CN104333779A - 流媒体应用快速缓冲的带宽分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明流媒体应用快速缓冲的带宽分配方法，用于移动蜂窝网中单个基站多用户的场景，该场景下，多个用户之间会发生信道竞争，导致数据传输等待和视频卡顿，本发明在蜂窝网的基站和核心网之间部署带宽分配代理，带宽分配代理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，代理运行流媒体应用快速缓冲的带宽分配算法，为蜂窝网中的流媒体用户进行流媒体带宽的分配，可保证各个用户都能流畅地播放视频，减少视频的缓冲时间和卡顿，提高用户体验。

Description

流媒体应用快速缓冲的带宽分配方法

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，特别涉及一种流媒体应用快速缓冲的带宽分配方法。

背景技术

目前PPLive，优酷等流媒体应用越来越受大众的欢迎，随着3G和LTE等无线接入技术的飞速发展，用户越来越喜欢在公车、地铁上看在线的视频。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，将达到69％左右。因此，提高用户在观看流媒体视频时的用户体验是非常必要和紧迫的。

在移动蜂窝网中，衡量移动流媒体应用的指标主要为缓冲时间。当移动客户端缓存中数据低于一个门限时，视频播放暂停，需要等待数据下载后再播放，这段视频的间隔时间即为缓冲时间。视频播放越流畅，缓冲时间越小，用户体验越好。但是在无线移动蜂窝网中，由于变化的带宽，用户的不断移动性以及多用户之间的竞争，都可能会导致流媒体数据的供应不足，导致用户观看视频的卡顿。

针对视频的卡顿问题，现有的工作主要集中在满足用户当前的码率和控制等待队列这两个方面。Ali等人通过对单个用户的缓存器大小的控制来降低卡顿次数。这篇文章根据马尔科夫链对流媒体数据到达和使用进行分析，从而减少卡顿的次数。但是，文章没有考虑到网络信号强度的变化以及多个用户的情况，只适合理论上的研究和分析，在实际应用中的参考价值比较有限。

文章PROTEUS考虑了网络状况的变化，通过预测未来一段时间的信号变化和网络情况来调整视频数据的下载，提高用户的体验。由于对网络状况预测的准确性将严重影响***的性能，因此能否达到可靠的准确性显得十分重要。根据调查，机器学习的预测，其准确率只有70％左右，历史路径预测的方法在理想情况下可以达到90％左右。因此，利用预测来提高用户的体验，有一定的风险。Chen等人提出来了一种调度算法，满足用户当前的比特率，提高资源利用率。但是该方法保证当前视频的播放，并没有考虑未来的播放情况，且缓存中数据对播放的影响也没有体现。

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流媒体应用快速缓冲的带宽分配方法，当一个移动蜂窝网基站范围中，有多个用户请求流媒体数据，多用户之间发生信道的竞争，会导致数据传输的等待和视频的卡顿，本发明针对这种场景，通过在线调度，不需要对信号强度进行预测，提高算法的实用性和带宽利用率，能够保证流媒体视频播放的流畅性，提高用户播放的体验，不仅适用于单基站的场景，还可以适用于单AP资源竞争的场景。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种流媒体应用快速缓冲的带宽分配方法，在蜂窝网的基站和核心网之间需要部署带宽分配代理，当网络中移动用户请求流媒体数据时，带宽分配代理按照如下方法为各个用户分配带宽：

步骤一，在时隙t时，用户i向带宽分配代理请求流媒体数据，大小为M_i，带宽分配代理记录用户；若时隙t有用户离开或者用户的数据已经传输完毕，带宽分配代理释放该用户的请求，不再为其分配宽带宽资源；

步骤二，带宽分配代理收集用户i的信号强度s_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)，用参数S来记录此时隙分配剩余的带宽量，时隙开始时，令S＝B(t)；

步骤三，带宽分配代理根据收集的数据，对此时的用户需求带宽进行分配：初始化，d_i(t)记录带宽分配代理在时隙t给用户i分配的带宽，在时隙开始时，赋初值0，d_i(t)←0，i＝1,2,…,N；d_sup(i)记录带宽分配代理在本时隙能够给用户i分配的最大带宽，在时隙开始时，赋初值1，d_sup(i)←1，i＝1,2,…,N，其中N为用户个数；记带宽分配中间参数记为d′_i(t)，在时隙开始时，令d′_i(t)＝d_i(t)；记带宽剩余量中间参数记为S′，在时隙开始时，令S′＝S；

步骤四，将N个用户的播放速率p_i从小到大进行排序，并重新编号，计算每个用户维持流畅播放到下一时隙需要的数据量d_need(i)；

步骤五，从第1个用户到第N个用户，当基站在本时隙剩余的带宽S>0时，进行第一次带宽分配：

(a)计算此时本基站可以给用户i传输的数据量d_sup(i)；

(b)如果d_sup(i)3d_need(i)，则令d_i(t)＝d′_i(t)+d_need(i)，S＝S′-d_need(i)，d_sum＝B(t)-S，此时更新带宽分配中间参数d′_i(t)和剩余带宽中间参数S′，令d′_i(t)＝d_i(t)，S′＝S；

(c)如果d_sup(i)<d_need(i)，则d_i(t)＝d′_i(t)+d_sup(i)，S＝S′-d_sup(i)，d_sum＝B(t)-S，并更新带宽分配中间参数d′_i(t)和剩余带宽中间参数S′，令d′_i(t)＝d_i(t)，S′＝S；

其中d_sum表示已分配数据量，为记录参数；

步骤六，计算此时***可以给用户i传输的数据量d_sup(i)；

步骤七，若此时剩余的带宽S>0时且存在d_sup(i)≠0，则将剩余的带宽分配给用户，从第1个用户到第N个用户，每次给一个用户分配一个时隙的数据即p_i，保证用户的公平性：

(a)如果d_sup(i)≥p_i，则d_i(t)＝d′_i(t)+p_i，S＝S′-p_i，d_sum＝B(t)-S，并更新带宽分配中间参数d′_i(t)和剩余带宽中间参数S′，令d′_i(t)＝d_i(t)，S′＝S；

(b)如果d_sup(i)<p_i，则d_i(t)＝d′_i(t)+d_sup(i)，S＝S′-d_sup(i)，d_sum＝B(t)-S，并更新带宽分配中间参数d′_i(t)和剩余带宽中间参数S′，令d′_i(t)＝d_i(t)，S′＝S；

步骤八，重新计算此时***可以给用户i传输的数据量d_sup(i)，如果剩余的带宽S>0时且存在d_sup(i)≠0，重复运行步骤七；

步骤九，根据分配的d_i(t)对基站中存在的用户进行带宽分配；

步骤十，调度进入下一时隙，感知用户的进入和用户的离开，服务带宽的变化等，进行新一轮调度决策。

下面是本发明所使用到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。数据块必须接受完全才能使用，即数据块只能在下一个时隙使用。

定义2

信号强度s_i(t)：s_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(s_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。一般信号强度越大，可传输的数据量越大。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(s_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。要求

本发明使用的用户缓冲时间的计算方法如下：

定义5

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。

定义6

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，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7

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，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

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

基于用户体验的优化与服务带宽有限的要求，本发明的问题可以形式化为：

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

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，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。

下面定义一些算法中用到的变量：

定义8

需求数据d_need(i)：d_need(i)为维持用户在下一个时隙流畅播放所需的数据量；

d_need(i)的计算和用户的缓存中数据相关，

$d_{\mathrm{need}}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}{p}_i& r_i\left(t\right)=0\\ p_i\left(t\right)-r_i\left(t\right)& 0<r_i\left(t\right)<p_i\left(t\right)\\ 0& r_i\left(t\right)\&GreaterEqual;p_i\left(t\right)\end{array}\right.$

定义9

已分配数据量d_sum：d_sum为记录参数，记录在算法运行过程中已经分配的带宽量；

定义10

可提供的数据d_sup(i)：d_sup(i)为基站在满足(1)(2)的限制情况下，可以为用户提供的带宽，d_sup(i)＝min{Th(s_i(t))-d_i(t),B(t)-d_sum}；

与现有技术相比，本发明提供了一种在移动蜂窝网中，单个基站多用户的流媒体应用快速缓冲的带宽分配方法。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，本发明为该情况下的一种最小缓冲时间的带宽资源分配算法，根据不同用户的视频播放速率，调整带宽分配，能够有效地解决单基站多用户的流媒体带宽分配问题，以获得用户视频流畅播放，尽量降低视频的卡顿和时延，提高用户体验。

附图说明

图1是本发明的部署示意图。

图2是本发明的单基站多用户情况下流媒体应用快速缓冲的带宽分配算法流程图。

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。

本发明一种单基站多用户的流媒体应用快速缓冲的带宽分配方法，旨在最小化移动蜂窝网中移动终端的平均缓冲时间。流媒体应用快速缓冲的带宽分配算法的代理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参数，对基站的带宽资源进行分配，在保证公平以及提高带宽利用率的前提下，决策每个终端应该获得的带宽。其具体部署运行方式如图1所示，流媒体应用快速缓冲的带宽分配算法的控制器主要分成四个部分：信息接收模块，数据传输模块，数据接收模块，调度模块。信息接收模块接收和收集移动终端的信息，以及此时基站可以提供的带宽资源。数据接收模块收到来自服务器的数据，缓存后等待指令进行传输。根据收集的信息流媒体应用快速缓冲的带宽分配算法在调度模块执行，决策给各个用户分配的带宽。根据带宽资源分配算法的结果，数据传输模块进行数据传输。

信号强度不同的时候，基站可以传输的数据量是不同的，流媒体应用快速缓冲的带宽分配算法根据信号强度和用户视频的消耗速率，对网络中各个用户进行调度传输，并兼顾带宽分配的公平性。流媒体应用是一种边下载边播放的应用，对延时非常敏感。当缓存的数据不足时，用户端占用链路下载数据。流媒体应用快速缓冲的带宽分配算法可以减少链路的竞争，提高带宽的利用率，减少视频播放的卡顿时间，提高用户体验。

流媒体应用快速缓冲的带宽分配算法需要在时间域上按照周期运行，时刻监听信道的信息和用户的进入离开，更新带宽分配的测量，提高带宽的利用率，保证用户的公平性，一般定义本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t＝1s，即每秒更新一次基站的带宽分配。若时隙t有N个用户，那么流媒体应用快速缓冲的带宽分配算法需要对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，首先，在蜂窝网的基站和核心网之间需要部署带宽分配代理。带宽分配代理定期收集网络流媒体应用的服务带宽B(t)，各个用户的信号强度信息s_i(t)，各个用户视频播放的速率p_i，用户请求的流媒体数据大小M_i等信息。当网络中移动用户(如手机用户，PSP用户等)请求流媒体数据的时候，为了保证各个用户都能流畅地播放视频，尽量地减少视频的缓冲和卡顿，代理运行流媒体应用快速缓冲的带宽分配算法，为蜂窝网中的流媒体用户进行流媒体带宽的分配。具体的方法通过以下的步骤来实施。

步骤一，在时隙t时，移动设备i向带宽分配代理请求流媒体数据，大小为M_i，代理记录用户；若时隙t有用户离开，不请求数据，带宽分配代理释放该用户的请求，不再分配宽带宽资源；

步骤二，代理根据收集用户i的信号强度s_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)，用参数S来记录此时隙分配剩余的带宽量，时隙开始时，令S＝B(t)；

步骤三，代理根据收集的数据，对此时的用户需求的带宽进行分配。初始化，d_i(t)记录代理在时隙t给用户i分配的带宽，在时隙开始的时候赋初始值为0，d_i(t)←0，i＝1,2,…,N；d_sup(i)记录代理在本时隙可以给用户i分配的最大带宽，在时隙开始的时候赋初始值为1，d_sup(i)←1，i＝1,2,…,N；记带宽分配中间参数记为d′_i(t)，在时隙开始时，令d′_i(t)＝d_i(t)；记带宽剩余量中间参数记为S′，在时隙开始时，令S′＝S；

步骤四，对N个用户的播放速率p_i从小到大进行排序，并重新编号，计算每个用户维持流畅播放到下一时隙的需求数据量d_need(i)；

步骤五，从第1个用户到第N个用户，当剩余的带宽S>0时，首先进行第一次带宽分配：

(a)计算此时基站可以给用户i传输的数据量d_sup(i)；

(b)如果d_sup(i)3d_need(i)，则令d_i(t)＝d′_i(t)+d_need(i)，S＝S′-d_need(i)，d_sum＝B(t)-S，此时更新带宽分配中间参数d′_i(t)和剩余带宽中间参数S′，令d′_i(t)＝d_i(t)，S′＝S；

(c)如果d_sup(i)<d_need(i)，则d_i(t)＝d′_i(t)+d_sup(i)，S＝S′-d_sup(i)，d_sum＝B(t)-S，此时更新带宽分配中间参数d′_i(t)和剩余带宽中间参数S′，令d′_i(t)＝d_i(t)，S′＝S；

其中d_sum表示已分配数据量，为记录参数；

步骤六，计算此时***可以给用户i传输的数据量d_sup(i)；

步骤七，若此时剩余的带宽S>0时且存在d_sup(i)≠0，则将剩余的带宽分配给用户，从第1个用户到第N个用户，每次给一个用户分配一个时隙的数据即p_i，保证用户的公平性：

(a)如果d_sup(i)≥p_i，则d_i(t)＝d′i(t)+p_i，S＝S′-p_i，d_sum＝B(t)-S，此时更新带宽分配中间参数d′_i(t)和剩余带宽中间参数S′，令d′_i(t)＝d_i(t)，S′＝S；

(b)如果d_sup(i)<p_i，则d_i(t)＝d′_i(t)+d_sup(i)，S＝S′-d_sup(i)，d_sum＝B(t)-S，此时更新带宽分配中间参数d′_i(t)和剩余带宽中间参数S′，令d′_i(t)＝d_i(t)，S′＝S；步骤八，重新计算此时***可以给用户i传输的数据量d_sup(i)，如果剩余的带宽S>0时且存在d_sup(i)≠0，重复运行步骤七；

步骤九，根据分配的d_i(t)对基站中存在的用户进行带宽分配。

步骤十，调度进入下一时隙，感知用户的进入和用户的离开，服务带宽的变化等，进行新一轮调度决策。

Claims (4)

1.一种流媒体应用快速缓冲的带宽分配方法，其特征在于，在蜂窝网的基站和核心网之间需要部署带宽分配代理，当网络中移动用户请求流媒体数据时，带宽分配代理按照如下方法为各个用户分配带宽： 

步骤一，在时隙t时，用户i向带宽分配代理请求流媒体数据，大小为M_i，带宽分配代理记录用户；若时隙t有用户离开或者用户的数据已经传输完毕，带宽分配代理释放该用户的请求，不再为其分配宽带宽资源； 

步骤二，带宽分配代理收集用户i的信号强度s_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)，用参数S来记录此时隙分配剩余的带宽量，时隙开始时，令S＝B(t)； 

步骤三，带宽分配代理根据收集的数据，对此时的用户需求带宽进行分配：初始化，d_i(t)记录带宽分配代理在时隙t给用户i分配的带宽，在时隙开始时，赋初值0，d_i(t)←0，i＝1,2,…,N；d_sup(i)记录带宽分配代理在本时隙能够给用户i分配的最大带宽，在时隙开始时，赋初值1，d_sup(i)←1，i＝1,2,…,N，其中N为用户个数；记带宽分配中间参数记为d′_i(t)，在时隙开始时，令d′_i(t)＝d_i(t)；记带宽剩余量中间参数记为S′，在时隙开始时，令S′＝S； 

步骤四，将N个用户的播放速率p_i从小到大进行排序，并重新编号，计算每个用户维持流畅播放到下一时隙需要的数据量d_need(i)； 

步骤五，从第1个用户到第N个用户，当基站在本时隙剩余的带宽S>0时，进行第一次带宽分配： 

(a)计算此时本基站可以给用户i传输的数据量d_sup(i)； 

(b)如果d_sup(i)≥d_need(i)，则令d_i(t)＝d′_i(t)+d_need(i)，S＝S′-d_need(i)，d_sum＝B(t)-S，此时更新带宽分配中间参数d′_i(t)和剩余带宽中间参数S′，令d′_i(t)＝d_i(t)，S′＝S； 

(c)如果d_sup(i)<d_need(i)，则d_i(t)＝d′_i(t)+d_sup(i)，S＝S′-d_sup(i)，d_sum＝B(t)-S， 并更新带宽分配中间参数d′_i(t)和剩余带宽中间参数S′，令d′_i(t)＝d_i(t)，S′＝S； 

其中d_sum表示已分配数据量，为记录参数； 

步骤六，计算此时***可以给用户i传输的数据量d_sup(i)； 

步骤七，若此时剩余的带宽S>0时且存在d_sup(i)≠0，则将剩余的带宽分配给用户，从第1个用户到第N个用户，每次给一个用户分配一个时隙的数据即p_i，保证用户的公平性： 

(a)如果d_sup(i)≥p_i，则d_i(t)＝d′_i(t)+p_i，S＝S′-p_i，d_sum＝B(t)-S，并更新带宽分配中间参数d′_i(t)和剩余带宽中间参数S′，令d′_i(t)＝d_i(t)，S′＝S； 

(b)如果d_sup(i)<p_i，则d_i(t)＝d′_i(t)+d_sup(i)，S＝S′-d_sup(i)，d_sum＝B(t)-S，并更新带宽分配中间参数d′_i(t)和剩余带宽中间参数S′，令d′_i(t)＝d_i(t)，S′＝S； 

步骤八，重新计算此时***可以给用户i传输的数据量d_sup(i)，如果剩余的带宽S>0时且存在d_sup(i)≠0，重复运行步骤七； 

步骤九，根据分配的d_i(t)对基站中存在的用户进行带宽分配； 

步骤十，调度进入下一时隙，感知用户的进入和用户的离开，服务带宽的变化等，进行新一轮调度决策。 

2.根据权利要求1所述流媒体应用快速缓冲的带宽分配方法，其特征在于，所述步骤四中d_need(i)计算公式为： 

其中，r_i(t)表示剩余数据，意为时隙t开始时，用户缓存中剩余的数据量，r_i(0)＝0，r_i(t+1)＝max{(r_i(t)+d_i(t)-tp_i),0}。 

3.根据权利要求1所述流媒体应用快速缓冲的带宽分配方法，其特征在于，所述步骤五中d_sup(i)计算公式为： 

d_sup(i)＝min{Th(s_i(t))-d_i(t),B(t)-d_sum} 

其中，Th(s_i(t))表示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，即最大吞吐率。 

4.根据权利要求1所述流媒体应用快速缓冲的带宽分配方法，其特征在于，所述d_sup(i)满足如下条件(1)和条件(2)的限制： 

min 

S.T. d_i(t)≤Th(signal_i(t)) i＝1,2,…,N   (1) 

                     t＝0,1,…,T 

其中，表示在时间T内，所有用户的平均的等待时间，c_i(t)表示缓冲时间，c_i(0)＝0，