体101传输至所述多个用户设备107a-c中的一个用户设备i的目标传输比特率，γi(t)表示将视频数据流从所述通信实体101传输至各自的所述用户设备i的实际传输比特率，
Figure BDA0003299289840000084
表示由第一调度实施例103提供的各自的所述用户设备i在所述无线电资源c的所述时隙t的瞬时比特率，以及iv表示与所述通信实体101进行其他数据通信的用户设备。
综上所述，第一调度实施例103和第二调度实施例105的功能列出如下：
根据一个实施例，第一调度实施例103可以是现有的基站调度器(例如比例公平)，用于：计算每个HAS用户设备的平均传输比特率，并将其连同他/她的瞬时传输比特率一起发送至第二调度实例105，其中，平均传输比特率的计算是第一调度实例103对于所有用户的标准过程，并且瞬时速率在第一调度实例103处是已知的；获得来自第二调度实例105的HAS用户的调度结果，包括HAS用户的调度结果和已使用的(或等价未使用的)无线电资源的集合；通过使用空闲的无线电资源调度非HAS用户，并将所有用户(HAS和非HAS)的调度结果转发给基站发射机205，用于数据传输。
根据一个实施例，第二调度实例105用于：获得从第一调度实例103发送的HAS用户的瞬时传输比特率和平均传输比特率；检索每个HAS用户的视频比特率的集合(例如，从比特率数据库203中)；基于他/她的平均传输比特率和视频比特率的集合，计算每个HAS用户的目标传输比特率；通过利用公平调度策略，根据他们的瞬时传输比特率和计算的目标传输比特率，在每个时隙调度HAS用户；向第一调度实例103发送调度结果和所使用的无线电资源的集合。
提出的功能可适用于所有HAS协议。因此，本发明的实施例可以调度HAS业务用于：视频点播(video on demand，VoD)流传输；实时流传输；DASH或HLS规范；TCP或QUIC/UDP；有或没有传输层安全性协议(Transport Layer Security，TLS)和安全套接层(SecureSockets Layer，SSL)加密。
本发明的实施例有以下优点：无需将跨层接口标准化，结果和采用不确定；不直接访问应用层，避免侵犯用户隐私和/或违反法律边界；不修改现有的基站调度器，便于快速部署；显著减少视频质量切换的次数，这是实现HAS业务高体验质量(QoE)的重要因素；通过控制HAS用户的贪婪行为，跨所有网络用户公平有效地利用无线电资源；设计简单，计算要求低，可用于实时调度；不依赖于特定的客户端侧自适应或不需要网络侧HAS自适应；可适用于无线接入网(Radio Access Network，RAN)切片和RAN共享架构，只要调度实例知道哪些数据包流属于HAS用户即可。
此外，本发明的实施例可以容易地应用于以下应用：用于网络优化的业务感知调度器；业务整形的带宽节流、负载控制和准入控制。
根据一个实施例，第二调度实例接收由第一调度实例103计算的平均传输比特率的值，其中，平均传输比特率可以是例如由现有调度器在每个时隙t≥1对每个用户i进行计算的，如下：
Figure BDA0003299289840000091
其中，β是平均滤波器的内存，c是来自可用资源的集合K的资源块的索引，
Figure BDA0003299289840000092
是用户i在资源c的时隙t的瞬时速率，I{.}是指标函数，如果其自变量为真则等于1，否则等于0，并且
Figure BDA0003299289840000093
表示在时隙t虚拟分得资源c的用户。需要注意的是，
Figure BDA0003299289840000094
的值是调度器的分配算法的输出，并且在此使用术语虚拟的意义在于，该分配是HAS用户的初始分配，其可以由第二实施例105后续进行修改。
然后，每个HAS用户i在每个时隙t的目标传输比特率
Figure BDA0003299289840000095
如下给出：
Figure BDA0003299289840000096
其中，
Figure BDA0003299289840000097
是带索引j∈{1,2,......,m}的视频质量的比特率，且
Figure BDA0003299289840000098
上述等式表明选择目标速率等于低于从第一调度实例103提供的速率ri(t)的最高视频比特率。
根据另一个实施例，一旦计算了每个HAS用户的目标速率，第二调度实例105现在能够通过使用如图3所示的算法300来执行可以实现这些速率的实际资源分配。
该算法300寻找最佳用户
Figure BDA0003299289840000101
以在时隙t分配资源c。第2行的部分检查所有的HAS用户是否都有大于他们目标速率
Figure BDA0003299289840000102
的平均吞吐量γi(t)。如果有，那么资源c不分配给HAS用户，因而可用于非HAS用户，此处表示为虚拟用户iv。否则，以公平的方式将资源分配给具有最大
Figure BDA0003299289840000103
的用户，即，考虑瞬时速率及用户的目标速率和实际平均吞吐量之间的差距的项。
最后，需要注意的是，γi(t)以与第一调度实例计算ri(t)的方式计算，如下所示：
Figure BDA0003299289840000104
其中，与用于ri(t)的等式不同的是，在指示函数处使用
Figure BDA0003299289840000105
来代替
Figure BDA0003299289840000106
该差异导致接近平均速率ri(t)的平均吞吐量γi(t)，但以使其值稳定在视频比特率左右的方式进行修改。在RAN切片的情况下，需要注意的是，总资源中仅有一部分可供HAS用户使用，因此，上述等式中的求和只需要对这部分资源进行即可。
图4至图7评估了本发明实施例的性能相较于比例公平(proportional fair，PF)调度器的性能。在符合3GPP的LTE系统级模拟器中研究本发明实施例的性能。为了获得用于比较目的的基准，还研究了比例公平(PF)调度器的性能。模拟设置的关键参数列出如下：具有多用户的蜂窝拓扑；同时具有HAS用户和非HAS用户的混合业务；从流行的视频共享平台中使用的比特率值中获取的视频比特率的集合；平均240秒的HAS会话的持续时间的重尾分布；由于用户在完成会话后离开系统，用户随机到达；基于缓冲区的HAS自适应策略。
图4示出了使用比例公平(PF)调度器时典型用户的随时间变化的视频质量动态。多个可用的HAS比特率级显示为水平虚线。此外，系统中的用户到达和离开由垂直虚线表示。该图突出显示了视频比特率频繁波动401的HAS客户端的贪婪策略。事实上，由于可用吞吐量403几乎总是在两个比特率之间，因此，HAS客户端在这两个质量之间交替，往往倾向于选择在导致这些振荡401的当前吞吐量403处不可持续的视频比特率。
另一方面，图5示出了根据本发明的实施例的典型用户的视频质量动态。从图5可以看出，除了由于用户到达或离开而发生转变的短时间段之外，将实现的吞吐量γi(t)501设置为等于视频比特率503。这样，缓冲区级稳定，并且质量振荡大大减少。
图6示出了在用户的到达率增加的情况下RAN切片的两个体验质量度量(即，平均视频质量和质量切换次数)方面，根据实施例的调度实例(称为顾问模块)和比例公平(PF)调度器之间的比较。每个用户以相等的概率获取信道速率{3,6,9}Mbps的三个值之一。规范化的切换次数是以发生的切换次数与传输的总段数之间的比率来衡量。可以观察到，与PF调度器的切换速率相比，顾问模块的切换速率大大降低，即，总体上降低了80.7％到85.7％。平均视频质量略有下降，但这种下降对HAS用户的体验质量(QoE)的影响可以忽略不计。
图7示出了在HAS和非HAS用户具有相同的带宽资源池的RAN共享场景的两个体验质量度量(即，平均视频质量和质量切换次数)方面，根据实施例的调度实例(称为顾问模块)和比例公平(PF)调度器之间的比较。这里，非HAS用户的流大小是独立的，以平均124秒呈指数分布。由此可见，其性能与图6所示的RAN切片场景中的性能相似，这次质量切换的次数减少高达86.6％。
值得注意的是，利用用于图6和图7所示结果的模拟设置，由于调度器的平均速率高于最低比特率，因此，任何HAS用户都不会出现视频暂停。还研究了那些可能发生暂停的场景，并验证了与PF调度器相比，本发明的实施例不会遭受增加的暂停事件。总的来说，本发明的实施例为HAS用户实现的体验质量更高。
图8示出了表示一种由通信实体101通过通信网络上以目标传输比特率向用户设备107传输视频数据流的方法800的示意图。
方法800包括第一步骤801：由通信实体101的第一调度实例103确定向用户设备107转发视频数据流的初始传输比特率。
方法800包括另一步骤803：在第二调度实例105处，基于初始传输比特率和视频比特率的集合，确定目标传输比特率，其中，视频比特率的集合包括第一视频比特率和第二视频比特率，第一视频比特率与第一视频质量相关联，第二视频比特率与第二视频质量相关联，第一视频比特率小于第二视频比特率，其中，如果初始传输比特率不超过第一视频比特率，第二调度实例105选择初始传输比特率作为目标传输比特率。
虽然本公开的特定特征或方面可能已经仅结合几种实现方式或实施例中的一种被公开，这些特征和方面可以与其他实现方式或实施例的一个或多个其他特征或方面组合，其可以是任何给定或特定的应用所期望和对其有利的。此外，在详细说明或权利要求中使用术语“包括”、“具有”、“有”或其他变体的范围内，这些术语旨在以与术语“包括”类似的方式包含在内。同样，词语“示例性”、“例如”和“如”仅仅是作为一种示例，而不是最好或最佳的。可能使用了术语“耦合”和“连接”以及派生词。应当理解，这些词语可以用于指示两个元件彼此合作或交互，而不管它们是直接物理接触还是电接触，或者它们彼此不直接接触。
尽管本文已经图示和描述了具体方面，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，各种可选的和/或同等的实现方式可以替代所示出和描述的具体方面。本申请旨在涵盖本文中所讨论的具体方面的任何修改或变形。
尽管以下权利要求中的元件是通过相应标记按特定的顺序列举的，但除非权利要求陈述还暗示了用于实现部分或全部这些元件的特定顺序，不然这些元件不一定旨在被限制为按该特定的顺序实施。
根据上述教导，许多可选方案、修改和变形对本领域技术人员将是显而易见的。当然，本领域技术人员容易认识到，除了本文所描述的之外，本发明还有许多应用。尽管已经结合一个或多个具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下可以对其做出很多改变。因此，应当理解，在所附权利要求和其同等形式的范围内，本发明可以通过与本文具体描述的不同的方式实施。

Claims (15)

1.一种用于通过通信网络(100)以目标传输比特率向用户设备(107)传输视频数据流的通信实体(101)，所述通信实体(101)包括：
第一调度实例(103)，用于确定向所述用户设备(107)转发所述视频数据流的初始传输比特率；
第二调度实例(105)，用于基于所述初始传输比特率和视频比特率的集合，确定所述目标传输比特率，所述视频比特率的集合包括第一视频比特率和第二视频比特率，所述第一视频比特率与第一视频质量相关联，所述第二视频比特率与第二视频质量相关联，所述第一视频比特率小于所述第二视频比特率，其中，所述第二调度实例(105)用于如果所述初始传输比特率不超过所述第一视频比特率，选择所述初始传输比特率作为所述目标传输比特率。
2.根据权利要求1所述的通信实体(101)，其中，所述第二调度实例(105)用于：
如果所述初始传输比特率超过所述第一视频比特率，将所述初始传输比特率与所述第二视频比特率进行比较；
如果所述第二视频比特率不超过所述初始传输比特率，选择所述第二视频比特率作为所述目标传输比特率；或者，
如果所述第二视频比特率超过所述初始传输比特率，选择所述第一视频比特率作为所述目标传输比特率。
3.根据前述权利要求中任一项所述的通信实体(101)，其中，所述视频比特率的集合包括与多个视频质量相关联的多个视频比特率，以及
其中，所述第二调度实例(105)用于从所述多个视频比特率中的小于所述初始传输比特率的视频比特率中确定最大视频比特率，或者从所述多个视频比特率中确定小于所述初始传输比特率的最低视频比特率，
其中，所述通信实体(101)用于选择分别确定的所述视频比特率作为所述目标传输比特率。
4.根据前述权利要求中任一项所述的通信实体(101)，用于以另一目标传输比特率向另一用户设备传输另一视频数据流，其中，
所述第一调度实例(103)用于确定向所述另一用户设备转发所述另一视频数据流的另一初始传输比特率；以及
所述第二调度实例(105)用于基于所述另一初始传输比特率和所述视频比特率的集合，确定所述另一目标传输比特率，其中，所述第二调度实例(105)具体用于：如果所述另一初始传输比特率不超过所述第一视频比特率，选择所述另一初始传输比特率作为所述另一目标传输比特率；或者，所述第二调度实例(105)用于基于所述另一初始传输比特率和另一视频比特率的集合，确定所述另一目标传输比特率，所述另一视频比特率的集合包括第三视频比特率和第四视频比特率，所述第三视频比特率与第三视频质量相关联，所述第四视频比特率与第四视频质量相关联，所述第三视频比特率小于所述第四视频比特率，其中，所述第二调度实例(105)具体用于：如果所述另一初始传输比特率不超过所述第三视频比特率，选择所述另一初始传输比特率作为所述另一目标传输比特率。
5.根据前述权利要求中任一项所述的通信实体(101)，其中，所述第一调度实例(103)用于调度所述通信实体(101)的第一无线电资源，以向所述用户设备(107)传输所述视频数据流，以及调度所述通信实体(101)的第二无线电资源，以进行其他数据通信。
6.根据前述权利要求中任一项所述的通信实体(101)，其中，
所述第二调度实例(105)用于接收来自所述第一调度实例(103)的所述初始传输比特率，以及向所述第一调度实例(103)提供所述目标传输比特率，以及
所述第一调度实例(103)用于调度所述通信实体(101)的无线电资源，以所述目标传输比特率向所述用户设备(107)传递所述视频数据流；或者，所述第二调度实例(105)还用于调度所述通信实体(101)的无线电资源，以所述目标传输比特率向所述用户设备(107)传递所述视频数据流，以及
向所述第一调度实例(103)提供指示调度的所述无线电资源的信息，以所述目标传输比特率向所述用户设备(107)传递所述视频数据流。
7.根据前述权利要求中任一项所述的通信实体(101)，包括接收接口，用于根据HTTP自适应流传输技术，特别是通过因特网，接收所述视频数据流。
8.根据前述权利要求中任一项所述的通信实体(101)，其中，所述第一调度实例(103)以及所述第二调度实例(105)形成所述通信实体(101)的复合调度器，或者
其中，所述第一调度实例(103)以及所述第二调度实例(105)是在所述通信实体(101)中实现的单独的调度器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的通信实体(101)，其中，所述通信实体(101)包括数据库，用于存储所述视频比特率的集合，或者
其中，所述第二调度实例(105)用于通过所述通信网络或通过另一通信链路，从远程数据库(203)中检索所述视频比特率的集合。
10.根据前述权利要求中任一项所述的通信实体(101)，其中，所述第一调度实例(103)用于确定对时隙内不同视频数据流的多个传输比特率求平均值的平均传输比特率，以及确定所述初始传输比特率作为所述平均传输比特率。
11.根据前述权利要求中任一项所述的通信实体(101)，包括传输接口，用于以所述目标传输比特率向所述用户设备(107)传输所述视频数据流。
12.根据权利要求11所述的通信实体(101)，其中，所述传输接口用于通过无线电通信网络向所述用户设备(107)传输所述视频数据流。
13.根据前述权利要求中任一项所述的通信实体(101)，所述通信实体(101)是基站或演进型基站eNodeB。
14.根据前述权利要求中任一项所述的通信实体(101)，其中，所述第二调度实例(105)用于通过以下等式从多个用户设备中确定用于在时隙t分配所述通信实体的无线电资源c的最佳用户设备
Figure FDA0003299289830000021
对于c∈K
Figure FDA0003299289830000022
其中，K表示可用的无线电资源，
Figure FDA0003299289830000023
表示将视频数据流从所述通信实体(101)传输至所述多个用户设备中的一个用户设备i的目标传输比特率，γi(t)表示将视频数据流从所述通信实体(101)传输至各自的所述用户设备i的实际传输比特率，Γi c(t)表示各自的所述用户设备i在所述无线电资源c的所述时隙t的瞬时比特率，以及iv表示与所述通信实体(101)进行其他数据通信的用户设备，其中，所述第一调度实例(103)用于向所述第二调度实例(105)提供各自的所述用户设备i的所述瞬时比特率Γi c(t)。
15.一种用于由通信实体(101)通过通信网络(100)以目标传输比特率向用户设备(107)传输视频数据流的传输方法(800)，所述传输方法(800)包括：
由所述通信实体(101)的第一调度实例(103)确定(801)向所述用户设备(107)转发所述视频数据流的初始传输比特率；
在第二调度实例(105)处，基于所述初始传输比特率和视频比特率的集合，确定(803)所述目标传输比特率，所述视频比特率的集合包括第一视频比特率和第二视频比特率，所述第一视频比特率与第一视频质量相关联，所述第二视频比特率与第二视频质量相关联，所述第一视频比特率小于所述第二视频比特率，其中，如果所述初始传输比特率不超过所述第一视频比特率，所述第二调度实例(105)选择所述初始传输比特率作为所述目标传输比特率。
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