CN102355648B - 一种基于泛在移动网络的应急通信系统分布式传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于泛在移动网络的应急通信系统分布式传输方法。本发明在应急通信现场，本地应急指挥中心根据多个分别接入泛在网络的应急通信终端传回的资源感知信息进行调度，应急通信终端根据调度信息传输各自的数据包后在远程应急指挥中心进行聚合，以实现应急现场视频流的分布式传输。该方法能在应急通信现场商用网络用户多，负载重的情况下，保证应急通信现场信息的高速、实时的传输。

Description

一种基于泛在移动网络的应急通信系统分布式传输方法

技术领域

本发明主要涉及泛在移动通信网络中的资源管理和调度领域，具体涉及一种基于现有的3G、Wi-Fi技术的泛在移动通信系统的分布式传输方法。

背景技术

应急通信是为应对突如其来的大型自然灾害和公共突发事件的特殊通信机制，应急通信通常在公共通信网络设施遭受破坏、性能降低、话务量突增的情况下，采用非常规的、多种通信手段组合的方式来恢复通信能力。目前，通信运营商通常采用以应急通信车为主体，结合卫星信道、微波传输的专用应急通信系统，专用通信系统能够提供稳定和及时可靠的通信网络业务，但专用应急通信系统的部署往往受到通信运营商服务支撑能力的限制，且存在造价高、系统庞大、操作复杂等问题，难以满足应急通信须快捷响应的实际需求，所以研发基于移动泛在网络的非专用的应急通信系统更具实际意义。

无线泛在网络的概念是指多个无线通信运营商同时提供无线网络的覆盖和接入，基于无线泛在网络的应急通信系统分布式传输技术，主要应用领域涉及两个方面，在应急通信终端所处环境信道资源充足时，充分利用如Wi-Fi、3G等无线网络接入方式进行单接入和多重接入，进行现场信息的实时、高速传输；在应急通信终端所处环境网络资源不足时，利用多个应急通信终端的分布式接入的现场信息并行传输技术，实现多个终端间的分布式协同控制机制。

分布式调度技术是实现基于无线网络的应急通信系统传输技术的重要环节，主要研究如何把一个需要非常大处理能力的才能解决的问题分成许多小的部分，然后把这些部分分配给许多终端进行处理，最后把这些处理结果综合起来得到最终的结果，极大地减小了中心处理器的负担，负载调度（包括负载的划分和传输）是影响并行与分布式处理性能的关键因素，在线性网络中，可分负载调度的最优原则是确定分配给各个处理器的负载比例和负载分发时刻以使负载在系统中的处理结束时间（调度长度）最短。

目前，在应急通信现场资源充足环境下，通过高效利用移动通信网络的异构接入网络资源管理技术，实现异构接入网络间的协同控制，实时高速地传输现场信息的技术已经十分成熟；但当应急通信现场资源不足时，如何通过本地指挥中心与多个应急通信终端之间的调度来完成应急现场视频流的分布式传输，尚未出现高效的解决方案。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于泛在无线网络的应急通信系统的视频流数据的分布式传输方法。在应急通信现场，本地应急指挥中心根据多个分别接入泛在网络的应急通信终端传回的资源感知信息进行调度，应急通信终端根据调度信息传输各自的数据包后在远程应急指挥中心进行聚合，以实现应急现场视频流的分布式传输。该方法能在应急通信现场商用网络用户多，负载重的情况下，保证应急通信现场信息的高速、实时的传输。

所述的本地应急指挥中心是指位于应急现场附近，与多个应急通信终端可通信的调度中心，如应急通信车等；所述的远程指挥中心是指离应急通信现场较远的远程部署和指挥中心。

以下说明本发明方法的具体步骤：

步骤（1）在应急通信现场，应急通信系统部署有多个应急通信终端，应急通信终端可同时接入不同的移动网络。用一个集合N={1,2,…N}来表征可接入的移动网络，并用可用带宽c _n 和往返时间τ _n 来表征网络n的性能，其中n?N，应急通信终端以t为周期定期探测每个网络的性能（假设在探测周期内c _n 和τ _n 保持不变）。每个应急通信终端各自采集现场的视频流。

步骤（2）在网络资源不足的情况下，应急通信终端无法独立地将所采集的视频流传输到远程应急指挥中心，此时应急通信终端与本地应急指挥调度中心进行通信，将所采集到的应急现场信息和资源感知信息发送到本地应急指挥调度中心。

所述的应急现场信息是指现场采集的视频流，并被要求以r _s 的速率进行传输。所述的资源感知信息是指终端所接入网络的性能参数，即可用带宽c _n 和往返时延τ _n 。

步骤（3）本地应急指挥调度中心接收到多路终端传回的视频流后，采用PSNR(Peak Signalto Noise Ratio，峰值信噪比)等视频质量评价指标计算各视频流的质量，选择视频质量最好的一路视频流作为视频流的质量，并根据各个应急通信终端传回的资源感知信息c _n 和τ _n 及视频流要求的传输速率r _s 及速率分配算法进行速率分配。所述的速率分配算法是指根据相应的性能要求确定相应的优化目标，在满足约束条件的前提下求解优化问题，从而计算出分配给每个网络的速率。

步骤（3.1）本地应急指挥中心选择视频流并选择速率分配算法进行速率分配：本地应急指挥调度中心首先采用PSNR作为主要评价指标计算每一路视频流的质量并选择一路质量最好的视频流作为传输目标，速率分配模块根据各个应急通信终端反馈的信道资源感知信息c _n 和τ _n 以及视频流要求的传输速率r _s ，然后选择速率分配算法进行速率的分配，具体是：

I. 若系统以视频流失真度为主要衡量指标，则本地应急指挥调度中心选择以最小化由丢包引起的视频失真为目标的最小化视频失真算法，具体方法为：

(a) 初始化算法参数。假设分布式终端可接入N个网络，由各个应急通信终端反馈的信道资源感知信息c _n 和τ _n 初始化信道可用带宽和往返延时的值，用向量r _N ={r ₁,r ₂,r ₃,...,r _N }表示每个网络需要传输的视频数据的速率，并初始化r ₁=r ₂=…=r _N =0，同时根据编码方案和视频流的内容确定参数d ₀，θ和r ₀的值，其中d ₀，θ和r ₀是视频流失真度模型中的常用参量，d ₀表示失真抵消常量，θ表示失真率模型参量，r ₀表示速率抵消常量；然后计算视频编码端由于有损压缩带来的失真d(r _s )，具体地，d(r _s )=d ₀+θ/(r _s ?r ₀)。

(b) 选择优化目标求解速率分配问题，具体过程如下：

b1. 确定最小化失真度为优化目标：                                               

，其中

表示由于传输错误造成丢包带来的失真，

表示视频流的播放延时要求，κ表示该部分失真对所有可接入网络的平均丢包率的敏感性，0≤κ≤1；约束条件为：

，r _n <c _n ，"n?N，即每个网络需要传输的速率不超过该网络的可用带宽，各个网络需要传输的速率之和为视频流的总速率。

b2. 设，并且引入一个辅助参数α，并初始化α=0.5，用α _min和α _max分别表示α的最小值和最大值，并初始化α _min=0，α _max=1。令函数g(r _n )=f(r _n )?αr _n ；

b3. 任取n?N，令g(r _n )的导数为0，即令(g(r _n ))’=(f(r _n )?αr _n )’=0，求出每一个n值下对应的r _n 值，若r _n ≥c _n ，"n?N，则取r _n =c _n ；其中( )’表示求导运算。

b4. 求得r _N ={r ₁,r ₂,r ₃,...,r _N }后，对矢量r _N 中的各元素进行求和，即计算

，定义门限值th，并取th=0.05r _s ，若

，则跳出迭代算法，此时的r _N ={r ₁,r ₂,r ₃,...,r _N }就是所得出的速率分配结果；若

，则继续执行b5；

b5. 若

，则令α _min=α；若

，则令α _max=α；

b6. 令α=(α _min+α _max)/2，跳转至b3继续执行；

Ⅱ. 若系统以远程指挥中心接收端的播放延时为主要衡量指标，则系统将选择以最小化各个网络的最大延时为目标的最小化网络最大延时算法，具体过程为：

(a) 初始化算法参数。假设分布式终端有接入n个网络，根据各个应急通信终端反馈的信道资源感知信息c _n 和τ _n 初始化信道可用带宽和往返延时的值，用向量r _N ={r ₁,r ₂,r ₃….,r _N }表示每个网络需要传输的视频数据的速率，并初始化r ₁=r ₂=…=r _N =1；

(b) 选择优化目标求解速率分配问题，确定速率分配结果，具体是：

b1. 确定本算法优化目标：min(max(t ₁,t ₂,…t _n …,t _N ))，其中t _n ?{t ₁,t ₂…t _N }表示可接入网络n在某一时刻的延时，公式t ₁=(c ₁×τ ₁)/(2(c ₁?r ₁))=t ₂=(c ₂×τ ₂)/(2(c ₂?r ₂))=...=t _N =(c _N ×τ _N )/(2(c _N ?r _N ))

为满足最优解时的条件；

b2. 若r _n >0，则根据公式，计算出矢量r _N 中的每一项值，并检验r _N 中的非零元素是否满足0<r _n <c _n ，"n?N，若不满足，则跳转至b3继续执行；若满足，则输出最终的速率分配结果r _N ={r ₁,r ₂,…,r _N }，此时最小延时即为r _N 中的任意非零元素代入t _n =(c _n ×τ _n )/(2(c _n ?r _n ))所得的结果；

b3. 若步骤b2的计算结果r _N ={r ₁,r ₂,r ₃,…,r _N }中存在k个r _n <0的元素，则令这k个r _n =0，即不为这些网络分配速率，并且令其相应的c _n 和τ _n 为0；并跳转至b2继续计算；

步骤（3.2）根据本地应急指挥中心根据业务的要求选定速率分配算法计算得到的相应网络的需要传输的视频速率值，通知相应的终端传输进行视频流的传输；在新感知周期到来时，转到步骤（2）继续执行。

步骤（4）本地应急通信中心将视频流数据分配到各个应急通信终端，应急通信终端通过各自的接入网络将视频流传输至远程指挥中心，并在远程指挥调度中心进行聚包操作，从而实现应急现场视频流的分布式传输。

本发明的有益效果：本发明克服了现有技术的不足，通过一种基于分布式多终端的视频流速率分配算法，实现应急通信现场商用网络用户多，负载重的情况下，保证传输视频流的失真度和延时等指标，从而实现在现场应急通信资源不足时应急通信现场信息的高速、实时并且可靠的传输。

附图说明

图1为现场应急通信资源不足时的应急通信系统框图；

图2为存在3个终端的情况下的应急通信系统实例框图；

图3为现场应急指挥调度中心前端的调度模块示意图。

具体实施方式

附图1所示的系统框图说明了N个分布式终端分别可接入N个网络的一般情况下应急通信系统的组成结构；下面结合附图2，进一步阐述本发明提供的基于泛在移动网络的应急通信系统分布式传输方法的具体实施过程。在附图2所示的应用场景中，调度系统由本地应急指挥调度中心和分布式应急终端组成，在该场景下，有三个应急通信终端，并各自接入Wi-Fi，WCDMA，CDMA2000无线网络。

具体步骤如下：

1）本实施例中，应急通信终端的探测周期取值为t=2S，应急通信终端定期探测每个可接入网络的性能，并返回c _n 和τ _n 的值，同时每个应急通信终端各自采集应急通信现场的视频流；

2）三路应急通信终端将采集的视频流以及每个网络的感知信息传输到本地应急指挥调度中心，本地应急指挥调度中心根据多路终端传回的视频流的质量，由应急现场指挥人员选择一路质量较好的视频流作为传输的视频流信息；

3）本地应急指挥调度中心的调度前端，如附图3所示的速率分配模块根据各个应急通信终端反馈的信道资源感知信息c _n 和τ _n 以及视频流要求的传输速率r _s ，选择速率分配算法进行速率的分配具体过程如下：

3.1）确定算法选择参数W：若W=0，选择最小化视频失真算法；若W=1，选择最小化网络最大延时算法。

3.2）以最小化视频失真为目标的算法过程如下：

a. 初始化分配结果r ₃={r ₁,r ₂,r ₃}中的元素，令r ₁=r ₂=r ₃ =0；三个网络的可用带宽和往返延时分别为{c ₁,c ₂,c ₃}、{τ ₁,τ ₂,τ ₃}，其中Wi-Fi是网络1，WCDMA是网络2，CDMA2000是网络3，三个网络的可用带宽的取值范围说明如下：Wi-Fi网络：c ₁={1Mbps,2Mbps,5.5Mbps,11Mbps}，这是由基本的802.11b标准中四种不同的基带调制方式决定的；WCDMA网络：c ₂=[1.4Mbps~5.8Mbps]，目前由于业务多样化对于业务速率的要求，WCDMA系统针对分组业务实现引入了应用于上行链路的HSUPA技术，与WCDMA R99相比，HSUPA引入的上行链路容量增量为20%~50%，在理论上，在不同的阶段，HSUPA可支持的上行峰值速率为1.4Mbps~5.8Mbps，故本实施例中根据HSUPA上行速率的峰值确定c ₂的取值范围；CDMA2000网络：c ₃=[38.4kbps~2.4576Mbps]，根据CDMA2000最新应用的标准CDMA2000 1xEV-DO,其上行业务速率支持从38.4kbps到2.4576Mbps的可变业务速率，故本实施例中c ₃为38.4kbps~2.4576Mbps。三个网络的往返延时取值分别为：Wi-Fi网络为0<

<50ms；WCDMA网络为0<

<100ms；CDMA2000网络为0<<100ms；

b. 视频流的总速率为r _s =2Mbps，取失真模型参量d ₀=0.005，θ=0.01Mbps和r ₀=1Mbps；由失真度模型可以计算得到编码端有损压缩带来的失真d(r _s )=d ₀+θ/(r _s ?r ₀)=0.01；

c. 设敏感性因子κ为0.5，可以确定优化目标为：

；

相应的约束条件为：

；

d. 令(g(r _n ))’=(f(r _n )?αr _n )’=0求出三个对应的r _n 值，如果其中有若r _n ≥c _n ，则取r _n =c _n ；其中( )’表示求导运算；

e. 确定最小化视频失真算法中门限值th取th=0.05r _s =0.1Mbps；求得r ₃={r ₁,r ₂,r ₃}后，对矢量r ₃中的各元素进行求和，即计算

，若

，则跳出迭代算法，此时的r ₃={r ₁,r ₂,r ₃}就是所得出的速率分配结果；若，则执行f；

f. 若

，则令α _min=α；若，则令α _max=α；

g. 令α=(α _min+α _max)/2，跳转至b3继续执行；

最小化视频失真算法最后的输出结果为各个网络需要传输的速率r ₃={r ₁,r ₂,r ₃}，以及在此速率下最小化视频失真算法对应的最小失真度值

；

3.3) 最小化网络最大延时算法过程如下：

a. 初始化分配结果r ₃={r ₁,r ₂,r ₃}中的元素，令r ₁=r ₂=r ₃=1；

b. 若r _n >0，则根据公式

，计算出矢量r ₃中的每一项值；

c. 若步骤b的计算结果r ₃中存在r _n <0的元素，则令这些r _n =0，即不为这些网络分配速率，并且令其相应的c _n 和τ _n 为0，跳转至b2继续计算；

d. 若r ₃中的元素满足0<r _n <c _n ，则输出最终的速率分配结果r ₃={r ₁,r ₂,r ₃}，此时最小延时即为r ₃中的任意非零元素代入t _n =(c _n ×τ _n )/2(c _n ?r _n )所得的结果；

最小化网络最大延时算法输出结果为各个网络需要传输的速率r ₃={r ₁,r ₂,r ₃}，以及最小化网络最大延时算法对应的最小延时值t _n =(c _n ×τ _n )/(2(c _n ?r _n ))；

4）根据本地应急指挥中心根据业务的要求选定的算法计算得到的相应网络的需要传输的视频的速率值，通知相应的终端传输进行视频流的传输；在新感知周期到来时，转到步骤3）继续执行；

5）分配到三个应急通信终端相应速率的视频流，通过各自的接入网络进行传输，并在远程指挥调度中心进行聚包操作，从而实现应急现场视频流的分布式传输。

Claims (1)

1.一种基于泛在移动网络的应急通信系统分布式传输方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤（1）在应急通信现场，应急通信系统部署有多个应急通信终端，应急通信终端可同时接入不同的移动网络；用一个集合N={1,2,...N}来表征可接入的移动网络，并用可用带宽c_n和往返时间τ_n来表征网络n的性能，其中n∈N，应急通信终端以t为周期定期探测每个网络的性能，每个应急通信终端各自采集现场的视频流；

步骤（2）在网络资源不足的情况下，应急通信终端无法独立地将所采集的视频流传输到远程应急指挥中心，此时应急通信终端与本地应急指挥调度中心进行通信，将所采集到的应急现场信息和资源感知信息发送到本地应急指挥调度中心；

所述的应急现场信息是指现场采集的视频流，并被要求以r_s的速率进行传输；所述的资源感知信息是指终端所接入网络的性能参数，即可用带宽c_n和往返时延τ_n；

步骤（3）本地应急指挥调度中心接收到多路终端传回的视频流后，采用峰值信噪比视频质量评价指标计算各视频流的质量，选择视频质量最好的一路视频流作为视频流的质量，并根据各个应急通信终端传回的资源感知信息c_n和τ_n及视频流要求的传输速率r_s及速率分配算法进行速率分配；所述的速率分配算法是指根据相应的性能要求确定相应的优化目标，在满足约束条件的前提下求解优化问题，从而计算出分配给每个网络的速率，具有包括步骤（3.1）和步骤（3.2）；

步骤（3.1）本地应急指挥中心选择视频流并选择速率分配算法进行速率分配：本地应急指挥调度中心首先采用峰值信噪比作为主要评价指标计算每一路视频流的质量并选择一路质量最好的视频流作为传输目标，速率分配模块根据各个应急通信终端反馈的信道资源感知信息c_n和τ_n以及视频流要求的传输速率r_s，然后选择速率分配算法进行速率的分配，具体是：

I.若系统以视频流失真度为主要衡量指标，则本地应急指挥调度中心选择以最小化由丢包引起的视频失真为目标的最小化视频失真算法，具体方法为：

(a)初始化算法参数；设分布式终端可接入N个网络，由各个应急通信终端反馈的信道资源感知信息c_n和τ_n初始化信道可用带宽和往返延时的值，用向量r_N={r₁,r₂,r₃,...,r_N}表示每个网络需要传输的视频数据的速率，并初始化r₁=r₂=...=r_N=0，同时根据编码方案和视频流的内容确定参数d₀，θ和r₀的值，其中d₀，θ和r₀是视频流失真度模型中的常用参量，d₀表示失真抵消常量，θ表示失真率模型参量，r₀表示速率抵消常量；然后计算视频编码端由于有损压缩带来的失真d(r_s)，具体地，d(r_s)=d₀+θ/(r_s-r₀)；

(b)选择优化目标求解速率分配问题，具体过程如下：

b1.确定最小化失真度为优化目标：

其中

表示由于传输错误造成丢包带来的失真，t₀表示视频流的播放延时要求，κ表示该部分失真对所有可接入网络的平均丢包率的敏感性，0≤κ≤1；约束条件为：

即每个网络需要传输的速率不超过该网络的可用带宽，各个网络需要传输的速率之和为视频流的总速率；

b2.设

并且引入一个辅助参数α，并初始化α=0.5，用α_min和α_max分别表示α的最小值和最大值，并初始化α_min=0，α_max=1；令函数g(r_n)=f(r_n)-αr_n；

b3.任取n∈N，令g(r_n)的导数为0，即令(g(r_n))’=(f(r_n)-αr_n)’=0，求出每一个n值下对应的r_n值，若r_n≥c_n，

则取r_n=c_n；其中()’表示求导运算；

b4.求得r_N={r₁,r₂,r₃,...,r_N}后，对矢量r_N中的各元素进行求和，即计算

定义门限值th，并取th=0.05r_s，若

则跳出迭代算法，此时的r_N={r₁,r₂,r₃,...,r_N}就是所得出的速率分配结果；若

则继续执行b5；

b5.若

则令α_min=α；若

则令α_max=α；

b6.令α=(α_min+α_max)/2，跳转至b3继续执行；

Ⅱ.若系统以远程指挥中心接收端的播放延时为主要衡量指标，则系统将选择以最小化各个网络的最大延时为目标的最小化网络最大延时算法，具体过程为：

(a)初始化算法参数；设分布式终端有接入n个网络，根据各个应急通信终端反馈的信道资源感知信息c_n和τ_n初始化信道可用带宽和往返延时的值，用向量r_N={r₁,r₂,r₃....,r_N}表示每个网络需要传输的视频数据的速率，并初始化r₁=r₂=...=r_N=1；

(b)选择优化目标求解速率分配问题，确定速率分配结果，具体是：

b1.确定本算法优化目标：min(max(t₁,t₂,...t_n...,t_N))，其中t_n∈{t₁,t₂...t_N}表示可接入网络n在某一时刻的延时，公式t₁=(c₁×τ₁)/(2(c₁-r₁))=t₂=(c₂×τ₂)/(2(c₂-r₂))=...=t_N=(c_N×τ_N)/(2(c_N-r_N))为满足最优解时的条件；

b2.若r_n>0，则根据公式 $r_n=[c_n-(\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_n-r_s)\frac{c_n{\mathrm{\&tau;}}_n}{\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{c}_n{\mathrm{\&tau;}}_n}],n\&Element;\{\mathrm{1,2},...,N\},$ 计算出矢量r_N中的每一项值，并检验r_N中的非零元素是否满足0<r_n<c_n，若不满足，则跳转至b3继续执行；若满足，则输出最终的速率分配结果r_N={r₁,r₂,...,r_N}，此时最小延时即为r_N中的任意非零元素代入t_n=(c_n×τ_n)/(2(c_n-r_n))所得的结果；

b3.若步骤b2的计算结果r_N={r₁,r₂,r₃,...,r_N}中存在k个r_n<0的元素，则令这k个r_n=0，即不为这些网络分配速率，并且令其相应的c_n和τ_n为0；并跳转至b2继续计算；

步骤（3.2）根据本地应急指挥中心根据业务的要求选定速率分配算法计算得到的相应网络的需要传输的视频速率值，通知相应的终端传输进行视频流的传输；在新感知周期到来时，转到步骤（2）继续执行；

步骤（4）本地应急通信中心将视频流数据分配到各个应急通信终端，应急通信终端通过各自的接入网络将视频流传输至远程指挥中心，并在远程指挥调度中心进行聚包操作，从而实现应急现场视频流的分布式传输。

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