《電子技術應用》
您所在的位置:首頁 > 可編程邏輯 > 業(yè)界動態(tài) > 基于發(fā)送緩存的VideoStream調(diào)度算法研究及其FPGA實現(xiàn)

基于發(fā)送緩存的VideoStream調(diào)度算法研究及其FPGA實現(xiàn)

2009-02-17
作者:翁英萍, 季中恒, 彭建華

  摘 要: 研究了CDMA2000 1x EVDO系統(tǒng)一種支持VideoStream業(yè)務的調(diào)度算法及FPGA實現(xiàn),;通過大量研究和設計,,得到一種能保證性能和速度,又適合硬件實現(xiàn)的調(diào)度算法,。綜合時選用Altera公司的StratixII 系列EP2S60F484C4芯片,,并通過功能仿真驗證了硬件實現(xiàn)的可行性和正確性,。
  關鍵詞: 視頻流; 調(diào)度; 現(xiàn)場可編程陣列

?

  隨著固網(wǎng)和移動網(wǎng)的融合,為適應新的業(yè)務應用需求,,提高無線網(wǎng)絡資源利用率,,滿足業(yè)務的QoS要求,對現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)提出了實質(zhì)性的改變,,更是對網(wǎng)絡性能提出的挑戰(zhàn),。作為CDMA2000 1x EVDO 系統(tǒng)關鍵技術之一的多用戶調(diào)度越來越引起學者的關注。本文在已有參考文獻的基礎上提出一種針對視頻流業(yè)務的無線分組調(diào)度算法,并用FPGA予以實現(xiàn),,證明其可行性,。
1 多用戶調(diào)度原理
  CDMA2000 1x EVDO系統(tǒng)的前向由導頻信道、MAC信道,、控制信道和業(yè)務信道采用時分復用(TDM)的方式組成[1],。業(yè)務信道用來傳輸業(yè)務數(shù)據(jù),由系統(tǒng)中的所有用戶共享使用;控制信道用于廣播系統(tǒng)開銷消息以及發(fā)送尋呼消息,;而MAC信道通過碼分的方式將用于過載控制的反向活動指示,、反向功率控制和輔助實現(xiàn)虛擬軟切換的DRCLock三個子信道復用在一起。在時間軸上,,CDMA2000 1x EVDO將前向信道分為長1.67ms的時隙,,每個時隙由2 048個碼片構(gòu)成,每個時隙又分為兩個1/2時隙,,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

?

?

  CDMA2000 1x EVDO的前向始終以最大功率發(fā)射,當系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)時,,前向僅發(fā)射導頻和MAC信道,,而當系統(tǒng)中的用戶有數(shù)據(jù)需要傳輸時,業(yè)務信道以時隙為單位在不同用戶之間通過調(diào)度分配使用,。同一時刻,,系統(tǒng)只向一個用戶發(fā)射數(shù)據(jù),避免了小區(qū)內(nèi)的多用戶干擾,,而且采用了自適應調(diào)制編碼以適應時變的信道,,表1列出了Rlease 0系統(tǒng)前向采用的可變數(shù)據(jù)速率集。CDMA2000 1x EVDO在反向引入數(shù)據(jù)速率控制信道(DRC),,移動臺根據(jù)測量的載干比來向基站申請能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)可靠接收的最大前向傳輸速率,;基站中的調(diào)度程序根據(jù)終端申請的速率以及一段時間內(nèi)時隙分配的情況來決定下一個時隙給哪一個移動臺使用。一般當移動臺處于深衰落狀態(tài)時,,調(diào)度程序就不給它分配傳輸時隙或少分配傳輸時隙,,而更多地為申請高傳輸速率的移動臺服務,從而實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量的提高,,這個過程就是本文將要重點研究的多用戶調(diào)度,。多用戶調(diào)度作為CDMA2000 1x EVDO關鍵技術之一直接影響到系統(tǒng)性能和業(yè)務及用戶的QoS要求,因此對調(diào)度算法的研究勢在必行,。系統(tǒng)前向分組發(fā)送調(diào)度的示意見圖2,。

?


  圖2中,用戶信息模塊一般保存有用戶的權限,、業(yè)務的QoS需求等相關信息,;信道狀態(tài)信息模塊從反向的邏輯信道中提取各用戶上報的狀態(tài)信息(如DRC),;用戶隊列一般采用先進先出原則緩存發(fā)送到用戶的數(shù)據(jù)分組,并將分組排隊信息反饋到調(diào)度模塊,;分組模塊綜合利用業(yè)務的QoS需求,、分組隊列信息以及用戶信道狀態(tài)信息等來決定傳輸時隙的分配。
2 基于回播緩存的調(diào)度
  參考文獻[2]結(jié)合了視頻流自身的業(yè)務特性,, 在M-LWDF,、EXP算法基礎上,提出了PB-M-LWDF,、PB-EXP算法。該算法考慮了接收端回播緩存(Play—Buffer)空間的大?。寒斁彺鏀?shù)據(jù)量小于某個門限值時,,增加優(yōu)先權,反之降低優(yōu)先權,。具體數(shù)學描述如下,。
  (1) M-LWDF算法調(diào)度準則[3]
  
  (2) EXP算法調(diào)度準則[4]:
  
  (3)以上兩種算法的Wi權重兼指用戶i隊列頭部數(shù)據(jù)分組(HOL)的最大時延,而Karina Gribanova等學者不僅考慮了HOL時延,,還加入了視頻回播參數(shù),, 如下:????????????????????????????????????????????????????????????????????????

  
  式(3)中l(wèi)(t)為回播緩存數(shù)據(jù)量,Rd(t)為回播速率,,于是可以得出在Wi(t)及Rd(t)相等的情況下,,當緩存數(shù)據(jù)多時就會相應地降低優(yōu)先權,反之增加優(yōu)先權,。最后得到PB-M-LWDF,、PB-EXP調(diào)度準則。
  
  參考文獻[2]仿真驗證了PB-M-LWDF,、PB-EXP調(diào)度準則,,與M-LWDF及EXP算法相比改善了丟包率。
3 基于發(fā)送緩存的調(diào)度算法
  基于回播緩存,,顧名思義,,基站需要得到接收端的緩存信息,而CDMA2000 1x EVDO標準沒有此項開銷消息的配置,,更改規(guī)范也是不合理的,,因此該算法在實際應用中不可能實施,針對該缺點,,本節(jié)提出一種基于發(fā)送緩存的調(diào)度算法,。
  一般地,基站發(fā)送緩存量與終端回播緩存量存在一定的關系[5]:當發(fā)送緩存較少時,,接收端的回播緩存一般較多,,而不需要立即發(fā)送,;換個角度來說就是,如果發(fā)送緩存較大,,就意味著接收緩存很少,,需立即發(fā)送數(shù)據(jù)以避免出現(xiàn)回播緩存的餓死現(xiàn)象。但數(shù)據(jù)發(fā)送并不僅僅與緩存量有關,,還與用戶數(shù)據(jù)之前是否被調(diào)度的歷史信息有關,。例如,有兩用戶數(shù)據(jù),,其中一個用戶被連續(xù)調(diào)度,,而另一用戶則被間斷調(diào)度,但發(fā)送緩存量相等,,這時該調(diào)度哪個分組數(shù)據(jù)就成了問題,。
3.1 優(yōu)先權函數(shù)
  (1) 最能體現(xiàn)用戶被調(diào)度狀況的就是用戶的平均吞吐量,其更新過程如下:???
  
  優(yōu)先權與該值成反比,。

  很明顯i用戶t+1時隙的信道平均狀態(tài)與t時隙是否分配給i用戶無關,,因此其更新較為簡單,式中β是平滑因子,。DRC(t)/表征信道當前狀態(tài)與平均狀態(tài)的比值,,優(yōu)先權與該值成正比。

? 同樣i用戶t+1時隙發(fā)送緩存的平均存儲量也與t時隙是否分配給i用戶無關,,因此其更新也較為簡單,,式中bi(t)為i用戶n時隙緩存量,λ是平滑因子,。

??? (5)根據(jù)當前緩存量給出用戶權重因子wi(t),,更新如下:

3.2 算法流程
  假設系統(tǒng)僅支持后臺類及視頻流業(yè)務,根據(jù)經(jīng)典PF算法及(11)式給出的優(yōu)先權函數(shù),,算法流程如下:
  (1)給每個用戶分別設立后臺類及視頻流業(yè)務兩隊列,,對每個分組按業(yè)務及用戶輸入相應的隊列,如圖3所示,。

?


  (2) 將不同業(yè)務類型的用戶根據(jù)不同的調(diào)度準則,,對權值進行比較。
  后臺類業(yè)務調(diào)度準則,,PF算法:
  
  (3) 比較(12),、(13)式權值大小,將時隙分配給權值最高的用戶,。
?  (4) 根據(jù)式(6),、(7)、(8),、(9),、(10)更新各參數(shù)值,,進行下一時隙的權值比較。
3.3 仿真驗證
  小區(qū)采用單扇區(qū)配置,,多用戶在小區(qū)內(nèi)均勻分布,,仿真時用戶數(shù)量為8,信道模型為瑞利衰落,,路損指數(shù)為4,,用戶移動速度為3km/h,基站發(fā)射功率為20W,,小區(qū)半徑為1km,;分組發(fā)送規(guī)格及速率集以CDMA2000 1x EVDO Rlease 0 技術規(guī)范為準,見表1,,傳輸速率與信噪比的對應關系見表2,,分組大小為128bit,且在仿真過程中不考慮分組到達過程的影響,,并假定用戶的數(shù)據(jù)緩存足夠大且用戶數(shù)據(jù)隊列中有足夠多的分組以供下載。

?


  調(diào)度器的調(diào)度周期為一個時隙,,并假設用戶的DRC在一個時隙內(nèi)是不變的,。時隙長是1.667ms。仿真時所用的用戶權重因子wi(t)更新參數(shù):bimax=32KB,,bihigh=0.5,,bilow=0.2;各參數(shù)更新的平滑因子α,、β,、λ固定為0.001,而μ為0.01,。假設所有用戶僅接受后臺類及視頻流業(yè)務服務,,與EXP指數(shù)算法、參考文獻[2]提出的PB算法的性能進行比較,。
  (1)將時隙分配概率作為仿真結(jié)果進行比較,,如圖4。


  由仿真結(jié)果可以看出,,在滿足視頻流業(yè)務QoS的前提下,,系統(tǒng)為后臺類業(yè)務提供了更高的吞吐率,而且比PB算法的資源利用率還有效,。
  (2)將系統(tǒng)吞吐量作為仿真結(jié)果進行比較,,如圖5。


  由仿真結(jié)果可以看出,,隨著視頻流業(yè)務的增多,,系統(tǒng)吞吐量呈下降趨勢,,本文提出的基于發(fā)送緩存的調(diào)度算法與PB算法具有相似的系統(tǒng)吞吐量。
4 算法的硬件實現(xiàn)
  仿真結(jié)果表明,,本文的調(diào)度算法具有比PB算法更高的系統(tǒng)性能,,由此本文根據(jù)該算法設計出一高速可行的調(diào)度器。在硬件設計中,,根據(jù)扇區(qū)內(nèi)的激活用戶數(shù)來設計FPGA模塊,,給每個用戶分配 PF權值計算和基于發(fā)送緩存的權值計算模塊各一塊,將計算結(jié)果送入頂層的權值比較器,,由比較結(jié)果來控制最終的發(fā)送分組,。圖6給出了頂層設計模塊圖。

?


4.1 算法模塊FPGA實現(xiàn)
  本文的硬件實現(xiàn)方法是基于DSPbuilder的建模方式[6],,在建模時也盡量采納庫里包含的計算模塊,。
  (1) PF算法比較簡單,其結(jié)構(gòu)框圖如圖7,。
  PF算法的缺點是:DSPbuilder庫里的除法器運算結(jié)果是商和余數(shù),,將該值送入權值比較器會出現(xiàn)比較錯誤,因此考慮將除數(shù)擴大1 024倍來近似消除余數(shù)的影響,,而只將商送入權值比較器,。
  (2)基于發(fā)送緩存的算法,其結(jié)構(gòu)框圖如圖8,。

?

????為降低運算流程的復雜度,,設計緩存監(jiān)視模塊時,考慮隊列緩存直接使用DSPbuilder庫里的FIFO模塊,,再利用查表方式得到緩存利用率,,從而提高運算速度,對于除法運算的設計技巧同樣采用方式(1),。
4.2 調(diào)度器功能仿真
  用QuartusII綜合由DSPbuilder編譯完成工程項目,,并對該項目進行波形功能仿真。由于QuartusII庫I/O資源有限,,因此只對兩個用戶的業(yè)務分組調(diào)度進行波形仿真,,結(jié)果如圖9。

?


  仿真結(jié)果與理論結(jié)果完全一致,,圖9中Input,、Input2分別為用戶1、用戶2的DRC輸入,;Input1,、 Input7分別為用戶1、用戶2的數(shù)據(jù)源,,包含后臺類及視頻流兩種數(shù)據(jù)業(yè)務,,用第一比特的0,、1區(qū)別,0表示視頻流,,1表示后臺類業(yè)務,;Output1、Output7分別為用戶1,、用戶2的被調(diào)分組的輸出,。
  本文針對視頻流這一主流多媒體業(yè)務,提出一種基于發(fā)送緩存的調(diào)度算法,,該算法克服了PF的固有缺點(基站側(cè)要有終端回播緩存的反饋信息),,在理論上也有比PF算法較好的系統(tǒng)性能,通過功能仿真也證明了設計的調(diào)度器的可行性,。

參考文獻
[1]?3GPP2 C.S0024 v4.0. CDMA2000 high rate packet data air interface specification[S]. March 2004.
[2] GRIBANOVA K,, J?魧NTTI R. On scheduling video?streaming data in the HDR system.IEEE 2004:2572-2576.
[3]?ANDREWS M, KUMARAN K, RAMANAN K,et al.?Providing quality of service over a shared wireless link[J]. IEEE Communications Magazine,2001:150-154.

[4] SHAKKOTTAI S, STOLYAR A. Scheduling algorithms for a mixture of real-time and non-real-time data in HDR
[J].Proc. Int. Teletrafic Congress, Sept. 2001:793-804.
[5]?KOTO H, FUKUSHIMA M, NOMOTO S. et al.Scheduling?algorithm for real-time application in mobile packet
networks[J]. IEEE Communications Society,2005.

[6]?DSP Builder Reference Manual. http://www.altera.com.

本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點,。轉(zhuǎn)載的所有的文章、圖片,、音/視頻文件等資料的版權歸版權所有權人所有,。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認版權者。如涉及作品內(nèi)容,、版權和其它問題,,請及時通過電子郵件或電話通知我們,,以便迅速采取適當措施,,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟損失。聯(lián)系電話:010-82306118,;郵箱:[email protected],。