能耗優(yōu)化的流媒體應(yīng)用帶寬資源分配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種能耗優(yōu)化的流媒體應(yīng)用帶寬資源分配方法，適用于移動蜂窩網(wǎng)中，單個(gè)基站的流媒體帶寬資源分配的場景，在基站和核心網(wǎng)之間部署的帶寬分配控制器，定期收集網(wǎng)絡(luò)流媒體應(yīng)用的服務(wù)帶寬，各個(gè)用戶的信號強(qiáng)度信息，各個(gè)用戶視頻播放的速率，用戶請求的流媒體數(shù)據(jù)大小等信息，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中移動用戶請求流媒體數(shù)據(jù)的時(shí)候，帶寬分配控制器運(yùn)行能耗優(yōu)化流媒體帶寬資源分配算法，為蜂窩網(wǎng)中的流媒體用戶進(jìn)行帶寬的分配，本發(fā)明可保證所有用戶的緩沖時(shí)間有限和相對公平的服務(wù)，且使各個(gè)用戶獲得較小的能量消耗，還允許網(wǎng)絡(luò)管理者通過精度參數(shù)，控制算法的復(fù)雜度和算法精度，同時(shí)根據(jù)調(diào)節(jié)系數(shù)V可以實(shí)現(xiàn)移動終端能耗與用戶視頻緩沖時(shí)間的權(quán)衡。
【專利說明】能耗優(yōu)化的流媒體應(yīng)用帶寬資源分配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于移動蜂窩網(wǎng)中的流媒體應(yīng)用帶寬資源分配【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種能 耗優(yōu)化的流媒體應(yīng)用帶寬資源分配方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著3G和LTE技術(shù)的高速發(fā)展，YouTube，Netflix和Hulu等流媒體應(yīng)用越來越受 歡迎，在公車，地鐵，火車上接入3G或者LTE網(wǎng)絡(luò)看視頻也隨處可見。根據(jù)2014年的cisco 網(wǎng)絡(luò)指數(shù)調(diào)研報(bào)告，目前流媒體應(yīng)用的流量已經(jīng)占總的網(wǎng)絡(luò)流量的53%，預(yù)計(jì)到2018年， 該項(xiàng)指標(biāo)可以達(dá)到69%左右。然而，移動設(shè)備電池的續(xù)航能力卻沒有跟上流媒體技術(shù)和網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)發(fā)展的腳步，成為制約流媒體應(yīng)用發(fā)展的主要瓶頸。
[0003] 通過分析流媒體應(yīng)用的能耗，發(fā)現(xiàn)在流媒體視頻應(yīng)用中，視頻的下載能耗占用總 能耗的50%以上。導(dǎo)致無線數(shù)據(jù)下載能耗過高，主要有兩個(gè)原因，其一，無線的信號強(qiáng)度變 化較大，信號差的時(shí)候，消耗的能量是信號好時(shí)的六倍，傳統(tǒng)的流媒體數(shù)據(jù)傳輸下載保持長 時(shí)間的低速傳輸，會導(dǎo)致大量的能量消耗。其二，現(xiàn)有的無線資源控制機(jī)制設(shè)計(jì)得不夠合 理，在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之后，網(wǎng)絡(luò)接口不能立即降到低電平狀態(tài)，還需要經(jīng)歷一段高能耗的狀 態(tài)，這也會導(dǎo)致額外的能耗，這個(gè)能耗稱為尾能耗。
[0004] 針對無線蜂窩網(wǎng)中數(shù)據(jù)下載能耗過多的兩個(gè)原因，提高能量的利用率，目前主要 采用數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸?shù)姆绞絹慝@取較優(yōu)的能量消耗。針對信號強(qiáng)度變化導(dǎo)致的大量能量消 耗，2010年，文章 Bartendr提出了一種根據(jù)歷史的信號強(qiáng)度變化預(yù)測未來的信號強(qiáng)度，同 時(shí)據(jù)此來調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑镜乃悸肥窃谛盘枏?qiáng)的時(shí)候多傳輸數(shù)據(jù)，信號弱的時(shí)候 少傳輸甚至停止傳輸數(shù)據(jù)。由于信號預(yù)測的不準(zhǔn)確性，Bartendr在實(shí)際應(yīng)用中是有問題 的。eTime和PerES兩篇文章則通過一種在線調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞竭_(dá)到節(jié)能。針對尾能耗， RadioJockeys等人設(shè)計(jì)了一種快速休眠機(jī)制，預(yù)測未來的數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間，快速關(guān)閉無線 接口，降低尾能耗。另外，由于數(shù)據(jù)包傳輸是離散的，每傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包就會產(chǎn)生一個(gè)尾能 耗，因此文章 TOP設(shè)計(jì)的算法選擇將多個(gè)數(shù)據(jù)包延遲到同時(shí)下載，這樣多個(gè)數(shù)據(jù)包只需要 經(jīng)歷一個(gè)尾能耗，從而減少尾能耗的次數(shù)。但是，雖然以上文章都考慮了任務(wù)的截止時(shí)間， 但是不適用于流媒體這類邊下載邊消耗的應(yīng)用。流媒體應(yīng)用是一種延遲敏感的應(yīng)用，且用 戶會邊下載邊看，當(dāng)緩存中的數(shù)據(jù)為〇的時(shí)候，用戶就會卡頓，這個(gè)在流媒體應(yīng)用中是不允 許的，本發(fā)明不僅考慮了節(jié)能的問題，還滿足了用戶緩沖時(shí)間的限制。另外，上述的各種方 法都是針對單用戶的無線資源傳輸?shù)墓?jié)能設(shè)計(jì)，對于多用戶的競爭和資源分配沒有考慮。 在單基站范圍內(nèi)，基站的服務(wù)帶寬是有限的，但是同時(shí)在線請求流媒體數(shù)據(jù)的現(xiàn)象是比較 常見的，大量數(shù)據(jù)的請求將導(dǎo)致用戶競爭，導(dǎo)致嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁堵，流媒體用戶的視頻卡頓。 因此，如果僅僅考慮單用戶的情況是不可取的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種能耗優(yōu)化的流媒體應(yīng) 用帶寬資源分配方法，適用于移動蜂窩網(wǎng)中單個(gè)基站多用戶的場景，當(dāng)一個(gè)移動蜂窩網(wǎng)基 站范圍中有多個(gè)用戶請求流媒體應(yīng)用的數(shù)據(jù)時(shí)，可保證所有用戶的緩沖時(shí)間有限，使各個(gè) 用戶獲得較小的能量消耗；本發(fā)明允許網(wǎng)絡(luò)管理者通過精度參數(shù)控制算法的復(fù)雜度和算法 精度，同時(shí)設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)系數(shù)V，實(shí)現(xiàn)移動終端能耗與用戶視頻緩沖時(shí)間的權(quán)衡。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種能耗優(yōu)化的流媒體應(yīng)用帶寬資源分配方法，在蜂窩網(wǎng)的基站和核心網(wǎng)之間部 署的帶寬分配控制器，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中移動用戶請求流媒體數(shù)據(jù)時(shí)，帶寬分配控制器按照如下方 法為各個(gè)用戶分配帶寬：
[0008] 步驟一，在時(shí)隙t時(shí)，移動設(shè)備i向帶寬分配控制器請求流媒體數(shù)據(jù)觀看視頻，請 求的視頻數(shù)據(jù)大小為M i,此時(shí)帶寬分配控制器給用戶i分配新緩沖時(shí)間隊(duì)列，并賦予隊(duì)列長 度初始值Ci (t) = 0,其他用戶的隊(duì)長不變；若時(shí)隙t有用戶離開或者視頻數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完 畢，帶寬分配控制器釋放該用戶的緩沖時(shí)間，不再為其分配寬帶寬資源；
[0009] 步驟二，帶寬分配控制器收集用戶i的信號強(qiáng)度Signali⑴，用戶視頻播放的平均 速率 Pi，基站在本時(shí)隙可提供的流媒體服務(wù)帶寬B (t)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)帶寬分配最小單元為Λ B， ΛB為帶寬分配精度參數(shù)；
[0010] 步驟三，帶寬分配控制器根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，對此時(shí)的帶寬進(jìn)行分配：
[0011] (1)根據(jù)遞推式，計(jì)算本時(shí)隙各個(gè)用戶的偽隊(duì)列長度Cjt)，為后續(xù)計(jì)算做準(zhǔn)備； 根據(jù)信號強(qiáng)度計(jì)算用戶i此時(shí)可支持的最大吞吐率Th(Signali (t))，為每個(gè)用戶建立一 個(gè)候選帶寬集合{〇, Λ B，2 Λ B，…，Ki Λ B}，其中Ki為使得Ki Λ B彡Th (Signali⑴）成立的 最大整數(shù)；用S記錄帶寬分配總量，S的變換范圍為{0, Λ B，2 Λ B，，其中Ks為使 KsAB彡B(t)成立的最大整數(shù)；
[0012] (2)初始化，令所有用戶此時(shí)分配的帶寬為Cli⑴=0,數(shù)組a[i][s]記錄瞬時(shí)帶 寬分配帶來的最優(yōu)效益值，在時(shí)刻開始時(shí)初始化a[i][s] - 0,數(shù)組g[i][s]記錄瞬時(shí)帶來 最優(yōu)效益分配的帶寬，在時(shí)刻開始時(shí)初始化g[i] [s] - 0,數(shù)組的大小均為NX (s+1)，其中 s由（1)的Ks決定，s = Ks ;
[0013] (3)對于用戶i = 1，在最大吞吐率IMsignali⑴）限制的條件下，該用戶候選 帶寬集合中的帶寬{〇,八8,2八8，?，1( 1八8}，將不同的帶寬值(11遍歷帶入用戶效益函數(shù) MM1)中，MM1) = V · E1UHC1U) (l-bjt))，將每一個(gè)用戶效益值MM1)賦值給

【權(quán)利要求】
1. 一種能耗優(yōu)化的流媒體應(yīng)用帶寬資源分配方法，其特征在于，在蜂窩網(wǎng)的基站和核 心網(wǎng)之間部署的帶寬分配控制器，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中移動用戶請求流媒體數(shù)據(jù)時(shí)，帶寬分配控制器 按照如下方法為各個(gè)用戶分配帶寬： 步驟一，在時(shí)隙t時(shí)，移動設(shè)備i向帶寬分配控制器請求流媒體數(shù)據(jù)觀看視頻，請求的 視頻數(shù)據(jù)大小為Mi，此時(shí)帶寬分配控制器給用戶i分配新緩沖時(shí)間隊(duì)列，并賦予隊(duì)列長度初 始值Q(t) = 0,其他用戶的隊(duì)長不變；若時(shí)隙t有用戶離開或者視頻數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完畢，帶 寬分配控制器釋放該用戶的緩沖時(shí)間隊(duì)列，不再為其分配寬帶寬資源； 步驟二，帶寬分配控制器收集用戶i的信號強(qiáng)度signal(t)，用戶視頻播放的平均速率Pi，基站在本時(shí)隙可提供的流媒體服務(wù)帶寬B(t)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)帶寬分配最小單元為AB，AB為 帶寬分配精度參數(shù)； 步驟三，帶寬分配控制器根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，對此時(shí)的帶寬進(jìn)行分配： (1) 根據(jù)遞推式，計(jì)算本時(shí)隙各個(gè)用戶的偽隊(duì)列長度q(t)，為后續(xù)計(jì)算做準(zhǔn)備；根據(jù)信 號強(qiáng)度計(jì)算用戶i此時(shí)可支持的最大吞吐率Th(signal(t))，為每個(gè)用戶建立一個(gè)候選帶 寬集合{0,AB，2AB，…，IAB}，其中&為使得IAB彡iMsignaliU))成立的最大整數(shù)； 用S記錄帶寬分配總量，S的變換范圍為{0,AB，2AB，…，KSAB}，其中Ks為使KsAB<B(t) 成立的最大整數(shù)； (2) 初始化，令所有用戶此時(shí)分配的帶寬為屯(〇 =0,數(shù)組a[i][s]記錄瞬時(shí)帶寬分 配帶來的最優(yōu)效益值，在時(shí)刻開始時(shí)初始化a[i][s] - 0,數(shù)組g[i][s]記錄瞬時(shí)帶來最優(yōu) 效益分配的帶寬，在時(shí)刻開始時(shí)初始化g[i][s] - 0,數(shù)組的大小均為NX(s+l)，其中s由 (1)的Ks 決定，s=Ks ; (3) 對于用戶i= 1，在最大吞吐率ThGignalJt))限制的條件下，該用戶候選帶 寬集合中的帶寬{〇,AB，2AB，…，&AB}，將不同的帶寬值屯遍歷帶入用戶效益函數(shù) fadj中，faw=v?EjtHcjt)a-bjt))，將每一個(gè)用戶效益值fad!)賦值給
，將每個(gè)不同的帶寬值屯賦給
，其中屯的范圍為0彡屯彡&AB; (4) 從i= 2到i=N，進(jìn)行以下步驟，其中N為用戶個(gè)數(shù)： (4. 1)對于S從0到&八8進(jìn)行以下步驟，其中帶寬的步進(jìn)為AB; (4.2)遍歷屯⑴從0到IAB，計(jì)算用戶的瞬時(shí)總效益，記為f' (i^a))，令
，在遍歷完所有可能帶寬值之后，將用戶i獲得 的最小值用戶瞬時(shí)效益賦給
，并將最小瞬時(shí)總效益對應(yīng)的帶寬值屯(〇賦給
且需保證其中S-di(t) > 0 ; (5) 當(dāng)所有用戶都遍歷完畢之后，選擇數(shù)組a[i][s]中最后一行中最小的值對應(yīng)的帶 寬賦給DN，S卩.
，給用戶N分配的帶寬為
(6)對于用戶N-1到用戶1，Di=Di+1-di+1，分配的帶寬為
步驟四，帶寬分配控制器進(jìn)入下一時(shí)隙，進(jìn)行新一輪調(diào)度決策。新調(diào)度重復(fù)以上步驟。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述能耗優(yōu)化的流媒體應(yīng)用帶寬資源分配方法，其特征在于，所述 計(jì)算偽隊(duì)列長度<^(1:)的遞推式為：Ci(0) =0，Ci(t+l) =(^(1:)+1-1^(1:)，其中
為時(shí)隙t傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以維持的視頻播放時(shí)間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述能耗優(yōu)化的流媒體應(yīng)用帶寬資源分配方法，其特征 在于，為了保證每個(gè)用戶的緩沖時(shí)間不至于過長，需要保證隊(duì)列長度的有限性，即
〃在時(shí)間T -…時(shí)，保證用戶請求數(shù)據(jù)傳輸完，將偽隊(duì)列在時(shí)間 域上相加，得到Ci(T)即用戶i的總緩沖等待時(shí)間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述能耗優(yōu)化的流媒體應(yīng)用帶寬資源分配方法，其特征在于，令
，其中，V是實(shí)現(xiàn)單個(gè)基站移動終端能耗和用戶緩 沖等待時(shí)間權(quán)衡的平衡因子，V越大節(jié)約的能量越多，而等待時(shí)間越長，Ejt)為用戶i在時(shí) 隙t中消耗的能量，
屯⑴為本時(shí)隙分配的帶寬，已"^⑴為 傳輸能耗，ELtrans(t)zPGignalJOXdJt)，Pkignaljt))為傳輸功率，即在一定的信 號強(qiáng)度下，每傳輸lbyte的數(shù)據(jù)消耗的能量，Ei，tail (t)為尾能耗。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述能耗優(yōu)化的流媒體應(yīng)用帶寬資源分配方法，其特征在于，在3G 中，
At為兩段數(shù)據(jù)傳輸之間的 時(shí)間差，Pd為3G中移動終端進(jìn)行無線通信時(shí)CELL_DCH階段對應(yīng)的功耗，Pf為CELL_FACH階 段對應(yīng)的功耗，為數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之后，用戶在CELL_DCH狀態(tài)維持的一個(gè)定時(shí)器的時(shí)間，T2 為CELL_FACH狀態(tài)下經(jīng)歷的沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，經(jīng)歷T2后，降入低電平CELL_IDLE狀態(tài)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述能耗優(yōu)化的流媒體應(yīng)用帶寬資源分配方法，其特征在于，設(shè);T 為流媒體應(yīng)用傳輸中用戶可以獲得最優(yōu)平均能耗，則所有用戶的時(shí)間平均能耗瓦和平均緩 沖時(shí)間5獲得以下的效果：
其中，I，n是基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論的兩個(gè)放縮常數(shù)。
【文檔編號】H04N21/61GK104410870SQ201410589678
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】崔勇, 鮑亞運(yùn), 賴澤祺 申請人:清華大學(xué)