一种HSDPA网络中针对实时视频的跨层调度方法

摘要

本发明提供一种HSDPA网络中针对实时视频的跨层调度方法，该方法包括根据当前时刻的队列信息和网络状态信息预测队列中各个视频数据包的延时，并据此将视频用户分为三类：资源充足型，资源恰好型，资源不足型；调度器首先利用数据包重要性、延时信息及信道质量进行信道资源预分配，对于选中的不同类型的视频用户，采用不同的调度策略：资源充足型用户必须放弃该调度时隙并将调度资源禅让给其他两类用户中信道质量最好的用户，资源恰好型用户顺序调度用户队列中的数据包，资源不足型用户则主动丢弃不重要的数据包以保证视频数据中更重要的数据包的正确传输，本发明的可以在提高视频传输质量的同时更好的保证用户间公平性。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及一种HSDPA网络中针对实时视频 的跨层调度方法。

背景技术

UMTS（Universal Mobile Telecommunications System）作为国际标 准化组织3GPP（The 3rd Generation Partnership Project）指定的全 球3G标准之一，其Release4版本已经能为小区用户带来高达2Mbps的峰 值数据传输速率，HSDPA（High Speed Downlink Packet Access）的下行 接入技术的引入，进一步将下行峰值速率扩展到了14Mbps。HSDPA主要采 用了三个关键技术，分别为自适应调制编码（adaptive coding and  modulation，AMC）、混合重传（Hybrid Automatic Response request， HARQ）及快速调度（Fast Scheduling）。在HSDPA网络中，快速调度在 基站处实现，解决的主要问题是下行共享信道在不同用户间的分配，从而 在保证用户间公平性的前提下，确保不同业务流的服务质量要求得到满 足。HSDPA数据调度以2ms为调度周期，错误接收的分组在ARQ反馈后将 重新调度，直至调度器发送重传分组的次数达到重传允许的最大值后，该 分组数据将从队列中丢弃。

采用HSDPA网络传输视频包时，现有技术并没有全面考虑视频数据包 的重要性、信道质量和延时限制这些因素，从而降低了视频传输的质量和 用户间的公平性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种HSDPA网络中针对实时视频的跨层调度方 法，用以提高视频传输的质量和用户间的公平性。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

1）根据视频用户当前时刻的队列信息和网络状态信息对视频用户进行分 类；

2）经过步骤1）后，根据信道质量、视频数据包的重要性参数和延时信 息进行信道资源预分配；

3）经过步骤2）后，对于选中的不同类型的视频用户采用不同的调度策 略。

根据当前的队列信息和网络状态预测队列中每个视频数据包的延时，从 而找到队列中延时最大的视频数据包；利用该延时最大的视频数据包的延时 情况将视频用户分为三类：资源充足型用户、资源恰好型用户以及资源不足 型用户；资源充足型用户队列中的视频数据包延迟较小，在保证自己无超时 丢包的情况下还可将过剩的资源禅让给其他类用户；资源恰好型用户队列中 的视频数据包延时大于资源充足型用户，没有多余的资源禅让，但仍可基本 保证自身无超时丢包；资源不足型用户队列中的视频数据包延时很大，将会 出现大量的超时丢包。

所述步骤1）的具体方法为：

假设在当前传输时间间隔（Transmission Time Interval，TTI）中，系 统共有N个视频用户等待调度，第i个视频用户的队列中有M_i个视频帧的数 据，且每一视频帧中所有视频数据包的延时均等于该视频帧最后一个视频数 据包的延时，则采用如下的公式计算第i个视频用户第j帧的视频数据包的 延时：

${\mathrm{Td}}_j^i\text{=}\underset{k=1}{\overset{j}{\Sigma }}{\mathrm{Ts}}_k^i+{\mathrm{Tq}}_j^i,$i＝1，...,N，j=1,...,M_i，其递推形式如下：

${\mathrm{Td}}_j^i={\mathrm{Td}}_{j-1}^i+{\mathrm{Ts}}_j^i-({\mathrm{Tq}}_{j-1}^i-{\mathrm{Tq}}_j^i),$${\mathrm{Ts}}_j^i=\frac{\mathrm{frame}\_{\mathrm{size}}_j^i}{R_i}$

，其中表示第i个视频用户第j帧的视频数据包的延时，表示第i 个视频用户第j-1帧的视频数据包的延时，表示第i个视频用户第k帧 的视频数据包的带宽延时预测值，表示第i个视频用户第j帧的视频数 据包的带宽延时预测值，表示第i个视频用户第j帧的视频数据包的当前 队列延时，表示第i个视频用户第j-1帧的视频数据包的当前队列延时， 表示第i个视频用户第j帧的比特大小，R_i表示第i个视频用户 的平均发送速率，R_i通过前面一段时间的发送速率的时间平均获得；通过上 述计算可以预测当前TTI每个视频数据包的延时。

假设第i个视频用户第k_i帧的视频数据包最可能延时丢弃，也就是 $k_i=\underset{j\in [1,M_i]}{\arg \max }\left\{{\mathrm{Td}}_j^i\right\}$

，那么如果第i个视频用户第k_i帧的视频数据包的延时大于给定的视频用户i 的视频数据包的最大延时限制D_i，则认为当前情况下该视频用户将不可避免 出现超时丢包；反之视频用户将基本不会出现超时丢包；

为了提高系统平均视频质量，较低延时的视频用户应禅让自己的调度机 会给较高延时的视频用户以降低整个系统超时丢包的概率。但是由于视频本 身具有的突发性对视频数据包的延时具有很大的影响，所以在选择视频用户 去禅让资源之前需要考虑视频的突发性，以避免其因此出现不期望的超时丢 包。注意到I帧的正确传输对视频质量尤为重要，所以本方法仅考虑I帧的 突发性。这里，为视频用户i定义变量G_i，以预测将要到达的I帧视频数据 包的延时在基础上的增量，表示第i个视频用户第k_i帧的视频数据包 的延时，G_i的计算方法如下：

$G_i=\left(\begin{array}{cc}\frac{\max \_{\mathrm{Isize}}_i}{R_i},& {\mathrm{prio}}_{k_i}^i>1\\ \frac{\max \_{\mathrm{Isize}}_i}{R_i}-{\mathrm{Ts}}_{k_i}^i,& {\mathrm{prio}}_{k_i}^i=1\end{array}\right)$

，式中：表示第i个视频用户第k_i帧的视频数据包的带宽延时预测值， 表示第i个视频用户第k_i帧的视频数据包的优先级，表示第i 个视频用户第k_i帧为I帧；max_Isize_i表示目前为止第i个视频用户最大的I 帧比特大小；

根据上述可得，视频用户分类方法如下：

资源充足型用户，满足

$D_i-{\mathrm{Tq}}_{k_i}^i>W_{\mathrm{upper}}*(\underset{k=1}{\overset{k_i}{\Sigma }}{\mathrm{Ts}}_k^i+G_i)$

资源恰好型用户，满足

$W_{\mathrm{lower}}*\underset{k=1}{\overset{k_i}{\Sigma }}{\mathrm{Ts}}_k^i\le D_i-{\mathrm{Tq}}_{k_i}^i\le W_{\mathrm{upper}}*(\underset{k=1}{\overset{k_i}{\Sigma }}{\mathrm{Ts}}_k^i+G_i)$

资源不足型用户，满足

$D_i-{\mathrm{Tq}}_{k_i}^i<W_{\mathrm{lower}}*\underset{k=1}{\overset{k_i}{\Sigma }}{\mathrm{Ts}}_k^i$

，其中表示第i个视频用户第k_i帧的视频数据包的当前队列延时，W_lower和 W_upper均为常数权值，W_lower∈[0.5,1]，W_upper∈[1,1.5]。

所述步骤2）的具体方法为：

根据信道质量、视频数据包重要性参数和延时信息进行信道资源预分配， 视频用户选择策略如下：

$i^{*}=\arg \underset{1\le i\le N}{\max }\{\frac{r_i}{R_i}*\frac{q_i}{D_i}*(1-\frac{f\left(p_i\right))}{\max \_\mathrm{prio}})\}$

，式中i^*表示调度器选择出来在当前TTI调度的视频用户，r_i为在当前传输 时间间隔中视频用户i支持的数据传输速率，可以通过AMC获得；p_i表示第 i个视频用户的队列中第一个视频数据包的重要性参数，即优先级，该变量 由一个优先级标记算法求得；q_i表示第i个视频用户的队列中第一个视频数 据包的队列延时；f(·)表示一个单调递减函数，它将第i个视频用户的队列 中第一个视频数据包的优先级重新划分为较少的max_prio个等级，其动态范 围为[1,max_prio]，目的是平衡信道质量、数据包重要性参数和延时对视频 用户选择策略的影响。

所述步骤3）的具体方法为：

若选择的视频用户为资源充足型用户，则将此次调度机会禅让给其他两 类视频用户中信道质量最好的用户，如果系统中所有视频用户均为资源充足 型用户，则顺序调度队列中的视频数据包；

若选择的视频用户为资源恰好型用户，则顺序调度队列中的视频数据包；

若选择的视频用户为资源不足型用户，则计算需要丢弃的视频数据包的 优先级阈值，然后主动丢弃位于第帧数据包之前且优先级大于该阈值的 视频数据包，以保证更为重要的视频数据包可以正确传输，表示视频用户 i^*最可能延时丢弃的视频数据包对应的视频帧序号；设表示视频用户i^*的 队列中位于第帧视频数据包之前且优先级为n的视频数据包集合， 表示集合中所有视频数据包的比特大小之和，则该阈值为满足 下面不等式的的最小值：

$\underset{n=1}{\overset{{\mathrm{DP}}_{i^{*}}}{\Sigma }}\mathrm{Size}\left(A_n^{i^{*}}\right)>R_{i^{*}}*(D_{i^{*}}-{\mathrm{Tq}}_{k_{i^{*}}}^{i^{*}})$

，式中表示视频用户i^*的平均发送速率，表示给定的视频用户i^*的 视频数据包的最大延时限制，表示视频用户i^*第帧的视频数据包的 当前队列延时。

随着视频应用的不断普及，如何在HSDPA网络中高质量的进行视频传输 已经成为近年来的研究热点。本发明针对实时视频HSDPA网络中的传输问题， 综合考虑信道质量，视频包延迟及重要性信息，提供了一种针对实时视频的 跨层调度方法。该方法根据当前时刻的队列信息和网络状态信息预测队列中 各个视频数据包的延时，并据此将视频用户分为三类：资源充足型，资源恰 好型以及资源不足型；资源充足型视频用户队列中的数据包延迟较小，在保 证自己无超时丢包的情况下还可将过剩的资源禅让给其他类型的视频用户； 资源恰好型视频用户数据包的延时稍大于资源充足型视频用户，虽没有多余 的资源禅让但仍可基本保证自身无超时丢包；资源不足型视频用户数据包延 时很大，将会出现大量的超时丢包；调度器首先利用数据包重要性、延时信 息及信道质量进行信道资源预分配，对于选中的不同类型的视频用户，采用 不同的调度策略：资源充足型视频用户必须放弃该调度时隙并将调度资源禅 让给其他两类用户中信道质量最好的用户，资源恰好型视频用户顺序调度用 户队列中的数据包，资源不足型视频用户则主动丢弃不重要的数据包以保证 视频数据中更重要的数据包的正确传输。本发明可以在提高视频传输质量的 同时更好的保证用户间公平性。

附图说明

图1为调度算法系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明是一种基于延时预测的内容和信道可感知的实时视频数据包调度 方法，综合考虑视频数据包重要性参数、当前的队列信息和网络状态信息进 行数据包调度，调度算法系统框图如图1所示。首先在应用层采用一个优先 级标记器对视频数据包进行优先级标记，其中优先级值越小表示该数据包的 正确传输对于接收到的视频质量影响越大；在MAC层根据队列信息和物理层 反馈的网络状态对视频用户进行分类；在信道资源预分配之后，对于不同类 型的视频用户采用不同的调度策略，资源不足型视频用户主动丢弃不重要的 数据包，资源充足型视频用户主动将调度机会禅让给传输性能较差的视频用 户，从而提高总体视频传输的质量和用户间的公平性。

本发明中跨层调度算法实施的流程，包括：

步骤1：计算视频数据包的重要性参数；

其中，在视频传输过程中，不同的视频数据包重要性参数不同。假设H.264 视频序列的一个GOP(group of pictures,图像组)中有N_GOP帧图像，包括1 个I帧，Np个P帧和N_GOP-Np-1个B帧，其中I帧采用帧内编码模式，P帧利 用前面的P帧或者I帧进行预测，B帧通过前面和后面两个图像帧预测而来， 最后一个B帧通过前面的P帧和下一个GOP的I帧预测而来。在传输过程中， 如果前面的P帧丢失，那么以此作为帧参考的各个帧的数据解码都会受到影 响，其视频质量将变得很差。而一个B帧丢失只会影响该B帧本身的视频质 量，一个I帧的丢失会导致该GOP序列所有的视频帧质量下降。本发明用P 帧在GOP中的位置来衡量P帧数据包的重要性，一个P帧在一个GOP中的位 置越靠前，则该帧数据包越重要。例如，编码器规定视频流中总共有m（通 常要求m>Np）个优先级，取值范围为1~m，最高优先级1分配给I帧的数据 包，最低优先级m分配给B帧的数据包，P帧的数据包的优先级则介于2和m 之间，具体分配如下

i_p=1,2，...,N_p    (1)

其中为上取整函数，i_p为GOP中P帧的索引，prio[i_p]为GOP中第i_p个 P帧的数据包的优先级。

可以理解的是，也可以采用其他方式获得视频数据包的优先级，也就是 视频重要性参数。

这里还需指出，视频数据包的优先级标记在编码器编码结束后就已完成， 即进入调度器的视频数据包已携带优先级信息。该步骤为本发明中的调度算 法提供关于视频数据包重要性的信息，独立于调度算法而在编码器端实现。 而步骤2~4才为本发明中调度算法的执行步骤。

步骤2：根据当前的队列信息和网络状态对视频用户进行分类。

计算第i个用户第j帧的数据包延时的公式如下

${\mathrm{Td}}_j^i=\underset{k=1}{\overset{j}{\Sigma }}{\mathrm{Ts}}_k^i+{\mathrm{Tq}}_j^i---\left(2\right)$

为方便计算，给出式（2）的递推形式，如下

${\mathrm{Td}}_j^i={\mathrm{Td}}_{j-1}^i+{\mathrm{Ts}}_j^i-({\mathrm{Tq}}_{j-1}^i-{\mathrm{Tq}}_j^i)---\left(3\right)$

其中：

${\mathrm{Ts}}_j^i=\frac{\mathrm{frame}\_{\mathrm{size}}_j^i}{R_i}---\left(4\right)$

式中表示第i个视频用户第j帧的视频数据包的带宽延时预测值； 表示第i个视频用户第j帧的视频数据包的当前队列延时； 表示第i个视频用户第j帧的比特大小；

R_i表示第i个视频用户的平均发送速率，即可以通过前面一段时间的发 送速率的时间平均获得；

若假设当前TTI，第i个视频用户第ki帧的数据包最可能延时丢弃，则k_i可以采用如下公式得到

$k_i=\underset{j\in [1,M_i]}{\arg \max }\left\{{\mathrm{Td}}_j^i\right\}---\left(5\right)$

G_i为第i个视频用户将要到达的I帧数据包延时在基础上的增量预 测值，计算如下

$G_i=\left(\begin{array}{cc}\frac{\max \_{\mathrm{Isize}}_i}{R_i},& {\mathrm{ifprio}}_{k_i}^i>1\\ \frac{\max \_{\mathrm{Isize}}_i}{R_i}-{\mathrm{Ts}}_{k_i}^i,& {\mathrm{ifprio}}_{k_i}^i=1\end{array}\right)---\left(6\right)$

其中表示第i个视频用户第k_i帧的视频数据包的优先级， max_Isize_i表示目前为止第i个视频用户最大的I帧大小。

根据上述计算结果，对视频用户进行分类，若用户满足式（7），则为资 源充足型视频用户；

$D_i-{\mathrm{Tq}}_{k_i}^i>W_{\mathrm{upper}}*(\underset{k=1}{\overset{k_i}{\Sigma }}{\mathrm{Ts}}_k^i+G_i)---\left(7\right)$

若用户满足式（8），则为资源恰好型视频用户；

$W_{\mathrm{lower}}*\underset{k=1}{\overset{k_i}{\Sigma }}{\mathrm{Ts}}_k^i\le D_i-{\mathrm{Tq}}_{k_i}^i\le W_{\mathrm{upper}}*(\underset{k=1}{\overset{k_i}{\Sigma }}{\mathrm{Ts}}_k^i+G_i)---\left(8\right)$

若用户满足式（9），则为资源不足型视频用户。

$D_i-{\mathrm{Tq}}_{k_i}^i<W_{\mathrm{lower}}*\underset{k=1}{\overset{k_i}{\Sigma }}{\mathrm{Ts}}_k^i---\left(9\right)$

其中D_i表示视频用户i的数据包的最大延时限制，W_lower和W_upper均为常 数权值，W_lower∈[0.5,1]，W_upper∈[1,1.5]

步骤3：根据信道质量、视频数据包重要性参数和延时信息进行信道资 源预分配。

视频用户选择策略如下

$i^{*}=\arg \underset{1\le i\le N}{\max }\{\frac{r_i}{R_i}*\frac{q_i}{D_i}*(1-\frac{f\left(p_i\right))}{\max \_\mathrm{prio}})\}---\left(10\right)$

式中r_i为在当前TTI中视频用户i支持的数据传输速率，可以通过AMC 获得；

P_i表示第i个视频用户队列中第一个数据包的重要性参数，即优先级， 该变量由步骤1的优先级标记算法求得；

q_i表示第i个视频用户队列中第一个数据包的队列延时；

f(·)表示一个单调递减函数，它将第i个视频用户队列中第一个数据包 的优先级重新划分为较少的max_prio个等级，其动态范围为[1,max_prio]， max_prio<m，目的是平衡信道质量、视频数据包重要性参数及延时信息对 用户选择策略的影响。

步骤4：对于选中的不同类型的视频用户，采用不同的调度策略。

若选择的用户为资源充足型视频用户，则将此次调度机会禅让给其他两 类视频用户中信道质量最好的用户，如果系统中所有视频用户均为资源充足 型，则顺序调度队列中的数据包。

若选择的用户为资源恰好型视频用户，则顺序调度队列中的数据包。

若选择的用户为资源不足型视频用户，则计算需要丢弃的视频数据包的 优先级的阈值，然后主动丢弃位于第帧数据包之前且优先级大于该阈 值的视频数据包，以保证更为重要的视频数据包可以正确传输。设表示视 频用户i^*位于第帧数据包之前且优先级为n的数据包集合，表示集合中所有视频数据包的大小之和，则该阈值为满足下面不等式的 的最小值

$\underset{n=1}{\overset{{\mathrm{DP}}_{i^{*}}}{\Sigma }}\mathrm{Size}\left(A_n^{i^{*}}\right)>R_{i^{*}}*(D_{i^{*}}-{\mathrm{Tq}}_{k_{i^{*}}}^{i^{*}})---\left(11\right)$

如果下行共享信道仅采用时分复用，则本次调度结束，直接等待进入下 一个调度周期。如果下行共享信道同时采用时分复用和码分复用，则此时若 还有可用码字，则返回步骤2，调度下一用户，直至无码字剩余，此次调度 结束，等待进入下一个调度周期。

这里还需指出，上如方法适用于全是视频用户的HSDPA系统。当然，如 果系统中除了视频用户还有其他用户，本方法仍可以继续使用，只是需为非 视频用户指定一个数据包优先级，具体算法的伪代码如下所示。

开始：在当前TTI中，用户数为N0，可用码字数为M

L1:For i=1 to N0

L2:If用户i为视频用户do

L3:根据式（7）-（9）判断用户i的类型；

L4:If用户i为资源不足型do

L5:计算式（11）其丢弃优先级阈值；

L6:End if

L7:End if

L8:End for

L9:利用式（10）选择用户i*进行调度；

L10:If用户i*为资源充足型视频用户

L11:If系统中存在资源恰好型或资源不足型用户等待调度

L12:选择资源恰好型或资源不足型用户中信道条件最好的用 户进行调度；

L13:返回至L10；

L14:End if

L15:Else if用户i*为资源不足型视频用户

L16:顺序发送其队列中的视频包的同时主动丢弃优先级大于丢弃优先 级阈值的视频包；

L17:Else

L18:顺序发送其队列中的视频包；

L19:End if

L20:更新系统中可用码字数M

L21:If还有可用码字剩余（即M>0）

L22:返回至L9；

L23:End if

结束。

此外，可以理解的是，该方法也可以嵌入到一个多级调度器中，自身作 为一个子调度器仅为视频用户进行数据包调度。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步 骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于计算机可读 取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前 述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介 质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者 对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使 相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。