專利名稱：一種基于用戶體驗的節(jié)能型無線視頻業(yè)務資源調(diào)度方法
技術領域：
本發(fā)明涉及移動通信技術領域，特別的，本發(fā)明是用于下一代移動通信系統(tǒng)(IMT-Advanced)中基于用戶體驗對視頻傳輸業(yè)務進行資源調(diào)度，實現(xiàn)在保證用戶主觀感知質(zhì)量的基礎上降低系統(tǒng)能耗的技術方案。
背景技術：
目前，第三代移動通信系統(tǒng)已經(jīng)獲得廣 泛的商用。同時，下一代移動通信系統(tǒng)IMT-Advanced的標準制定以及關鍵技術的研究也日益受到關注。MT-Advanced系統(tǒng)將支持數(shù)據(jù)速率從低到高的移動性應用，滿足多種環(huán)境下用戶對于業(yè)務的需求。隨著移動通信技術的發(fā)展和智能移動終端的普及，用戶對于以視頻業(yè)務為代表的多媒體業(yè)務在無線環(huán)境中的應用需求越來越大。然而，無線信道的時變性和無線資源的有限性導致視頻業(yè)務在無線環(huán)境中時間和空間上傳輸效率低，資源浪費嚴重，使視頻業(yè)務的發(fā)展和應用受到了極大制約。因此，研究保證業(yè)務質(zhì)量且提高資源利用率的調(diào)度優(yōu)化技術是亟待解決的關鍵問題。目前，衡量業(yè)務質(zhì)量主要采用系統(tǒng)QoS指標，如系統(tǒng)帶寬、時延、誤碼率、抖動等。然而對于類似視頻業(yè)務的內(nèi)容相關性強、用戶體驗程度高的多媒體業(yè)務來說，采用QoS作為評價指標沒有考慮用戶主觀感知因素，因而不能準確獲得用戶實際服務體驗。針對此情況，關于QoE評價指標的研究逐步開展。QoE可理解為用戶體驗或用戶感知，即終端用戶對移動網(wǎng)絡提供的業(yè)務性能的主觀感受。它以接近量化的方法表示終端用戶對業(yè)務和網(wǎng)絡的體驗和感受，以反映當前業(yè)務質(zhì)量。對于視頻業(yè)務來說，視頻業(yè)務質(zhì)量最重要、最準切的衡量來自用戶對于視頻業(yè)務的實際體驗。因此相比QoS，QoE能夠更加準確的衡量視頻業(yè)務質(zhì)量。為了提高無線通信環(huán)境中視頻傳輸業(yè)務質(zhì)量，除了采用QoE評價業(yè)務質(zhì)量，人們也對提高視頻編解碼效率、改進錯誤隱藏技術性能等方面做了深入研究，視頻處理算法朝著高速高效方向迅速發(fā)展。與此相對，用戶終端設備的電池續(xù)航能力卻沒有因為硬件的更新而獲得很大提升，復雜度過高的視頻處理算法將大大縮短終端電池壽命。此外，飛速增長的移動用戶數(shù)量及龐大的業(yè)務需求使得基站等網(wǎng)絡設備的能耗日益增加，加劇地球溫室效應。如何對視頻進行節(jié)能處理及傳輸成為無線視頻業(yè)務需要解決的難題之一。本課題基于國內(nèi)外相關領域的研究現(xiàn)狀，提出一種基于用戶體驗的節(jié)能型無線視頻業(yè)務資源調(diào)度方法，實現(xiàn)在保證用戶對于視頻業(yè)務主觀感知質(zhì)量要求的基礎上優(yōu)化系統(tǒng)資源分配與用戶調(diào)度，降低系統(tǒng)功率，節(jié)能減排的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在針對目前下一代移動通信系統(tǒng)中視頻傳輸業(yè)務存在的系統(tǒng)資源利用率低、系統(tǒng)功耗大且業(yè)務質(zhì)量不能保證用戶主觀感知要求的情況提出一種基于用戶體驗的節(jié)能型資源調(diào)度方案。
為了實現(xiàn)上述目的，解決相應的技術問題，本發(fā)明通過以下過程實現(xiàn)相應的技術
方案步驟一在傳統(tǒng)視頻業(yè)務“功率-速率-失真”模型基礎上提出“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-QoE”映射模型，將系統(tǒng)能耗與用戶主觀感知質(zhì)量結(jié)合。
步驟一中所提出的“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-QoE”映射模型的構(gòu)建主要可分為兩部分。首先建立“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-視頻失真”模型?？紤]視頻傳輸業(yè)務中系統(tǒng)功耗主要分為兩類編碼功耗及傳輸功耗，本模型建立過程中首先建立了 “編碼功耗-編碼速率-信源失真”和“傳輸功耗-調(diào)制編碼模式-信道失真”兩個子模型，然后將這兩個模型融合為“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-視頻失真”模型。之后根據(jù)“視頻失真-PSNR-MOS”映射關系構(gòu)建“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-QoE”模型，利用視頻業(yè)務及系統(tǒng)的可變參數(shù)將系統(tǒng)功耗與用戶主觀感知情況聯(lián)結(jié)在一起，反映二者間的映射關系。步驟二 以步驟一中提出的“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-QoE”模型為基礎，以最小化系統(tǒng)功率消耗為目標，以保證用戶最低主觀感知質(zhì)量為約束條件，定義優(yōu)化目標函數(shù)。步驟二中的目標函數(shù)可表示為min [Pk, subjetct toMOSk > MOSth, whereMOSth = 3.5
K其中K為系統(tǒng)中請求視頻業(yè)務的用戶總數(shù)，Pk為系統(tǒng)為用戶k分配的功率(視頻編碼功率、視頻傳輸功率)，MOSk為用戶k的主觀質(zhì)量感知MOS值，MOSth為主觀感知質(zhì)量閾值，此處設置為3. 5，以滿足用戶對于視頻業(yè)務質(zhì)量要求。步驟三初始化用戶視頻業(yè)務參數(shù)及系統(tǒng)資源參數(shù)，使用PSO粒子群算法求解目標函數(shù)最優(yōu)解。步驟三中所使用的PSO粒子群算法是一種基于動物種群進化的計算技術，本例中采用該算法求解視頻傳輸業(yè)務中用戶資源調(diào)度及分配過程。為求得資源分配結(jié)果也可采用其他優(yōu)化算法。步驟四根據(jù)步驟三中求得的策略解集，依次為用戶分配業(yè)務參數(shù)及系統(tǒng)資源。從上述技術方案可以看出，本發(fā)明的技術方案通過建立“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-QoE”映射模型反應了視頻傳輸業(yè)務系統(tǒng)功耗與用戶主觀感知質(zhì)量間的關系，根據(jù)該模型求解目標函數(shù)，跨層調(diào)度視頻內(nèi)容參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)，可實現(xiàn)在保證用戶主觀感知質(zhì)量的前提下最小化系統(tǒng)功耗，達到節(jié)能減排的目標。下面通過附圖和具體實施方案對本發(fā)明的技術方案進行進一步的闡述。


為了更加清晰的闡述本發(fā)明的實施例和現(xiàn)有的技術方案，下面將本發(fā)明的技術方案說明附圖和現(xiàn)有技術描述中用到的說明附圖做簡單的介紹。顯而易見，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，本領域普通技術人員可通過本附圖獲得其他的附圖。圖I所示為本發(fā)明實施例中視頻業(yè)務無線傳輸系統(tǒng)架構(gòu)圖；圖2所示為本發(fā)明實施例中“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-QoE”映射模型構(gòu)建流程圖；圖3所示為本發(fā)明實施例中用戶資源調(diào)度流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的技術方案優(yōu)勢描述的更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細闡述，顯然所描述的實施例只是本發(fā)明的部分實施例，而不是全部的實施例。根據(jù)本發(fā)明的實施例，本領域的普通技術人員在不經(jīng)創(chuàng)造性勞動的基礎上可以實現(xiàn)本發(fā)明的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。在下面的描述中，對與本發(fā)明無關的技術只做簡要的技術說或者直接略過。本發(fā)明的主要思想是構(gòu)建“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-QoE”映射模型，通過業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)將系統(tǒng)功耗與用戶QoE進行聯(lián)結(jié)；利用PSO算法對系統(tǒng)資源及業(yè)務參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)度分配，達到保證用戶主觀感知業(yè)務質(zhì)量基礎上降低系統(tǒng)能耗，節(jié)能減排的目的。圖I所示為本發(fā)明實施例中視頻業(yè)務無線傳輸系統(tǒng)架構(gòu)圖。如圖I所示，該視頻無線傳輸系統(tǒng)包括視頻服務器單元101、用戶視頻分組發(fā)送處理單元102、用戶視頻接收器單元103、QoE優(yōu)化模塊單元104、資源分配模塊單元105。視頻服務器單元負責按照用戶需求提供相應內(nèi)容的原始視頻序列。用戶視頻分組發(fā)送處理單元負責根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化目標按照一定的視頻編碼速率對用戶視頻分組進行編碼，并存儲待發(fā)送的視頻分組。每個用戶有一獨立發(fā)送處理模塊。用戶視頻接收器單元用戶對接收到的用戶視頻分組進行解調(diào)解碼及錯誤恢復等處理。QoE優(yōu)化模塊單元按照預測的視頻信源及信道失真，根據(jù)本發(fā)明中提出的“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-QoE”映射模型對用戶業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)設置進行決策，以達到在保證用戶主觀感知質(zhì)量的前提下降低系統(tǒng)功耗的目的。決策結(jié)束后將資源分配結(jié)果反饋給各個相關1 塊。資源分配模塊負責根據(jù)相應的資源分配策略調(diào)度用戶，為用戶分配子信道等資源。圖2是本發(fā)明實施例中“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-QoE”映射模型構(gòu)建流程圖。如圖2所示，該模型構(gòu)建過程包括以下步驟步驟201 :建立“編碼功率-編碼速率-信源失真”模型。視頻業(yè)務中的功率消耗可以分為視頻編碼過程中的功率P。和視頻傳輸過程中的功耗Pt兩部分，即P = PJPtt5其中P。主要與編碼過程復雜度有關。本發(fā)明中使用視頻編碼速率Rc代表編碼復雜度，步驟201中建立的模型可表示為
2/3Dc=f(Rc,Pc) = a20e~aR^其中D。為視頻信源失真，σ。，α為系統(tǒng)參數(shù)，Rc為視頻編碼速率。步驟202 :建立“傳輸功率-ACM模式-信道失真”模型。視頻傳輸過程中的信道失真與丟包率有關，可表示為Dt = β -PLR0丟包率可用誤比特率BER表示PLR = I-(I-BERU) )L其中L為視頻分組包含的比特數(shù)，Y為信道信噪比。BER的計算公式可進一步表示為BER(Y) ^
其中m為自適應調(diào)制編碼(AMC)模式，具體映射關系可參考下表。進一步，信噪比Y是視頻傳輸(發(fā)射)功率Pt的函數(shù)。

AMC Mode (m) m = I m = 2m = 3m = 4m = 5m = 6
Modulation BPSK QPSKQPSK16-QAM16-QAM64-QAM
Coding rate (cm) /2 /23/1 9 163/13/4
Rm(bits/sym.) 0 50 Γ00 ΓδΟ2 253Γ00ΓδΟ
~ I. 1369 O. 33510.21970.2081O. 1936O. 1887
~ 7. 5556 3.2543I. 52440.62500. 34840.0871根據(jù)上述公式，步驟202中建立的模型可表示為Dt = f(m,Pt) = β · PLR = 1-(1-BER{y))1
_7]。醫(yī) f其中hn為第n信道的信道增益，N0為高斯白噪聲譜密度，B為總帶寬，N為可用信道數(shù)。步驟203 :根據(jù)視頻失真由信源失真和信道失真組成，視頻業(yè)務消耗的系統(tǒng)功率可分為視頻編碼功率和視頻傳輸功率兩部分，建立“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-視頻失真”模型

D = Dc+Dt = f (Rc, Pc) +f (m, Pt)步驟204 :建立“視頻失真-PSNR-MOS”映射關系。視頻PSNR與視頻失真之間的關系可表示為
25522552PSW = IOlog-^-= IOlog^-,
MSED經(jīng)過大量研究分析，PSNR與用戶主觀感知MOS值之間有如下表的映射關系

PSNR(dB)MOS
> 375 (Excellent)
31-374 (Good)
25-313 (Fair)
20-252 (Poor)
~< 20I (Bad)
由此可建立“視頻失真-PSNR-M0S”映射關系。步驟205 :根據(jù)中間量視頻失真，可將步驟203建立的“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-視頻失真”模型與步驟204中的“視頻失真-PSNR-M0S”映射關系進行結(jié)合，得到“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-QoE”模型。圖3是本發(fā)明具體實施方式
中用戶資源調(diào)度流程圖。如圖3所示，該調(diào)度過程包括以下步驟步驟301 :建立“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-QoE”映射模型。步驟302 :根據(jù)步驟301得出的映射模型，在保證用戶主觀感知質(zhì)量的基礎上以最小化系統(tǒng)業(yè)務功耗為目標，定義目標函數(shù)為
權利要求
1.一種基于用戶體驗的節(jié)能型無線視頻業(yè)務資源調(diào)度方法，其特征在于包括以下步驟 步驟I :建立“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-QoE”映射模型，通過視頻編碼速率、AMC調(diào)制模式等參數(shù)將系統(tǒng)能耗與用戶主觀感知質(zhì)量結(jié)合； 步驟2 :以“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-QoE”模型為基礎，建立目標函數(shù)，確定約束條件； 步驟3 :初始化用戶視頻業(yè)務參數(shù)及系統(tǒng)資源參數(shù)，使用PSO粒子群算法求解目標函數(shù)最優(yōu)解； 步驟4 :計算用戶歷史最優(yōu)參數(shù)值和群體歷史最優(yōu)參數(shù)值，根據(jù)目標函數(shù)更新用戶參數(shù)值，滿足迭代條件后終止本次調(diào)度過程。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于用戶體驗的節(jié)能型無線視頻業(yè)務資源調(diào)度方法，其特征在于所述步驟I中將視頻業(yè)務系統(tǒng)功耗分為編碼功率和傳輸功率兩部分，針對兩部分功率與視頻失真的關系分別建立了 “編碼功率-編碼速率-信源失真”映射模型D。= f(Rc, P。)和“傳輸功率-ACM模式-信道失真”映射模型Dt = f (m, Pt)。
3.根據(jù)權利要求I所述的基于用戶體驗的節(jié)能型無線視頻業(yè)務資源調(diào)度方法，其特征在于所述步驟I中將“編碼功率-編碼速率-信源失真”映射模型和“傳輸功率-ACM模式_ /[目道失真”映射模型結(jié)合為“功率_業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)_視頻失真”映射模型D = Dc+Dt=f (Rc, Pc) +f (m, Pt)。
4.根據(jù)權利要求I所述的基于用戶體驗的節(jié)能型無線視頻業(yè)務資源調(diào)度方法，其特征在于所述步驟I中根據(jù)“視頻失真-PSNR-M0S”映射關系，以視頻失真為中間量，建立“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-QoE”映射模型，反映系統(tǒng)功耗與用戶主觀感知質(zhì)量間的關系。
5.根據(jù)權利要求I所述的基于用戶體驗的節(jié)能型無線視頻業(yè)務資源調(diào)度方法，其特征在于所述步驟2中以最小化系統(tǒng)功耗為優(yōu)化目標，以滿足用戶主觀感知質(zhì)量最低閾值為限制條件，建立目標函數(shù) min ZPk，subjetct toMOSk > MOSth, whereMOSth - 3.5κ
6.根據(jù)權利要求I所述的基于用戶體驗的節(jié)能型無線視頻業(yè)務資源調(diào)度方法，其特征在于所述步驟3中利用PSO算法求解目標函數(shù)，即不斷調(diào)整用戶個體參數(shù)值與群體參數(shù)值，當求得目標函數(shù)最優(yōu)解時終止本次調(diào)度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于用戶體驗的節(jié)能型無線視頻業(yè)務資源調(diào)度方法。無線視頻傳輸業(yè)務中視頻失真主要由編碼過程引入的信源失真和由于視頻分組在不可靠的無線信道中傳輸引起的信道失真兩部分組成。而無線視頻傳輸業(yè)務過程中的系統(tǒng)功耗可分為視頻編碼功率和視頻傳輸功率?；诖耍景l(fā)明建立了“功率-業(yè)務及系統(tǒng)參數(shù)-QoE”映射模型，利用視頻編碼速率及AMC模式參數(shù)作為中間變量建立系統(tǒng)功耗與用戶主觀感知質(zhì)量間的映射模型。根據(jù)此模型建立目標函數(shù)，以達到在滿足用戶主觀感知質(zhì)量的基礎上降低系統(tǒng)功耗，節(jié)能減排為目的，采用PSO粒子群算法對各用戶進行資源調(diào)度分配。采用本發(fā)明的技術方案，能夠解決目前無線視頻傳輸業(yè)務中存在的系統(tǒng)功耗大、用戶主觀感知質(zhì)量得不到保證的問題。
文檔編號H04W52/02GK102638876SQ20121011099
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權日2012年4月13日
發(fā)明者劉德麗, 巨穎, 李林燕, 溫向明, 鄭偉, 馬文敏 申請人:北京郵電大學