CN100539601C - 控制多个通信层的操作的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

用于控制分层通信系统中多个通信层的操作的设备包括用于提供通信信道的特性的装置，用于存储定义该多个通信层的第一通信层的不同操作模式的第一多个参数集合并且提供定义该多个通信层的第二通信层的不同操作模式的第二多个参数集合的存储单元，用于根据信道特性和优化目标从该第一多个参数集合中选择第一参数集合并且从该第二多个参数集合中选择第二参数集合的选择器，及用于向第一通信层提供第一参数集合并且向第二通信层提供第二参数集合的装置。因此，可以实现通信资源的有效利用。

Description

控制多个通信层的操作的设备和方法
技术领域
本发明涉及电信领域，尤其涉及使用用于处理要发送的信息和/或处理所接收的信息的协议层的通信系统领域。
背景技术
在移动无线通信环境中，由于例如无线链路的通信链路的动态行为，所以提供可靠的高质量服务是一项挑战性任务。因此，系统设计人员必须处理由时变资源实用性，衰减错误，中断或切换导致的传输质量的不可预测变化。针对超越第三代系统的无线网络(B3G)，由于期待B3G系统涵盖具有不同传输特征的异构无线接入网络技术，所以这种动态行为会受到不利影响。然而，期待下一代无线网络向客户提供可靠和透明的服务，以便能够实现网络多样性的无缝使用。
B3G中服务和应用供应不仅要考虑网络的密度，而且要考虑作为新业务模型的应用多样性，其中期待这些新业务模型允许第三方提供商在运营商服务平台的顶层使用先进开放接口提供其应用。为了应对例如可由变化的用户偏好或变化的用户环境产生的动态改变应用需求，运营商会需要动态改变系统参数以便响应变化的需求的能力。
通常，常规通信系统使用被安排为用于信息处理的协议堆栈的多个通信层。图9示出了包括多个分层排列的通信层的协议堆栈。图9中示出的现有协议堆栈技术在Andrew Tannenbaum，ComputerNetworks，第4版，Francis Hall，2003年中公开。
协议堆栈包括物理层901，排列在物理层901之上的数据链路层903，排列在数据链路层903之上的网络层905，排列在网络层905之上的传送层907及排列在传送层907之上的应用层911。
一般来说，应用层用于管理要发送的信息。例如，信息包括作为要通过通信信道发送的信息的媒体数据流，例如视频数据流。可选地，信息可以包括要通过通信信道发送的、包括视频和音频信息的多媒体数据流。此外，应用可以包括电子邮件等等。换言之，应用层用于把要发送的应用转换成可发送信息流。
应用层911直接与用于提供传送服务的传送层907通信，使得信息能够被发送到依赖于用于通信的物理网络的目的信宿。例如，传送层向信息数据流追加传送协议数据单元(TPDU)，以便保持所有通信网络中常见的端到端通信。端到端通信是指例如传送层907直接与在目的网络中实现的另一个传送层通信。
传送层907直接与用于处理由传送层907提供的信息帧的网络层905通信，使得端到端通信(即两个计算机实体之间的通信)成为可能。
网络层905向包括数据链路层903和物理层901的链路层提供网络层帧，其中数据链路层903和物理层901可以包括例如介质访问控制子层的多个子层。
链路层用于管理通过通信信道进行的、对用位表示的信息的传输。例如，数据链路层903用于把前向纠错编码或前向检错编码应用于错误数据帧(分组)的重新传输，及例如通过发送确认帧来确认每个帧的正确接收。此外，数据链路层903可以用于调度要在例如多用户环境中发送的帧。调度是指在预定时隙发送帧(发送时间帧)。
数据链路层903直接与物理层901通信，其中物理层901用于进一步通过例如使用基于要发送的信息对载波进行调制的调制方案来执行调制，编码由数据链路层903提供的流。
图9中示出的协议堆栈的实施例对应于在上述参考文档中描述的TCP/IP参考模型(TCP＝传输控制协议，IP＝网际协议)。为了方便，应当注意，图9中示出的协议堆栈也对应于额外具有两个层(即，排列在应用层901和传送层907之间的会话层和表示层)的OSI参考模型(OSI＝开放系统互连)。
图9中所述的网际协议堆栈期待被用作B3G系统和应用的基本平台。然而，为了实现良好的传输质量，在变化的传输环境内，可用网络资源的有效使用是必要的，以便使例如将来的通信系统或应用适应变化的传输特征和应用需求。例如，在频率选择通信信道的情况下，要发送的数据位流的适当编码是必要的，以使得预定位差错概率，即10-6，未被增加。为此，物理层可以被用于例如使调制方案适应当前信道特征。因此，通过调整决定相应通信层的操作模式的相应参数，能够在协议堆栈的所有协议层上执行系统调整。
通常，对于在非分层环境中只执行一个服务的系统，例如POTS系统(POTS＝普通旧电话服务)，在这样的系统中以垂直方式执行针对例如视频流的具体应用的系统优化。
在例如无线互联网的分层通信系统中，通常针对预期的最坏情况的环境(最坏状况)独立优化某些层，这导致例如在可用带宽，与某个位差错概率相关的可达到数据速率等等方面对可用通信资源的低效使用。
然而，在现有系统中，在不考虑层间相关性的情况下执行层内调整。在P.A.Chou和Z.Miao，＂Rate-Distortion OptimizationStreaming of Packetized Media＂，Technical Report MSR-TR-2001-35，Microsoft Research，Microsoft Corporation，2001年2月中，公开了一种通信系统，在该系统中媒体帧调度由应用层执行，其中只考虑传送视频和音频信息的媒体帧的互相关性。在M.Kalman，E.Steinbach，andB.Girod，＂R-D Optimized Media Streaming Enhanced withAdaptive Media Playout＂，International Conference on Multimediaand Expo，ICME 2002，Lausanne，2002年8月中，描述了一种自适应媒体播放模式，其中音频数据(例如语音)和视频数据的播放速度随着信道状况而变化。在S.Saha，M.Jamtgaard，J.Villasenor，＂Bringingthe wireless Internet to mobile devices＂，Computer，vol.34，issue6，pp.54-58，2001年6月中描述了一种自适应中间层，其使用媒体数据的代码转换以便使当前使用的编码方案适应变化的信道状况。在H.Imura等人，＂TCP over Second(2.5G)and Third(3G)GenerationWireless Networks＂，IETF RFC 3481，2003年2月中描述了一种无线TCP协议堆栈，其区分由于网络阻塞造成的分组丢失和由于无线链路上的清除造成的丢失。在F.H.Fitzek和M.Reisslein，＂A prefetchingprotocol for continuous media streaming in wireless environments＂，IEEE Journal on Selected Areas in Communications，vol.19，no.10，pp.2015-2028，2001年10月中描述了一种数据链路层重发，其中考虑了延迟约束。所探讨的已知区分服务(DIFFSERV)基于媒体分组中建立的优先级，使得更重要的媒体分组被优选地调度。另外，如IEEE802.11a标准中描述的，物理层上的自适应调制及编码是已知的。
然而，上述现有技术的方案受这样的事实的影响，即在满足优化目标方面，只优化一个层。例如，为了提高传输质量，物理层可以用于根据例如当前信道衰减的当前信道状况自适应地调整发送功率。换言之，上述现有技术的方案依赖于确定相应通信层的操作模式的仅一个参数集合的优化。
为了更有效地利用资源，可以执行两个层的调整。在K.Stuhlmuller，N.Farber和B.Girod，＂Analysis of video transmissionover lossy channels＂，IEEE Journal on Selected Area inCommunication，vol.18，no.6，pp.1012-1032，2000年6月，和T.Fingscheidt，T.Hindelang，R.V.Cox，N.Seshadri，＂JointSource-Channel(De)Coding for Mobile Communications＂，IEEETransactions on Communications，Vol.50，No.2，pp.200-212，2002年2月中，描述了源和信道编码方案。调整方案基于根据就传输质量而言的信道状况对源速率及编码速率的调整。更具体地，公开了一种允许进行源速率的计算及信道速率的计算的分析公式。
在W.Yuan，K.Nahrstedt，S.Adve，D.Jones，R.Kravets：Designand Evaluation of a Cross-Layer Adaptation Framework for MobileMultimedia Systems，to appear inSPIE/ACM Multimedia Computingand Networking Conference(MMCN)2003中，公开了一种功率控制及发送数据速率的优化。在S.Toumpis，A.Goldsmith：Performance，Optimization，and Cross-Layer Design of Media Access Protocols forWireless Ad Hoc Networks，IEEE International Conference onCommunications(ICC)，2003中，描述了自组织网络的介质访问控制(MAC)层及物理层优化。
然而，把跨层设计应用于优化目的的现有技术概念受这样的缺点的影响，即在通信系统内，只有某个优化方案被考虑用于层内调整。而且，现有技术方案不考虑层间相关性，这导致可用资源的低效利用。
现有技术方案的其它缺点是所公开的优化模式不灵活。由于上述现有技术方案只考虑优化一个或两个特定参数，例如功率控制及传输数据速率，所以没有考虑其它优化情形以便完全利用可用通信资源。
发明内容
本发明的目的是提供一种对分层通信系统进行有效跨层优化的构思。
通过如权利要求1所述的用于控制多个通信层的操作的设备，或通过如权利要求16所述的用于处理要发送的信息的通信设备，或通过如权利要求17所述的用于处理所接收信号的通信设备，或通过如权利要求19所述的用于控制多个通信层的操作的方法，或通过如权利要求20所述的用于处理要发送的信息的方法，或通过如权利要求21所述的用于处理接收信号的方法，或通过如权利要求22所述的计算机程序来实现这个目的。
本发明基于这样的发现，即在根据信道特性及优化目标联合确定多个参数集合时，其中每个参数集合确定特定通信层的操作模式，能够执行有效跨层调整。因此，可以执行多个层的联合调整以实现优化目标，包括例如在有效使用通信资源的同时使用户感知的质量最大化。
由于发明方案涉及嵌入在协议堆栈内的通信层的操作的优化，所以能够明确考虑层间相关性。
根据本发明，提供存储单元以用于存储(或提供)定义多个通信层的第一通信层的不同操作模式的第一多个参数集合，以及用于提供定义第二通信层的不同操作模式的第二多个参数集合。为了执行跨层优化，本发明构思提供用于从该第一多个参数集合中选择第一参数集合，以及从该第二多个参数集合中选择第二参数集合的选择器。由于能够自由地选择第一通信层和第二通信层以便实现例如当前信道状况下的传输质量(即，当前位差错概率)的优化目标，所以可以执行灵活的优化模式，其中明确考虑层间相关性。
由于本发明的选择器用于根据优化目标选择定义相应通信层的相应操作模式的第一和第二参数集合，所以可以实现针对可能优化环境的较大自由度。例如，从优化目标和当前信道状况出发，选择器可以用于判决哪些通信层将被联合优化以便实现优化目标。
例如，如图9所述，第一通信层包括应用层，并且第二通信层包括数据链路层和物理层。如果例如图像信息将被发送，则第一通信层可以用于编码图像信息以实现与描述发送和接收信息之间的差的可接受畸变相关的某种数据压缩。因此，压缩的图像信息具有这样的信息速率，该速率是就图像信息的传输而言、在未超出预定畸变值的情况下的最小可达到信息速率。在这种情况下，优化目标是传输质量的优化，以便以未超出预定畸变值的信息数据速率发送信息。为了实现这个优化目标，本发明的选择器可以联合优化应用层和包括数据链路层和物理层的链路层。
为了发送压缩的图像信息，必须编码表示信息的位，使得实现与某个位差错概率相关的、理想地支持与畸变相关的最小信息速率的某个信道数据速率。为此，本发明的选择器选择将由应用层使用的第一参数集合进行编码，即源编码，并且选择第二参数集合以管理通过通信信道进行的信息的物理发送。例如，第二参数集合可以包括用于执行例如Reed-Solomon编码或卷积编码的前向纠错编码方案的编码参数子集。另外，第二参数集合可以包括确定例如正交幅度调制(QAM)或相移键控(PSK)的调制方案的物理层参数子集。
然而，由物理层提供的用于发送的数据帧不仅包括信息，并且包括由每个通信层引入以便建立先前提及的端到端通信的信息头。换言之，由应用层发送的信息和信息的后续编码确定信道数据速率。然而，只有一定量的信息位可以在可发送信息帧内被发送。而且，每个通信层从排列在上面的通信层接收处理的信息，执行进一步处理，并且传递进一步处理的信息到后面的通信层。为了根据协议堆栈处理信息，在通信层之间形成某些协议，例如前向数据帧的最大允许长度。由于本发明的选择器在通信层上操作，上述层间相关性可以被明确考虑，使得可用通信资源(例如可用带宽)可以被有效地使用。
本发明的另一个优点是，由于确定通信层的操作模式的参数，本发明的优化方案可以被用于实现多个优化目标。尤其是，本发明的构思可以被用于多用户传输情形的跨层优化。在这种情况下，优化目标是每个用户的传输质量的优化。为了实现优化目标，可以明确地考虑每个用户流。例如，可以选择确定第一通信层(例如应用层)的操作模式的第一参数集合，使得第一用户信息被独立于第二用户信息地进行压缩。而且，所获得的用户流可以有效地通过选择确定第二通信层的操作模式的第二参数集合来调度，该第二通信层可以是如图9中所述的链路层。因此，能够实现本发明的根据多用户通信系统中的信道特性对应用层源速率选择，和自适应数据链路与物理层发送调度的联合优化。
此外，甚至能够在应用层内进行与第一用户相关的信息流的调度。例如，要发送的信息是由媒体数据表示的视频或音频流。应用层媒体数据调度是决定在一个会话内的哪个数据分段必须在何时发送的过程，而数据链路与物理层发送调度确定在指定时间、频率或代码上允许哪个用户使用信道，以及确定哪个调制及信道编码方案将被用于用户。本发明的优化方案考虑到数据链路和物理层上不同传输状态的集合(即调制方案，信道码速率，重新传输的支持等等)，以及畸变和源速率信息，即有关来自应用层的媒体数据的信息。为了实现优化目标，即针对每个用户及每个媒体数据分段的最优传输策略，本发明的选择器可以选择第一参数集合和第二参数集合，使得最优传输策略被确定。
本发明的设备(优化器)考虑到例如可以导致针对每个用户的不同数据速率的多用户中信道资源的划分。此外，可以使用不同调制或信道编码方案的选择，这可以导致不同分组丢失率和与每个用户相关的数据速率。为了有效管理传输，可以形成丢失帧的选择性重新传输和选择性链路层确认。为了管理要发送的信息，可以选择信息源速率(例如媒体源速率)。对于单个用户，可以提供关于信噪比(SNR)的信息。此外，甚至可以考虑信息分组(媒体分组)的相对重要性，这源于例如现代视频压缩方案(MPEG，H.26x)中的分组间相关性。由当使用解码方案进行解压缩时丢失媒体帧对接收器上总体重构质量的影响来确定相对重要性。
本发明的设备还可以进一步根据所选择的信息数据单元(即媒体数据单元)的分组长度考虑数据速率信息。此外，甚至能够通过适当控制应用的操作模式而获得重要媒体数据的重发，从而选择第一参数集合。
根据本发明，最优传输策略可以通过目标函数的优化来实现，该目标函数可以是成本函数。目标函数能够例如表达在例如共享相同通信资源，例如相同通信信道的用户中，经历最坏信道状况的用户的用户感知质量最大值。
与其它现有技术方案相比较，本发明的构思的另一个优点是例如无线网络资源的通信资源的最优利用。此外，由于可用通信资源被有效利用，所以本发明的方案允许在相同系统中支持更多同时用户。在用户数量相同的情况下，可以实现每个用户的更高传输质量。此外，用户感知质量可以在多个用户中更平等地分布。另外，本发明提供了通过优化通信层的操作模式来对通信系统进行动态调整，以便同时考虑变化的传输特征和应用需求的构思。
用于优化使用通信层(协议层)的通信系统(即B3G系统)的优化方案是跨层设计。在这里考虑从应用参数到物理传输的协议堆栈的若干层。图10示出通信系统的实施例，其中演示了针对一个具体应用以垂直方式根据跨层优化而进行的通信系统优化。
图10中示出的系统包括发送器1001(基站)和接收器1003。发送器1001把协议堆栈应用于处理要发送的应用(信息)。协议堆栈1005包括应用层，传送层，网络层和包括例如介质访问控制层(MAC)和物理层(PHY)的链路层。因此，接收器1003使用协议堆栈1007处理作为由发送器1001发送的发送信号的一个版本的接收信号。因此，协议堆栈1007(接收协议堆栈)包括链路层，IP层(对应于网络层)，TCP/UDP层(对应于传送层)和应用层。
图10还演示了端到端通信原理，其中例如传送层和TCP/UDP层的对应层彼此通信。
为了针对具体应用优化系统，执行自底向上的信息传送。例如，链路层提取信道特性作为物理约束参数，例如信噪比(SNR)或最大可能发送功率。物理约束参数接着被传送到应用层，在应用层中执行使用实时译码和编码方案(编码器(codec))的视频流。换言之，应用层使实时编码器适应物理约束参数，使得能够实现视频流所需的传输质量。
因此，应用层可以通知链路层有关服务质量(QOS)要求(例如与某个服务相关的某个位差错概率)的信息。在这种情况下，链路层可以使用更加全面的编码方案，使得服务质量要求被满足。
跨层调整技术基于跨越协议堆栈的传统层的层间信息交换，用于使系统部分适应动态变化的环境。如上所述，信息沿两个方向在协议堆栈中上、下穿行。跨层信息交换是指应用从下层(例如链路层)接收关于当前网络条件和影响传输质量的可预测事件，即切换的信息。因此，下层可以接收如上所述关于应用的当前传输要求的信息。
附图说明
参考下列附图详细描述本发明的其它实施例，其中：
图1示出基于本发明的第一实施例、用于控制多个通信层的操作的发明设备的模块图；
图2示出基于本发明的另一个实施例、用于控制多个通信层的操作的发明设备的模块图；
图3示出基于本发明的另一个实施例、用于控制多个通信层的操作的发明设备的模块图；
图4演示了控制帧调度；
图5a演示了发送的帧的重要性；
图5b演示了用于控制多个通信层的操作的发明设备的性能；
图6演示了多用户调度方案中的发送时间排列；
图7演示了基于本发明的针对多个用户的发明调度方案；
图8针对最坏执行用户的传输质量的最大值，演示了用于控制多个通信层的操作的发明设备的性能；
图9示出了协议堆栈；
图10示出了跨层设计原理；
图11a示出了具有不同时间排列的多用户调度；
图11b示出了3个已测视频中的一组图片的大小(根据分组)；
图12示出了所考虑的通信系统的模块图；
图13示出了联合层优化的发明系统体系结构；
图14示出了3个已测视频中的一组图片的MSE；
图15对比信噪比示出了帧差错率；
图16示出情景1的性能比较；
图17示出情景2的性能比较；
图18示出情景3的性能比较；及
图19示出了3种调查的情景的性能改进比较。
具体实施方式
图1示出基于本发明的第一实施例、用于控制多个通信层的操作的设备。
图1中示出的设备包括通信协议堆栈101的多个通信层，其中明确描述了第一通信层103和第二通信层105。该设备还包括用于提供通信信道的特性的装置107，其中用于提供特性的装置107具有输入109和输出111。用于提供特性的装置107通过输入109被连接到第二通信层105。用于提供特性的装置107的输出111被连接到具有另一个输入115和输出117的选择器113。选择器113的输出117被连接到存储单元119。存储单元119具有连接到用于向第一和第二通信层提供第一参数集合和第二参数集合的装置123的输出121。用于提供第一和第二参数集合的装置123具有连接到第一通信层103的第一输出125，及连接到第二通信层105的第二输出107。
图1中示出的设备用于控制分层通信系统中协议堆栈101包括的多个通信层的操作。分层通信系统用于通过通信信道向远程通信系统发送信息。如上所述，多个通信层的第一通信层103的操作由第一参数集合确定，并且多个通信层的第二通信层105的操作由第二参数集合确定。第一参数集合参和第二参数集合由用于提供第一和第二参数集合的装置103提供，以便根据信道特性和优化目标控制通信协议堆栈的操作。
为了执行调整，存储单元119包括定义第一通信层的不同操作模式的第一多个参数集合，及定义第二通信层的不同操作模式的第二多个参数集合。本发明的选择器113被连接到用于从第一多个参数集合中选择第一参数集合，及从第二多个参数集合中选择第二参数集合的存储单元119。具体地，选择器119用于根据由提供特性的装置107提供的信道特性，以及根据通过输入115向选择器113提供的优化目标，选择第一参数集合以及选择第二参数集合。
为了控制多个通信层的操作，用于提供第一和第二参数集合的装置103从存储单元119接收第一和第二参数集合，其中第一和第二参数集合由选择器113选择以便实现优化目标。
第二通信层105可以用于管理通过通信信道对信息的传输。为此，第二通信层105可以包括进一步被用于提取通信信道的特性的物理层。通信信道的特性可以是位差错概率，信噪比(SNR)，与某个位差错概率相关的可用信道数据速率，传输延迟，与位差错概率相关的发送功率，信道相干时间或信道相干带宽或其组合。为了向选择器提供信道特性，用于提供特性的装置107被连接到第二通信层105以便接收通信信道的特性。如上所述，第二通信层105可以包括用于提供特性的装置107连接到的物理层。为了从物理层接收信道特性，用于提供特性的装置107还可以包括用于与物理层接口的协议接口。
如上所述，选择器113用于选择第一参数集合及第二参数集合。优选地，选择器113用于联合选择第一和第二参数集合作为一对参数，以便同时控制第一和第二通信层的操作模式。换言之，选择器113联合选择第一和第二参数集合，使得通过输入115提供的优化目标可以被实现，其中明确考虑到层间相关性。
例如，存储单元119可以用于存储，或通常用于提供第一和第二多个参数集合，从中能够联合选择第一参数集合和第二参数集合，以便考虑层间相关性。
通常，第一参数集合可以包括用于控制第一通信层103的整个操作模式的多个参数集合。因此，选择器113可选择的第二参数集合可以包括多个参数子集，其中第二参数集合的每个参数子集确定第二通信层的某个子操作模式。例如，第二通信层105可以包括如图9所述的数据链路层和物理层。在这种情况下，第二参数集合可以包括用于控制数据链路层的操作模式的数据链路层参数子集，及用于控制物理层的操作模式(子操作)的物理层参数子集。通过这种方式，能够确定调度(某种形式的编码)以及进一步的编码，即通过应用前向纠错编码方案。
同时，物理层的子操作模式可以由物理层参数子集控制。例如，物理层参数子集确定在发送之前应用于数据帧的调制的调制方案。同时，第一参数集合确定第一通信层103的操作模式，第一通信层103可以是例如以上讨论的应用层。在这种情况下，第一参数集合控制与某个速率畸变特征相关的数据压缩编码方案。由于联合选择第一参数集合及第二参数集合以控制第一及第二通信层的操作模式，所以能够实现针于优化目标及当前信道状况的全局优化，使得所有可用、可控制的通信资源能够被联合优化。
如上所述，存储单元119用于存储定义第一及第二通信层的不同操作模式的第一及第二多个参数集合。例如，第一多个参数集合和第二多个参数集合例如通过多个情景上的优化而被预先计算，其中可以由外部计算机实体执行优化。换言之，存储单元119可以包括用于不同情景中的联合优化的参数集合。这个方案的优点是，可以动态地，即在传输操作期间执行协议堆栈的调整。这个方案的另一个优点是，由于根据信道特性和优化目标，选择器113可以直接选择包括第一和第二参数集合的实际优化对，可以快速地执行调整处理。
图2示出了基于本发明的另一个实施例、用于控制多个通信层的操作的设备的模块图。
不同于图1中示出的设备，图2的设备包括另外具有第一输入203和第二输入205的选择器201。第一通信层103通过第一输入203连接到选择器201。因此，第二通信层105通过第二输入205连接到选择器201。
另外，图2中示出的设备包括用于提供优化目标的装置207。用于提供优化目标的装置207具有连接到多个通信层的输入209，如图2所示。此外，用于提供优化目标的装置207包括连接到选择器201的另一个输入209的输出211。
选择器201被连接到第一和第二通信层，用于监视协议堆栈101的当前状态。具体地，选择器201可以包括用于监视第一通信层的当前状态的判决单元，其中第一通信层的当前状态由当前第一参数集合，即当前确定第一通信层的操作模式的参数集合来确定。因此，选择器201的判决单元用于监视由当前第二参数集合确定的第二通信层的当前状态。根据当前状态，优化目标和信道特性，判决单元还可以用于生成控制信息，该控制信息指示使用当前第一和第二参数集合是否可以实现优化目标，或是否应当替换当前第一参数集合和当前第二参数集合。具体地，当优化目标不能由当前第一和第二参数集合实现时，由判决单元提供的控制信息可以指示第一参数集合和/或第二参数集合将由选择器201选择，以便实现优化目标。
如图2所示，用于提供优化目标的装置207可以被连接到多个通信层，以便接收优化目标。当第一通信层是应用层时，优化目标可以是例如面向应用的优化目标，例如由第一通信层提供的某个服务质量。在这种情况下，用于提供优化目标的装置207被连接到应用层，以便接收面向应用的优化目标。
因此，优化目标可以包括通过通信信道的物理传输的优化。在这种情况下，用于提供优化目标的装置209被连接到第二通信层，并且用于管理使用例如数据链路层和物理层的通信信道的物理层传输。在这种情况下，优化目标可以是例如可用带宽的利用的优化。通过例如信道编码(例如卷积编码)等等。在这种情况下，用于提供优化目标的装置207接收面向传输的优化目标，并且向选择器201提供该目标。因此，优化目标可以是面向应用和面向传输的。在这种情况下，用于提供优化目标的装置207被连接到第一通信层103及第二通信层105，以获得优化目标的面向应用部分和优化目标的面向传输部分。
为了与物理层通信，用于提供优化目标的装置207可以包括用于与第一通信层和与第二通信层接口的协议层接口。
如上所述，本发明的方案可以被用于优化多用户情景中协议堆栈的操作，其中多个用户共享相同通信资源。更具体地，要发送的信息可以包括与多用户情景中第一用户相关的第一信息和与该情景中第二用户相关的第二信息。如上所述，优化目标在这种情况下是针对特定用户，例如针对第一信息和第二信息的优化传输质量。例如，优化目标是通过通信信道发送具有与第一畸变相关的第一信息速率的第一信息和发送具有与第二畸变相关的第二信息速率的第二信息，以及确定与第一用户流相关及与第一位差错概率相关的第一信道数据速率，使得支持与第一畸变相关的第一信息速率。因此，目标是在不超出位差错概率的情况下通过通信信道以第二信道数据速率发送第二用户流，使得支持与第二畸变相关的第二信息速率。通常，第一通信层可以用于编码第一信息以获得与第一用户相关的第一信息信号，以及与第二用户相关的第二信息信号，其中第一信息信号可以具有第一信息速率，并且第二信息信号可以具有第二信息速率。为了通过通信信道发送信息，第二通信层可以用于编码第一信息信号和第二信息信号，以获得要通过通信信道发送的复合信号。
在这种情况下，本发明的选择器用于联合地选择将被第一通信层用于编码第一信息和第二信息以获得第一信息信号和第二信息信号的第一参数集合，以及选择将被第二通信层用于编码第一信息信号和第二信息信号以提供要通过通信信道发送的复合信号的第二参数集合，其中第一通信层和第二通信层使用联合选择的第一参数集合和第二参数集合来优化第一信息的传输质量和第二信息的传输质量。
例如，第二通信层用于调度第一信息信号和第二信息信号，使得在第一时间帧内发送第一信息信号，在第二时间帧内发送第二信息信号。调度影响对应被调度的信息信号或通常的信息流的结果信道数据速率。接着，第一选择器用于选择第一参数集合以获得具有与第一畸变相关的第一信息速率的第一信息信号，并且获得具有与第二畸变相关的第二信息速率的第二信息信号，并且用于选择第二参数集合以获得具有支持第一信息速率和第二信息速率的数据速率的复合信号。信息速率可以是例如每个时间单位的信息分组数，例如表示相应信息的每秒信息位数。
此外，本发明的方案还可以被用于信息调度，例如上面描述的媒体数据调度。
由于选择器用于通过选择适当参数集合来控制协议堆栈的整个操作，所以本发明的方案还可以被应用于：信息数据或媒体数据调度及用户调度两者。例如，与第一用户相关的第一信息包括第一子信息和第二子信息，例如音频及视频信号。接着，本发明的选择器用于选择由第一通信层使用的第一参数集合，以便有选择地编码第一子信息和第二子信息，以获得具有例如与不同畸变分布相关的不同信息速率、包括编码的第一和第二子信息的第一信息信号。此外，选择器可以用于选择第一参数集合，以便调度第一信息信号内的第一子信息，并且调度第一信息信号内的第二子信息，使得第一子信息和第二子信息位于第一信息信号的不同位置。换言之，决定必须在一个会话内发送的数据分段。
基于本发明，用于控制多个通信层的操作的本发明的设备还可以包括用于从多个通信层中确定第一通信层和第二通信层以实现优化目标的装置。用于确定第一通信层和第二通信层的装置用于决定多个通信层的哪些通信层必须被优化以便实现优化目标。用于确定的装置确定其第一参数集合将被选择的第一通信层，以及其第二参数集合将被选择的第二通信层，以便实现优化目标。
基于本发明的另一个实施例，用于控制多个通信层的操作的本发明的设备可以用于用户调度及如上所述与每个用户相关的信息调度。例如，优化目标包括多用户情景中传输质量的优化。信息可以包括与第一用户相关的第一信息和与第一用户相关的第二信息，与第二用户相关的第三信息及与第二用户相关的第四信息。通常，本发明的方案可被用于多个信息的情况和/或多个用户的情况。第一通信层用于调度第一信息和第二信息以获得包括与第一用户相关的被调度的第一和第二信息的第一信息信号。因此，第一通信层用于调度第三信息和第四信息以获得与第二用户相关的第二信息信号。因此，第二通信层用于调度第一信息信号和第二信息信号以获得被调度的多用户流。为了实现上述的优化目标，本发明的选择器用于联合选择由第一通信层用以提供第一信息信号和第二信息信号的第一参数集合，以及由第二通信层用以提供要通过通信信道发送的被调度的多用户流的第二参数集合。
图3示出了用于在多用户及多媒体调度的情况下控制多个通信层的操作的设备。
图3中示出的设备包括跨层优化器301，它是面向应用的优化器。跨层优化器具有第一输入303，第二输入305及输出307。另外，图3中示出的设备包括具有输入311和连接到跨层优化器(X层优化器)的输入303的输出的第一接口309。另外，设备包括具有输入315和连接到跨层优化器的第二输入305的输出的第二接口313。第一接口309通过输入311连接到先前讨论的协议堆栈1005的应用层。因此，第二接口313通过输入315连接到协议堆栈1005的链路层。
图3中示出的设备还包括具有输入，第一输出和第二输出的判决单元317。跨层优化器301的输出307被连接到判决单元317的输入。判决单元317的第一输出被连接到协议堆栈1005的应用层，并且判决单元317的第二输出被连接到协议堆栈1005的链路层。
基于本发明，提供了用于无线媒体传输的跨层优化方案。具体地，由于应用层和链路层被联合优化，所以能够实现媒体数据调度和多用户调度的联合优化。本发明的跨层设计的动机是移动通信挑战，例如类似于以质量变化(不可预测)和连接多样性为特征的通信系统的动态行为。另外，针对发送的服务和应用的某些动态要求必须针对需求(例如服务质量)的显著差异，随着用户偏好改变要求，并且短的技术演变周期需要系统的灵活性。
与传统分层系统(其中严格定义协议互通信，由于针对较差状况独立优化每个协议，所以这导致低效资源利用)相反，如图3中演示的本发明的方案提供了通过联合优化多个协议层来全局优化协议堆栈的行为的可能性。
如图3所示，关于多媒体调度(例如源速率调度)的信息通过第一接口309被提供给跨层优化器301。
因此，第二接口303提供例如发送速率调度的多用户调度信息给跨层优化器301，使得(新的)第一参数集合能够被提供给应用层，并且(新的)第二参数集合能够被提供给链路层，以便能够提供最优多媒体调度和多用户调度，从而有效利用通信资源。
跨层优化器301对应于用于选择第一和第二参数集合的本发明的选择器。判决单元307判决哪个参数集合将被提供给哪个协议层。
在下文中，并且仅通过例子，作为实现实施例，将分别考虑驻留在基站中的视频流服务器和驻留有流客户端的移动设备。优化目标是最大化用户感知的端到端质量，同时有效地使用无线资源。视频数据调度是判决一个流会话中的哪个数据分段必须在哪些时间被发送的过程，而属于数据链路层调度的多用户调度确定例如允许哪个用户在指定时间、频率或代码处使用信道。
在下文中，将讨论在所考虑的环境中相关的流视频的主要特征。使用标准视频压缩方案以多个位率预先编码视频，并且相应视频流被存储在流服务器上。当客户端请求视频流时，视频流被分组化，并且发送给接收器。接收器在播放开始之前预先缓存某些数据，这允许平滑某些传输质量变化。应用的端到端延迟直接涉及播放之前存储的数据量。选择根据编码模式种类针对每个视频帧发送的位数。
参考图4，能够区分不参考前一帧编码的所谓I帧和通过前一帧形成预测编码的P帧。虽然无需接收前一帧能够解码I帧，但没有这个端信息通常不能解码P帧。结果，如图4所述，I帧大于P帧。为了允许快进和交互场景选择，通常大约每500到1000毫秒引入I帧。I帧和直到末端的不包括下一I帧的所有后续P帧在下文中被称作图片组(GOP)。为了提供I帧和P帧，执行控制帧调度以确定帧优先级。源参数可以是源速率，每秒帧数，延迟约束和图片组的畸变分布。
下面假定接收器上的重构质量取决于图片组内成功解码的帧的数量。由于P帧的成功解码取决于相同图片组的所有前面的帧的无差错接收，所以丢失图片组的第一帧导致最坏结果。在这种情况下，最近解码的帧被显示为静止图像，直到成功接收下一个I帧。因为只是将GOP的第二最后帧显示两次，丢失GOP的最后帧导致较小畸变。
图5a示出根据均方差(MSE)的模拟结果，当针对三个不同视频丢失不同的帧时，对于图片组包括15帧的情况，该均方差是均方重构差。另外，考虑三个不同情形，即汽车电话(Carphone)，领班(Foreman)及母女(Mother-Daughter)情形。如图5a所示，当丢失GOP的第一帧时，MSE最大。随着在GOP内前进，畸变降低，并且当所有帧被及时且无差错接收时(如图5a中的指标16所示)，刚好变成编码畸变，该编码畸变是视频流的位速率的函数。实际差错取决于场景内容。如果序列中存在较少运动，则帧的丢失对构成的序列的质量的影响较少。然而，如果存在显著运动，则丢失帧的影响是明显的。
在视频数据调度中，应用必须决定何时发送帧，这在P.A.Chou和Z.Miao，＂Rate-Distortion Optimization Streaming of PacketizedMedia＂，Technical Report MSR-TR-2001-35，Microsoft Research，Microsoft Corporation，2001年2月中描述。由于GOP的第一帧是最重要的帧，所以应用将通过在调度期间为这个帧指定最高优先级来增加无差错接收概率。例如，这意味着I帧被发送两次，而GOP的所有其它帧仅被发送一次。根据可用传输速率，应用因此可以通过选择不同参数集合而在不同帧调度模式之间选择。
在无线网络中，每个基站通过时分、频分或码分服务于多个用户(客户端)或移动站。作为数据链路层调度的一部分的多用户调度确定允许哪个用户在预定时间、频率或代码处使用信道。通过基于用户要求和信道级段调度多用户传输，可以显著提高使用资源的效率。具体地，当执行传输的不同调度或安排时，每个用户可以获得不同传输数据速率。
图5b示出演示发明跨层信息交换的性能的选择实验结果。在图5b示出的实验中，针对在图6中示出的7个不同调度情形优化具有三个不同视频的三个用户。具体地，图6示出了具有三个用户的例子，这些用户安排有7种不同情形的传输时间。通过最大化用户感知的端到端质量，选择这些情形中的一个以提供数据链路层的实验结果，这是本发明的跨层优化器的任务的一部分。每个情形把优化帧调度模式应用于结果传输数据速率。
再次参照图5b，选择7个情形中的一个情形以最大化三个用户中的最小性能。具体地，图5b与图6的情形1相比较示出了所选择的情形中的最差用户的峰值信噪比(PSNR)改进，其可以被认为是无跨层优化器情况下的性能。可见，大于1dB的改进的概率大于40％。
基于本发明，传输参数可以是链路层的数据速率及差错率，物理层中根据信噪比(SNR)的距离，根据信道相关时间的速度和调制方案。链路层用于如图7所示为多个用户调度系统资源。
图8示出了针对最坏执行用户的传输质量最大值的另一个实验结果。
在图8中示出与情形1相比较的累积密度概率函数(CDPF)APSNR，从而演示本发明的方案的性能。图8示出的右上图根据所选择的情形1-7的传输的频率演示了系统性能。
基于本发明的另一个方面，提供了基于发送协议处理要发送的信息的通信设备。发送协议可以包括如上所述的多个协议层。本发明的通信设备包括用于提供信息的信息源，和用于基于以前的描述控制多个协议层的设备。为了基于发送协议处理信息，本发明的通信设备还包括基于协议层处理信息的处理器。处理器可以是例如网络处理器。
因此，本发明还提供了基于接收协议处理接收的信号的通信设备，其中接收协议是在接收器中实现的协议。接收的信号是通过通信信道发送的发送信号的接收版本，其中发送信号包括基于发送器中的发送协议处理的信息。发送协议可以包括如上所述的第一发送协议层(第一发送协议层)和第二发送协议层(第二发送协议)，其中第一发送协议层的操作模式由第一发送(发送)参数集合确定，并且其中第二发送协议层的操作模式由第二发送参数集合确定。如上所述，第一发送参数集合和第二发送参数集合可以根据通信信道的特性及可选的如上所述的优化目标，从多个发送参数中成对选择。接收协议包括第一接收(接收)协议层和第二接收(接收)协议层，其中第一接收协议层的操作模式由第一接收(接收)参数集合确定，并且其中第二接收协议层的操作模式由第二接收(接收)参数集合确定。本发明的设备包括用于存储多个接收参数集合的存储单元，每个接收参数集合对应于一个发送参数集合。存储单元对应于上面描述的本发明的存储单元。此外，设备可以包括用于基于上面描述的功能，从第一接收协议层及从第二接收协议层提取第一接收参数集合和第二接收参数集合的装置。
本发明的设备还可以包括用于提供指示用于在发送信息之前处理信息的第一和第二发送参数集合的对的发送协议信息的装置。换言之，用于提供发送协议信息的本发明装置指示将考虑哪个协议层的哪个操作模式。因此，本发明的设备包括根据发送协议信息，选择对应于第一和第二发送参数集合对、包括第一接收参数集合和第二接收参数集合的对的选择器。另外，本发明的设备包括用于提供第一接收参数集合和第二接收参数集合的对到第一接收协议层和第二接收协议层的装置。用于提供第一接收参数集合和第二接收参数集合的对的装置的功能可与上面结合用于提供第一和第二参数集合到第一和第二通信层的装置描述的功能相同。
另外，用于处理接收信号的本发明的设备包括基于所接收的协议处理接收的信号以获得信息的处理器。
此外，本发明的设备可以包括用于向选择器提供信令信息的控制器，其中信令信息指示是否选择包括第一和第二参数集合的对。此外，本发明的控制器用于由发送协议信息生成信令信息，以及指示当前由接收协议使用的第一和第二接收参数集合对的接收协议信息。
为了提供接收协议信息，本发明的设备还包括用于从第一接收协议层提取第一接收参数集合以及从第二接收协议层提取第二接收参数集合以便监视协议层的当前状态的装置。
所提供设备和方法可以被用于通过层间信息交换来优化无线通信中媒体数据的传输。本发明优化通过应用层上的媒体数据调度和链路层上的多用户调度的联合优化而实现。因此，用户感知的端到端质量通过有效使用无线资源来提高。此外，本发明的方案可以益于无线网络的服务供应系统，以便克服传输能力和应用需求的高动态特征所带来的问题。
应当注意，本发明的方案通常可被用于多个用户的情形，和/或与每个用户相关的多个信息的情形。
如上所述，参数集合可以被联合地预先计算，使得本发明的选择器选择实际优化的参数集合。
在下文中，我们描述无线多用户多媒体通信的应用层和无线链接层的跨层优化。我们的目标是优化无线媒体应用的端到端质量以及有效使用无线资源。实现我们的目标的新体系结构被提供和公式化。这个体系结构包括参数抽象的过程，跨层优化器及判决分发的过程。另外，提供样本数值结果以揭示本发明的联合优化的潜力。移动通信中的跨层设计最近在多媒体服务供应(例如，语音，视频，音频，数据)环境中获得更多注意。跨层设计的构思在协议堆栈上引入了层间构思，并且允许我们联合优化两个或更多层上的通信。尽管可以在所有通信网络中使用这个构思，但是由于无线环境的独特挑战(即，无线信道的时变和衰减特性)，所以它在无线网络中特别重要。这个无线特性及用户移动性导致网络性能和连接的随机变化。另外，针对多媒体支持的所需服务质量(QoS)要求(例如，数据速率，延迟，连续性及差错率)使移动多媒体通信在系统设计中更具挑战性。使用把系统设计分成基本上独立的层的常规分层设计方案将难以满足这个挑战。为了提供端到端QoS，必须在所有OSI(开放系统互连)层实现参数调整。因此，提供了在不同层之间交换信息的跨层设计的发明构思。在下文中，我们通过提出无线多媒体通信的联合应用和无线链接层优化，来利用跨层设计构思的层间连接。我们称无线链路层为协议堆栈中的物理层和数据链路层。我们的目标是优化无线多媒体通信应用的端到端质量以及有效使用无线资源。为了实现这个目标，开发了联合层优化的体系结构以提供用于跨层优化构思的实现的潜在解决方案。这个体系结构包括参数抽象的过程，跨层优化器及判决分发的过程。这个体系结构中的每个部分被形式化。另外，提供样本数值结果以揭示本发明的联合优化的潜力。前面的工作主要集中在优化单层的性能，例如使应用适应传送，网络，数据链路和物理层特征(自底向上方案)，以及使物理，数据链路或网络层适应应用需求(自顶向下方案)。跨层设计中大部分进行中的研究聚集在物理层和数据链路(或MAC)层的联合优化方面。某些优化包含针对自组织无线网络的跨层优化中的网络层路由优化，并且其它优化包含物理层的发送功率和前向纠错编码的联合优化中的源速率。
本发明的方案不同于以前方案的地方在于，我们的目标优选地是优化多媒体应用的端到端质量。对此，我们考虑联合优化协议堆栈中的三个层，即应用层(层7)，数据链路层(层2)及物理层(层1)。由于用户观察的端到端质量直接取决于应用，并且应用层具有关于媒体数据的每个成功解码片段对感知质量的影响的直接信息，所以我们在联合优化中包含应用层。由于移动无线通信的独特挑战来自无线信道的特性，所以我们还把物理层和数据链路层包含在我们的考虑中，这2个层必须得到处理。实现我们的目标的新体系结构被提供和公式化。这个文章的结构如下。
我们假定流视频作为多媒体服务的一个例子应用，并且考虑位于基站的视频流服务器和位于移动设备的多个流客户端。如图12所示，假定K个流客户端或用户共享相同空中接口和网络资源，但是请求不同视频内容。注意，由于在我们的情景中视频流服务器直接位于基站，所以只考虑对无线连接必要的协议堆栈。因此，协议堆栈中的传送层和网络层可以被排除在我们的优化问题之外。我们聚焦在应用层和无线电链路层之间的交互上，无线电链路层合并物理(PHY)层和数据链路层。在基站上，如图13所示的体系结构适于提供服务优化的端到端质量。这个图图解了涉及联合优化的任务和信息流。通过参数抽象的处理，从应用层和无线电链路层首先为跨层优化器收集必要状态信息。参数抽象的处理导致将特定于层的参数转换成跨层优化器可理解的参数，即所谓的跨层参数。接着，跨层优化器针对特定目标函数执行优化。从可能跨层参数元组的指定集合中，选择优化目标函数的元组。在进行关于特定跨层参数元组的判决之后，优化器把判决信息分发回相应层。注意，可能跨层参数元组的集合通常可以是无限的。有必要只预先选择适当元组的有限集合，以便快速获得判决。通过这种方式，最优跨层参数元组的最终判决可能只产生局部最优。
为了执行联合优化，必须从所选择的层中提取状态信息或关键参数集合，并且将其提供给跨层优化器。由于特定于层的参数可能是不能理解的或限制用于其它层和优化器，所以这是必要的。
在无线网络中，物理层和数据链路层在具体服务的提供期间专门针对无线信道的动态变化而设计。这与经历更少动态变化的有线网络相反。物理层处理包含发送功率(通过发送功率控制)，信道估计，同步，信号整形，调制和信号检测(通过信号处理)的事项，而数据链路层负责无线电资源分配(多用户调度或排队)和差错控制(通过信道编码，通常组合前向纠错编码(FEC)和自动重发(ARQ))。由于这两个层都与无线特性的独特特征紧密相关，因此共同考虑它们是有用的。在下文中，我们称其组合为无线电链路层。由于无线电链路层中存在许多事项并且这些事项彼此相关，所以参数抽象是必要的。更具体地，我们定义特定于无线电链路层的参数ri j(例如，调制字母表，编码速率，发出时间，发送功率，相干时间)的元组ri＝(ri 1，ri 2，...)的集合R＝{r1，r2，...}。由于这些无线电链路特定参数可以是变量，所以集合R包含其数值的所有可能组合，并且每个元组ri表示一个可能组。
为了形式化参数抽象的处理，我们定义所抽象的参数
Figure C200380110543D0032164114QIETU
的元组 r ~ i = ( r ~ i 1 , r ~ i 2 , . . . ) 的集合 R ~ = { r ~ 1 , r ~ 2 , . . . } . 集合R和集合
Figure C200380110543D00323
之间的关系通过具有域R和同域的关系式 G ⊆ R × R ~ 建立，其实现R和之间的映射。在这里，符号×是指Cartesian乘积。G是定义R和
Figure C200380110543D00327
之间映射的子集。我们称这个映射处理为无线电链路层参数抽象。针对单用户情景，例如可以抽象四个关键参数。它们是传输数据速率d，传输分组差错率e，数据分组长度s和信道相干时间t。这导致所抽象的参数元组 r ~ i = ( d i , e i , s i , t i ) . 在K个用户的情景中，可以针对每个用户扩展参数抽象。于是，参数元组
Figure C200380110543D003210
包含4K个参数 r ~ i = ( d i ( 1 ) , e i ( 1 ) , s i ( 1 ) , t i ( 1 ) , . . . , d i ( K ) , e i ( K ) , s i ( K ) , t i ( K ) ) , 其中一个四个参数组属于一个用户。
传输数据速率d受调制方案、信道编码及多用户调度的影响。传输分组差错率e受发送功率，信道估计，信号检测，调制方案，信道编码，当前用户位置等等的影响。用户的信道相干时间t与用户速度及其周围环境相关，而数据分组长度s通常由无线系统标准定义。这些相互关系定义了关系G。可选地，可以把传输分组差错率e和信道相干时间t转换成两状态Gilbert-Elliott模型的两个参数，这些参数是从一个状态到另一个状态的转变概率(p及q)。该转换由
p = es td 和 q = ( 1 - e ) s td
指定，其中p是从良好状态到坏状态的转变概率，并且q是从坏状态到良好状态的转变概率。
通过这种方式，所抽象的参数元组变成 r ~ i = ( d i ( 1 ) , p i ( 1 ) , s i ( 1 ) , q i ( 1 ) , . . . , d i ( K ) , p i ( K ) , s i ( K ) , q i ( K ) ) . 这个转换的一个优点是结果参数元组
Figure C200380110543D003217
对于协议堆栈的高层更能够理解。
应用层是在其中媒体数据被压缩，分组化和进行发送调度的层。为跨层优化抽象的关键参数涉及压缩源数据的特征。由于压缩源数据可取决于应用或服务，所以这暗示这些关键参数可取决于应用或服务的类型。为进行形式描述，我们定义特定于应用层的参数
Figure C200380110543D00331
的元组 a ~ i = ( a ~ i 1 , a ~ i 2 , . . . ) 的集合A＝{a1，a2，...}。由于这些特定于应用层的参数可以是变量，所以集合A包含其数值的所有可能组合，并且每个元组表示一个可能组合。我们还定义所抽象的参数
Figure C200380110543D00333
的元组 a ~ i = ( a ~ i 1 , a ~ i 2 , . . . ) 的集合 A ~ = { a ~ 1 , a ~ 2 , . . . } . 集合A和集合
Figure C200380110543D00337
之间的关系通过具有域A和同域
Figure C200380110543D00338
的关系 H ⊆ A × A ~ 建立，其实现A和之间的映射。我们称这个映射处理为应用层参数抽象。在下文中，我们假定流视频服务。这个服务的抽象参数包含源数据速率，每秒帧(或图片)数，每个帧(或图片)的长度(根据字节)和最大延迟。优化器的其它重要信息是畸变率函数(编码畸变)和具体丢失帧(或图片)的畸变分布(参见图14)。图14示出丢失帧的畸变分布和3个不同视频的编码畸变的例子，其中每个视频由具有15帧的图片(GOP)组组成，GOP对应于每秒30帧的帧速率的0.5秒。以平均数据速率100kbps编码视频序列。每个GOP以可独立解码的帧开始。后14个帧是相互帧，其只有在相同GOP的所有以前帧被无差错解码的情况下才被成功解码。畸变被按照均方重构误差(MSE)来量化，其在所显示的和原始视频序列之间测量。图14中的指标指示具体帧的丢失。假定作为差错隐藏策略的一部分，图片组的所有帧不可解码，并且显示最近正确解码帧而不是未解码帧。同样，注意指标16给出在正确接收所有帧时的MSE，我们将它称为由于量化误差而导致的编码畸变。
从应用层和无线电链路层抽象的参数集合
Figure C200380110543D003311
和
Figure C200380110543D003312
构成到跨层优化器的输入。由于从两个输入集合抽象的参数元组的任何组合均有效，所以便于定义将两个输入集合组合为优化器的一个输入集合的跨层参数集合 X ~ = R ~ × A ~ . 集合 X ~ = { x ~ 1 , x ~ 2 , . . . } 包括元组 x ~ n = ( r ~ i , a ~ j ) 和 | X ~ | = | R ~ | · | A ~ | .
使用上述介绍的公式，跨层优化器的操作Ω现在可以由Ω： X ~ → X ^ ⋐ X ~ 描述。
优化器从输入集合中选择真非空子集
Figure C200380110543D003319
即优化器的输出。
在下文中，我们假定 | X ^ | = 1 , 即优化器的输出是单元组并且 X ^ = x ~ opt ∈ X ~ . 跨层优化器的判决或输出
Figure C200380110543D003322
针对特定目标函数Γ：
Figure C200380110543D003323
而进行，其中R是实数集合。因此，优化器的输出可以被表示成
x ~ opt = arg min x ~ ∈ X ~ Γ ( x ~ )
特定目标函数Γ的选择取决于系统设计的目标，并且优化器的输出(或判决)可针对不同目标函数而不同。在流视频的例子应用中，在单用户情景中的一个可能目标函数是在所显示的和原始视频序列之间的MSE。针对多用户情况，MSE可以有不同扩展。例如，目标函数可以是所有用户的MSE的总和。即，
Γ ( x ~ ) = Σ k = 1 K MSE k ( x ~ ) , 其中
Figure C200380110543D00343
是跨层参数元组 x ~ ∈ X ~ 的用户k的MSE。这个目标函数将优化所有用户的平均性能。目标函数的其它公共定义包含优化最坏执行用户的性能的定义，及 Γ ( x ~ ) = max k = 1 , . . . , K MSE k ( x ~ ) , 其相当于最大化所有用户的峰值信噪比的总和。
一旦获得跨层优化器的输出(或判决) x ~ opt = ( r ~ opt , a ~ opt ) , 判决和
Figure C200380110543D00349
必须分别回送到无线电链路层及应用层。在此期间，参数抽象的处理必须反向，并且所抽象的参数
Figure C200380110543D003410
和
Figure C200380110543D003411
被转换回到特定于层的参数ropt∈R和aopt∈A。这个反向转换由
r opt ∈ { r | ( r , r ~ opt ) ∈ G } 和
a opt ∈ { a | ( a , a ~ opt ) ∈ H }
指定。
在集合 { r | ( r , r ~ opt ) ∈ G } 或集合 { a | ( a , a ~ opt ) ∈ H } 具有不止一个元素的情况下，可以分别在相应层进行具体元素的选择。
在下文中，我们提供样本模拟结果以评估本发明的联合优化的性能。在这个部分中，我们假定3个用户(用户1，2和3)，其中每个用户请求不同视频。用户1，2和3分别请求汽车电话(Carphone)(CP)，领班(Foreman)(FM)和母女(Mother-daughter)(MD)视频。我们选择峰值信噪比(PSNR)作为我们的性能测量。PSNR被定义成PSNR＝10log10(2552/MSE)。PSNR越大，则MSE越小，其在原始视频序列和客户端或用户处重构的序列之间计算。因此，PSNR越大，则性能越优。作为一个例子，我们使用上述指定的、最大化最坏情况用户的性能的目标函数。
因此，跨层优化器选择使用户的MSE的最大值最小(或等价地，使PSNR的最小值最大)的参数元组。在模拟中，假定无线电链路层的数据分组长度等于54字节，其与IEEE 802.11a或HiperLAN2标准的指定分组长度相同。假定所有三个用户的信道相干时间为50毫秒，这近似地对应于步行速度(5GHz载波频率)。由于传输数据速率受调制方案，信道编码及多用户调度的影响，所以假定两个不同调制(BPSK和QPSK)，并且还假定存在图11a中所示的、基于时分多路复用的多用户调度中的时间排列的7种情况。当使用BPSK时，假定用户的传输数据速率等于100kbps，并且把总传输时间的2/9分配给它。因此，如果使用QPSK并且指定总传输时间的4/9，则用户可以具有高达400kbps的传输数据速率。传输差错率另一方面取决于传输数据速率，平均SNR和信道编码的纠错性能。通常，根据指定接收SNR的残留差错率(在信道解码之后)评估信道编码的性能。在我们的模拟中，我们假定编码速率为1/2的卷积码，并且数据分组长度为54字节。残留分组差错率作为SNR的函数在图15中示出。然而，在无线链路中，接收SNR不恒定，而是围绕均值(长期SNR)波动，这起因于由用户移动导致的快速衰落。通过这种方式，接收SNR可以被模拟为具有某个概率分布的随机变量，其由物理信道的传播性质(例如，Rayleigh分布，Rice分布)确定。衰落无线链路中的残留分组差错率通过用衰落统计求这个分组差错比(例如，从图15)的平均值来计算。假定Rayleigh衰落，结果平均分组差错率在图16中指定为平均信噪比(SNR)的函数。这个结果平均分组差错率被用作我们的模拟中的参数e。通过随机和独立地为均匀地在1到100的范围内的每个用户选择长期平均信噪比(0dB到20dB)，考虑用户位置相关路径丢失和通常在无线链路中观察到的渐变(shadowing)。在应用层上，假定使用正涌现的每GOP有15帧(每0.5秒)的H.264视频压缩标准来编码视频。考虑两个不同源速率值(100kbps和200kbps)。这意味着视频已经以两个不同目标速率被预先编码，并且两种版本被存储在流服务器中。我们可以在GOP开始时从一个源流切换到另一个。在每个GOP中，第一帧是I帧，并且后面的14帧是P帧。我们针对3个请求的视频使用特定丢失帧的测量畸变分布和编码畸变。图14根据源速率100kbps的GOP的MSE示出畸变分布的例子。在所显示的和原始视频序列之间测量MSE，并且在GOP上求平均值。在图14中，指标指示特定帧的丢失。假定GOP的所有后续帧变成不可解码，并且显示最近正确解码的帧而不是未解码帧。注意，指标16给出正确接收所有帧时的MSE，其是编码畸变。同样，注意，由于P帧的成功解码取决于相同GOP的所有前面的帧的无差错接收，所以丢失GOP的第一帧导致最大畸变，而丢失GOP的最后帧导致较小畸变。此外，假定以最大长度54字节把每个视频帧(或图片)分组化，并且每个分组只包含来自一个帧的数据。即，每个帧被分组化成整数个分组。在编码步骤期间确定每个帧的长度。这些数值和位流和畸变分布一起被存储。图11b指定源速率100kbps的三个测量视频中的GOP的长度(根据分组)，其中I和Pn(n＝1，2...14)分别表示I帧和第n个P帧。我们可以发现，I帧的长度比P帧的长度大很多，并且P帧的长度从帧到帧变化。这与视频的内容有关。调查没有ARQ的操作模式(被称作前向模式)和具有ARQ的操作模式(被称作ARQ模式)。我们把每个GOP考虑为单元，并且假定每个GOP必须在时长0.5秒内被发送。在前向模式中，我们假定没有有效的来自客户端的确认，并且当传输数据速率大于源数据速率时，特定客户端的每个GOP的视频帧被重复发送。例如，在传输数据速率是源数据速率的两倍的情况下，每个GOP被发送两次。如果传输数据速率是源数据速率的1.5倍，则在发送一次GOP后，重发I帧，第一P帧，第二P帧等等，直到GOP的0.5秒的时长结束。另一方面，在ARQ模式中，我们假定可从客户端得到对发送的分组的瞬时确认，并且特定客户端的每个GOP的数据分组以按时间顺序成功接收GOP中的数据分组的方式重发。即，在发送新分组之前，保证其在GOP中的前一分组被正确接收。图17到图19提供三个情景的模拟结果(情景1，2和3)。在情景1中，我们限制在无线电链路层只使用BPSK调制，并且在应用层只有100kbps的源速率可用。因此，在这种情况下应用层只提供一个固定的抽象参数元组(对于所有3个用户具有100kbps)，而无线电链路层提供7个抽象的参数元组，这些元组源于图11a示出的时间排列的7种情况。跨层优化器从输入参数元组的7个组合中选择出一个，使得我们的目标函数被优化。MSE是由上述两个因素，即快速衰落和用户位置相关路径丢失和渐变控制的随机变量。通常，快速衰落以比路径丢失和渐变小得多的时间比例发生。在这篇文章中，我们通过针对用户的特定位置或等价地针对特定长期SNR得到关于快速衰落的MSE的期望值，来评估针对快速衰落求平均值而得的MSE。基于这个值，跨层优化器进行其判决。我们还查看用户位置的集合体的统计特性。因此，选择这个平均MSE的累积密度概率函数(CDF)以示出两种模式(前向模式和ARQ模式)的性能。具有本发明联合优化的系统(w/JO)中最坏执行用户的性能与没有联合优化的系统(w/o JO)中的性能相比较。假定没有联合优化的系统为所有用户分配相同量的发送时间(即，图11a中的情形1)，并且使用BPSK调制，而源数据速率固定为100kbps。由图17可见，最坏执行用户的PSNR在系统w/JO中显著提高。例如，存在大约1-40％＝60％的机会，使得最坏执行用户的PSNR在前向模式的系统w/JO中大于30dB，这与系统w/o JO相比提高了2dB。在图18和图19的情景2和3中可以观察到类似的提高趋势。在情景2中，假定在应用层中与情景1中相同的抽象参数元组，而无线电链路层提供14个抽象参数元组，这些元组源于具有BPSK的时间排列的7种情况，以及具有QPSK的时间排列的其它7种情况。为了比较，还提供了如图17中描述的没有联合优化的相同系统(w/o JO)。在情景3中，假定由应用层提供3个用户的每个的两个不同源速率100kbps及200kbps(产生23＝8个参数元组)。无线电链路层提供与情景2相同的抽象参数元组。由于可以获得更多自由度，所以性能在提供更多抽象参数元组时提高。这在图14中更明显，其中示出了所调查的3个情景的性能提高。在这里，PSNR被定义成系统w/JO中最坏执行用户的PSNR和系统w/o JO中的最坏执行用户的PSNR之间的差。在图14中左端的图中密切观察揭示了情景2的性能提高量远大于前向模式中情景1的量，而情景3的性能提高的量只略微大于情景2的量。这指示在这个应用模式中更适合选择由无线电链路层提供的更高传输数据速率(通过使用QPSK)，并且优化器经常选择它。相反，选择由应用层提供的更高源速率(200kbps)则不适合这个模式，并且优化器很少选择它。另一方面，这个更高源速率的选择更适合ARQ模式，其可以参见右手端的曲线图，其中情景3的性能提高的量明显地大于情景2。因此，选择抽象参数元组的适当集合很重要，以便获得最大性能提高并且使优化具有低复杂度。同样，试验表明重要的是识别各个层上可得到的所有自由度并且考虑跨层设计中的重要点。
本发明提供具有视频流服务的无线系统中的应用层和无线电链路层的联合优化的体系结构。这个体系结构基于三个基本构思，即参数抽象，跨层优化和判决分发。我们预先研究揭示了本发明的体系结构可以提供一种可能方式以提高性能，并且因此帮助应对无线多媒体通信中的未来挑战。即使在考虑应用层和无线电链路层的较小量的自由度时，我们通过联合优化获得我们的流视频应用的用户感知质量的显著提高。
根据发明的方法的某些实现需求，本发明的方法可以通过硬件或软件实现。实现可以使用数字存储器介质，尤其是具有在其上存储电子可读控制信号的盘或CD来执行，其可以与可编程计算机系统配合工作以使得本发明的方法被执行。通常，本发明因此是具有存储在机器可读载体上的程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，程序代码执行本发明的方法。换言之，因此，当计算机程序在计算机上运行时，本发明的方法是具有执行本发明方法的程序代码的计算机程序。

Claims (20)

1.一种控制分层通信系统中多个通信层的操作的设备，该分层通信系统通过通信信道传输信息，其中该信息包括与多用户情况中第一用户相关的第一信息及与该情况中第二用户相关的第二信息，其中该多个通信层的第一通信层的操作由第一参数集合确定，并且其中该多个通信层的第二通信层的操作由第二参数集合确定，其中该第一通信层用于编码该第一信息以获得第一信息信号，以及编码该第二信息以获得第二信息信号，以及其中第二通信层用于编码该第一信息信号和该第二信息信号以获得要通过通信信道传输的复合信号，该设备包括：
用于提供该通信信道的特性的装置(107)；
存储单元(119)，用于存储定义该第一通信层的不同操作模式的第一多个参数集合，并且用于提供定义该第二通信层的不同操作模式的第二多个参数集合；
选择器(113；201)，用于从该第一多个参数集合中选择第一参数集合，并且用于从该第二多个参数集合中选择第二参数集合，其中选择器用于根据该信道特性和优化目标选择该第一参数集合和该第二参数集合，其中该优化目标是第一信息和第二信息的优化传输质量，其中为了优化该第一信息和该第二信息的传输质量，该选择器(113；201)用于基于第一和第二通信层之间的层间相关性选择要被该第一通信层用于编码该第一信息和该第二信息的该第一参数集合，以及要被该第二通信层用于编码该第一信息信号和该第二信息信号的该第二参数集合；和
用于向该第一通信层提供该第一参数集合以及向该第二通信层提供该第二参数集合的装置(123)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中该第二通信层用于调度该第一信息信号及该第二信息信号，使得该第一信息信号在第一时间帧内发送，并且该第二信息信号在第二时间帧内发送，
其中该选择器(113；201)用于选择该第一参数集合以获得具有第一信息速率的该第一信息信号，以及获得具有第二信息速率的该第二信息信号，并且用于选择该第二参数集合以获得具有支持该第一信息速率和该第二信息速率的数据速率的复合信号，以及
其中，所述第一信息速率与第一畸变相关并且其中所述第二信息速率与第二畸变相关。
3.如权利要求1或2所述的设备，其中与该第一用户相关的该第一信息包括第一子信息和第二子信息，其中该选择器(113，201)还用于选择该第一参数集合，该第一参数集合将被该第一通信层用于编码该第一子信息和该第二子信息使得获得包括编码的第一和第二子信息的该第一信息信号。
4.如权利要求3所述的设备，其中该选择器(113；201)用于选择该第一参数集合，该第一参数集合用于调度该第一信息信号内的该第一子信息和该第二子信息，使得该第一子信息和该第二子信息位于该第一信息信号的不同位置。
5.如权利要求1或2所述的设备，还包括用于从该多个通信层中确定其第一参数集合将被选择的第一通信层和其第二参数集合将被选择的第二通信层以实现优化目标的装置。
6.如权利要求1或2所述的设备，其中该分层通信系统的该多个通信层是协议层，其中该第二通信层用于管理通过该通信信道对信息的传输，以及提取该通信信道的特性，其中用于提供该通信信道的特性的该装置被连接到第二通信层以接收该通信信道的特性。
7.如权利要求6所述的设备，其中该第二通信层包括物理层，其中用于提供该通信信道的特性的该装置(107)包括与物理层接口的协议接口。
8.如权利要求1或2所述的设备，其中用于提供该通信信道的特性的该装置(107)用于提供位差错概率、传输延迟、与该位差错概率相关的发送功率、信道相干时间、和信道相干带宽中的至少一个作为信道特性。
9.如权利要求1或2所述的设备，其中该选择器(113；201)包括判决单元，用于监视由当前第一参数集合确定的该第一通信层的当前状态，以及由当前第二参数集合确定的该第二通信层的当前状态，其中判决单元还用于由当前状态，由优化目标，以及由信道特性生成控制信息，其中该控制信息指示当该优化目标不能使用当前第一和第二参数集合实现时，将选择新的第一参数集合和/或新的第二参数集合来实现该优化目标。
10.如权利要求1或2所述的设备，其中该优化目标包括多用户情况中传输质量的优化，其中信息包括与该第一用户相关的第一信息以及与该第一用户相关的第三信息，与该第二用户相关的第二信息以及与该第二用户相关的第四信息，其中该第一通信层用于调度该第一信息和该第三信息以获得与该第一用户相关的第一信息信号，并且其中该第一通信层用于调度该第二信息和该第四信息以获得与该第二用户相关的第二信息信号，其中该第二通信层用于调度该第一信息信号和该第二信息信号以获得调度的多用户流，其中该选择器(113；201)用于基于第一和第二通信层之间的层间相关性选择将由该第一通信层用以提供该第一信息信号和该第二信息信号的该第一参数集合，以及将由该第二通信层用以提供该调度的多用户流的该第二参数集合。
11.如权利要求1或2所述的设备，还包括用于提供该优化目标的装置(207)。
12.如权利要求1或2所述的设备，其中该第二通信层包括物理层，其中存储在该存储单元(119)中的该第一多个参数集合包括多个调制方案。
13.如权利要求1或2所述的设备，其中该第一或第二通信层包括数据链路层，其中存储在该存储单元(119)中的该第一多个或第二多个参数包括多个前向纠错编码方案。
14.如权利要求1或2所述的设备，其中该第一通信层包括应用层，其中存储在该存储单元(119)中的该第一多个参数集合包括用于数据压缩的多个编码方案。
15.一种根据发送协议处理要发送的信息的通信设备，该发送协议包括多个协议层，该通信设备包括：
用于提供要发送的信息的信息源；
如权利要求1到14中任一个所述的用于控制多个通信层的设备，其中所述多个通信层包括多个协议层；
处理器，用于根据所述协议层处理要发送的信息。
16.一种根据接收协议处理所接收的信号的通信设备，该接收的信号是通过通信信道发送的发送信号的接收版本，该发送信号包括根据发送协议处理的信息，其中该发送协议包括第一发送协议层和第二发送协议层，其中该第一发送协议层的操作模式由第一发送参数集合确定，其中该第二发送协议层的操作模式由第二发送参数集合确定，其中根据该通信信道的特性从多个发送参数中选择一对，该对由该第一发送参数集合和该第二发送参数集合构成，其中该接收协议包括第一接收协议层和第二接收协议层，其中该第一接收协议层的操作模式由第一接收参数集合确定，并且其中该第二接收协议层的操作模式由第二接收参数集合确定，该设备包括：
存储单元，用于为每个发送参数集合存储相应的接收参数集合；
用于提供发送协议信息的装置，该发送协议信息指示用于根据所述发送协议处理信息的该第一发送参数集合和第二发送参数集合对；
选择器，用于根据该发送协议信息选择由和该第一和第二发送参数集合对相应的该第一接收参数集合和该第二接收参数集合构成的对；
用于从所选对中将第一接收参数集合提供给该第一接收协议层并且将第二接收参数集合提供给该第二接收协议层的装置；
处理器，用于根据该接收协议处理该接收信号以获得来自所述接收信号的信息。
17.如权利要求16所述的设备，还包括用于从该第一接收协议中提取该第一接收参数集合以及从该第二接收协议层中提取该第二接收参数集合的装置，其中该用于提取的装置用于提供指示目前由该接收协议使用的第一和第二接收参数集合的对的接收协议信息；和
控制器，用于向该选择器提供信令信息，该信令信息指示是否将选择由该第一和第二接收参数集合构成的该对，该控制器还用于由该发送协议信息以及由该接收协议信息生成该信令信息。
18.一种控制分层通信系统中多个通信层的操作的方法，该分层通信系统通过通信信道传输信息，其中该信息包括与多用户情况中第一用户相关的第一信息及与该情况中第二用户相关的第二信息，其中该多个通信层的第一通信层的操作由第一参数集合确定，并且其中该多个通信层的第二通信层的操作由第二参数集合确定，其中该第一通信层用于编码该第一信息以获得第一信息信号，以及编码该第二信息以获得第二信息信号，其中第二通信层用于编码该第一信息信号和该第二信息信号以获得要通过通信信道传输的复合信号，该方法包括下列步骤：
提供该通信信道的特性；
存储定义该第一通信层的不同操作模式的第一多个参数集合；
提供定义该第二通信层的不同操作模式的第二多个参数集合；
为了优化第一信息和第二信息的传输质量，根据该信道特性和优化目标基于第一和第二通信层之间的层间相关性从该第一多个参数集合中选择该第一参数集合，以及从该第二多个参数集合中选择该第二参数集合，该第一参数集合将被该第一通信层用于编码该第一信息和该第二信息，该第二参数集合将被该第二通信层用于编码该第一信息信号和该第二信息信号，该优化目标是第一信息和第二信息的优化传输质量；和
向该第一通信层提供该第一参数集合，以及向该第二通信层提供该第二参数集合。
19.一种根据发送协议处理要发送的信息的方法，该发送协议包括多个协议层，该方法包括下列步骤：
提供该信息；
根据权利要求18所述的方法控制该多个协议层；
根据该协议层处理该信息。
20.一种根据接收协议处理所接收的信号的方法，该接收的信号是通过通信信道发送的发送信号的接收版本，该发送信号包括根据发送协议处理的信息，其中该发送协议包括第一发送协议层和第二发送协议层，其中该第一发送协议层的操作模式由第一发送参数集合确定，其中该第二发送协议层的操作模式由第二发送参数集合确定，其中根据该通信信道的特性从多个发送参数中选择一对，该对由该第一发送参数集合和该第二发送参数集合构成，其中该接收协议包括第一接收协议层和第二接收协议层，其中该第一接收协议层的操作模式由第一接收参数集合确定，并且其中该第二接收协议层的操作模式由第二接收参数集合确定，该方法包括下列步骤：
为每个发送参数集合存储相应的接收参数集合；
提供发送协议信息，该发送协议信息指示用于根据所述发送协议处理信息的该第一发送参数集合和第二发送参数集合对；
根据该发送协议信息选择由和该第一和第二发送参数集合对相应的该第一接收参数集合和该第二接收参数集合构成的对；
从所选对中将第一接收参数集合提供给该第一接收协议层并且将第二接收参数集合提供给该第二接收协议层提供；
根据该接收协议处理该接收信号以获得来自所述接收信号的信息。
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