HSDPA系統中一種感知用戶終端緩存狀態的QoE保障調度算法

劉 敏，李 波，屈 橋，閆中江

（西北工業大學 陜西 西安 710129）

伴隨著第三代移動通信技術的迅猛發展和第四代移動通信時代的來臨，以話音業務為主的傳統業務市場已經趨于飽和，具有視頻和音頻信息，能夠為用戶提供繪聲繪色、圖文并茂的移動信息的移動視頻業務必將成為未來移動通信業務發展的核心[1]。運營商在滿足用戶觀看請求的同時，也不斷地考慮提高用戶對業務質量和性能的綜合主觀感受，也就是從業務應用的舒適角度定義的用戶體驗 （Quality of Experience，QoE）。通過QoE評分，運營商可以將用戶對視頻業務質量和性能進行綜合，優化網絡服務。HSDPA作為WCDMA的升級，能在一個無線載頻上為更多高速率用戶提供服務，加快了流媒體業務的發展步伐[2]。

流媒體業務是一種對時延和差錯敏感的業務類型，因此該業務對網絡的帶寬和信道的質量有著比較高的要求。在無線網絡環境中，有限的網絡帶寬和高信道誤碼率制約高質量視頻數據的傳輸，從而造成移動終端在解碼和播放過程中產生錯誤，影響用戶的QoE體驗。由于無線信道自身的限制和當前移動通信技術的限制，因此在基站中采用合適的調度算法來保證流媒體業務的傳輸從而提高終端用戶的QoE質量成為其中的研究熱點。針對這一情況，提出了一種新的調度算法來滿足用戶的QoE需求。該算法通過從到達基站的數據包中讀取相關的數據幀信息，進而計算出相應用戶終端所緩存數據尚能支持連續視頻播放的時間，同時還讀取用戶終端反饋的無線信道狀況信息，利用這兩類信息計算出該用戶的優先級，并調度優先級最高的用戶。本算法在滿足非實時業務基本要求的同時，改善了實時用戶的QoE。

1 經典算法

1.1 輪詢調度算法

果網絡采用輪詢調度算法，則調度器將采用一種周期性的調度原則公平地使各用戶依次使用無線信道資源進行通信[3]。輪詢調度算法實現簡單，并能保證各用戶之間的公平性。但是該算法沒有考慮到信道狀況的時變性，不能充分利用網絡資源。

1.2 比例公平調度算法

比例公平調度算法根據式（1）選擇用戶j進行調度：

其中 Ri（t）是用戶 i所處信道的瞬時數據速率，ri（t）是用戶i濾波后的平均吞吐量，由式（2）計算得到[4]，τ表示低通濾波器的時間常數。

比例公平調度算法通過利用不同用戶的信道質量信息來提高網絡的吞吐量，同時也兼顧了各用戶之間的公平性，但是該算法不區分實時業務和非實時業務，不能滿足實時業務的QoE需求。

2 保障QoE的調度算法

第一節講述的兩種調度算法，其基本出發點是提高網絡的吞吐量和保障用戶的公平性，但對于當前新型的流媒體業務，這些調度算法不能保證用戶觀看流媒體文件時的QoE。因此，本文提出了一種可以保證視頻流業務QoE的調度算法。

2.1 前提條件

本算法的提出基于以下前提：

2）基站可以通過解析數據包的包頭獲取該數據包的幀類型、幀序號和數據包發送時間等信息。

2.2 詳細算法描述

當用戶需要使用手機觀看視頻時，用戶向基站發送請求，基站經過一系列處理與用戶建立連接后，視頻服務器開始通過基站向用戶發送視頻數據。視頻數據到達基站后，由基站負責將視頻數據通過無線鏈路發送到用戶終端。用戶終端接收到數據后將數據先進行緩存，待緩存的數據量達到一定播放門限，開始播放視頻。

將基站之前的一系列設備看做整體，作為用戶數據的發送端，整個無線網絡給用戶i發送的視頻幀總量就是從這個用戶數據發送端發送給用戶i的視頻幀總量，如圖1所示。整個網絡給用戶i發送的數據幀之間滿足關系式（3），其中Fi（t）是發送端給用戶i發送的視頻幀數，Bi（t）是用戶i終端緩存中緩存的視頻幀數，Pi（t）是用戶i終端播放器已經播放的視頻幀數。在用戶i視頻緩存建立之前，整個網絡發送給用戶i的視頻幀全部緩存在用戶i的終端播放緩存中，此時，式（3）中Pi（t）為0；在用戶i視頻緩存建立完成之后，整個網絡發送給用戶i的視頻幀一部分緩存在用i戶終端的播放緩存中，一部分已經由用戶i的視頻播放器播放。

圖1 單個用戶觀看視頻時網絡數據關系示意圖Fig.1 Structure of data in real-time network for single user

假設用戶終端播放器的播放速率為f幀每秒，因此可以通過在式（3）兩端同除以視頻播放幀率f，將視頻幀數量上的等式轉換為視頻播放時間上的等式，如式（4）所示，其中tFi（t）是發送端已發送數據量轉換的播放時間，tBi（t）是用戶端緩存中數據量轉換的播放時間，tPi（t）是用戶端已經播放視頻數據的時間。

基于以上觀點，提出一種新的調度算法，該算法采用當前信道信息和用戶終端播放緩存中視頻數據能支持播放的時間作為調度參數，為用戶分配不同的優先級，并讓優先級最大的用戶獲得信道資源，優先級計算如式（5）所示，其中Ri（t）為用戶 i在當前信道條件下能得到的數據速率；tBi（t）為用戶i播放端緩存中視頻數據能支持播放的時間。

算法的實現根據視頻業務的建立分為兩個階段：用戶建立播放緩存階段和用戶視頻播放階段。下面將按照這兩個階段分別介紹其處理流程。

1）用戶建立播放緩存階段

這種系統的優點是：建設成本低，設備便于維護，而且是集中冷卻礦井的總進風量，效率較高。缺點是：經濟型差，安全性差。而且在風地點的效果也不好。

此情況下，發送端發送的數據幀數與用戶終端緩存中的數據幀數相等，可以通過基站端發送數據幀數來確定用戶i終端緩存中數據能支持播放的時間 tBi（t），如式（6）所示，其中Fi（t）是發送端給用戶i發送的數據幀數，f是用戶端視頻數據播放幀率。

當基站為用戶i發送第n幀 （假設用戶終端播放數據的幀率為f幀每秒，用戶終端視頻緩存門限為T秒，n=f·T）視頻數據時，這時用戶i終端緩存數據恰好達到緩存門限，用戶終端緩存建立，記錄當前時刻為 Tcritical，i。

2）用戶視頻播放階段

從用戶終端緩存建立開始，播放器開始播放視頻。視頻已經播放的時間 tPi（t）可以由式（7）確定，其中 Tcurrent是當前系統時間，Tcritical，i是用戶 i終端緩存建立的時刻。 當 tFi（t）＞tPi（t）（即用戶終端緩存未出現下溢情況）時，通過式（4）確定用戶終端播放緩存中數據能支持播放的時間 tBi（t）。對于 tFi（t）≤tPi（t）（即用戶終端緩存出現下溢情況）時，用戶終端重新開始視頻緩存建立的過程，其處理流程同用戶建立播放緩存階段。

3 系統仿真

文中采用NS2仿真軟件，在文獻[5]提出的仿真系統的基礎上進行修改和補充，搭建了使用RTP/UDP協議傳輸視頻文件的仿真系統。通過仿真實驗，對經典調度算法和保證QoE的調度算法進行了仿真對比，比較了保障QoE的調度算法與經典調度算法在性能上的增益。

3.1 仿真場景

在仿真時，仿真網路中實時業務與非實時業務同時存在。非實時業務是指用戶基于TCP協議進行FTP業務下載；實時業務是指用戶從視頻服務器下載視頻業務并進行實時觀看。視頻數據是將Foreman視頻數據經過循環后做成長度為60秒的視頻數據，視頻數據速率為110 kbps，視頻播放速率為30 fps。非實時業務在0～5秒內隨機開始，實時業務在5～15秒內隨機開始。網絡中實時用戶總數保持20人。通過仿真，非實時用戶數目以5人為步長增長到30人來比較各調度算法的性能。

針對實時業務統計網絡中所有實時用戶的平均下溢次數，實時用戶的平均Q參數[6－7]和實時用戶的網絡吞吐量，針對非實時業務統計非實時用戶的網絡吞吐量。實時用戶的平均下溢次數指在視頻數據播放過程中由于網絡等原因引起的用戶端視頻數據播放完畢而產生等待的次數。實時用戶i的Q參數如式（8）所示，Q參數越高，表明用戶的QoE體驗越好。其中，Df指用戶i由于視頻數據緩存下溢引起的數據重新緩存時間，包括初始緩存的時間；Dl指由無線信道丟失數據而產生的緩存時間；指視頻數據從開始下載到播放結束所持續時間。

3.2 仿真結果

仿真結果如圖2～圖5所示。

圖2 網絡實時用戶平均下溢次數對比圖Fig.2 Figure of average underflow times of real-time users in the network

圖2 為網絡中實時用戶的平均下溢次數。由圖2可以看出：如果采用輪詢調度算法和比例公平調度算法，則隨著非實時用戶數目的增加，實時用戶的等待次數不斷增加；如果采用新調度算法，則實時用戶的等待次數始終保持一次，即每個用戶除了在視頻開始播放之前進行了初始緩存之外，在視頻文件播放過程中沒有出現再次等待視頻緩存的現象。

圖3 網絡實時用戶Q參數對比圖Fig.3 Figure of Q parameter of real-time users in the network

圖4 網絡實時用戶吞吐量對比圖Fig.4 Figure of throughput of real-time users in the network

圖5 網絡非實時用戶吞吐量對比圖Fig.5 Figure of throughput of none-real-time users in the network

圖3 為網絡中實時用戶的Q參數。從圖3可以看出：當非實時用戶數目不多時，采用3種調度算法，網絡中每個實時用戶的QoE保障的比較好。但是當網絡中的非實時用戶數目增加比較多時，如果采用輪詢調度算法和比例公平調度算法，實時用戶Q參數會明顯下降，而采用新調度算法，實時用戶的Q參數保持不變，表明算法對QoE的保障比較好。

圖4為實時用戶的網絡吞吐量。從圖4可以看出采用新調度算法，實時用戶的網絡吞吐量一直保持在2 Mbps，采用其他調度算法則因非實時業務量的增加而使實時業務的吞吐量降低。

圖5為非實時用戶的網絡吞吐量。從圖5可以看出，不論采用何種調度算法，隨著非實時用戶數目的增加，非實時用戶的網絡吞吐量不斷增加。但是采用新調度算法，由于新調度算法對實時業務有所偏重，使得該網絡中非實時業務的吞吐量低于采用其他調度算法網絡中的非實時業務的吞吐量。這是該算法為了保證實時業務的需求而對非實時業務產生的損失。

4 結 論

針對當前HSDPA系統中的典型調度算法不能滿足視頻用戶QoE需求的缺點，文中提出了一種采用無線信道質量和用戶端緩存量計算用戶優先級的能夠保障實時業務QoE需求的調度算法。該算法能夠降低實時用戶在觀看視頻時的緩存次數，保障實時用戶的吞吐量，從而保證了用戶觀看視頻時的QoE，提高用戶對網絡服務的評價。仿真結果驗證了新調度算法在保證QoE方面的優勢以及該算法在保證QoE的情況下系統通過率方面的損失，說明了該算法在滿足非實時業務的需求的同時能夠較好的保障實時用戶的QoE需求。

[1]胡海波.國外移動視頻業務發展情況分析 [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.