CN105049863A - 一种用于异构网络分层组播层速率优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种用于无线异构网络系统的分层组播层速率优化方法，属于移动通信技术领域。所述方法包括：a、设计NRAA算法将网络拓扑图按照接收节点个数|T|分解为N(N＝|T|)个传输子图，用户接收前l-1个分层后剩余带宽的最小值作为其第l(l≤N)层的分层速率；b、提出一种启发式链路重用的带宽分配LRBA算法，对每个分层的接收用户进行链路带宽的分配；c、设计PCLRAA算法，引入分簇的思想，将用户自身的实际带宽作为限制因素，提出一种插板算法，将N层合并为L个分层，求出L层机制下吞吐量最大化的最佳分簇以及最优分层速率。本发明链路的充分重用为更高层的接收预留更多的带宽资源，提高系统的吞吐量。

Description

一种用于异构网络分层组播层速率优化方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，更具体的说，本发明涉及一种用于无线异构网络系统分层组播层速率优化方法，是一种为了解决多速率组播吞吐量最大化为目标的层速率优化问题。

背景技术

随着宽带网络和Internet快速发展，多媒体服务业务应运而生，如网络电视、远程学习、数据内容分发、多方视频会议等，同时用户端对网络服务的多样化和质量等方面的提出越来越高的要求。如何在现有的网络和通信技术下更为有效地利用网络资源并实现更高质量的数据传输，已经成为通信领域最为重要的研究课题之一。实际网络中的固有异构性，这就需要源节点能够根据异构用户的可用带宽进行最佳的数据传输，针对异构性提出的基于网络编码的多速率分层组播方案能够有效解决异构网络中用户差异性需求，提高系统吞吐量。

在组播通信中以不同的速率为不同的接收用户提供服务，分层组播吞吐量最大化问题中，涉及到用户能否接收到第k个分层的二进制参数，以及第k个分层速率r_k，用户节点对分层数的接收取决于用户自身可用带宽和层速率r_k，因而分层组播层速率优化问题是NP-hard问题，通过线性规划求解吞吐量来直接优化分层速率是十分困难的。

在实现本发明的过程中，发明人发现：

现有的技术方案中，绝大部分都是在链路分配阶段不能充分的进行链路的重用，用户剩余链路带宽减少，不能接收到更高的分层数，导致用户的实际带宽减少，继而减少了系统吞吐量。

发明内容

针对现有技术的不足，提出了一种实现组播通信的用户吞吐量总和最大化的层速率全局最优的用于异构网络分层组播层速率优化方法，本发明的技术方案如下：一种用于异构网络分层组播层速率优化方法，其中异构网络的有向网络拓扑图用G(V,E,T,BS)表示，其中V表示网络中所有节点集合，E为所有网络链路集合，(u,v)表示u节点到v节点的有向链路，T为网络中所有用户节点集合，网络中拥有|T|个接收用户，BS为基站，为网络中继节点，并假定用户节点仅能接收信息，BS仅能发送信息，所述速率优化方法包括以下步骤：

A.基站BS将视频流图片分层编码为L个分层；

B.在中继节点中采用网络编码法对步骤A得到的L个分层中的每个分层数据进行编码操作；

C.根据接收用户个数，采用L层速率分配NRAA算法，将异构网络的有向网络拓扑图G(V,E,T,BS)分解为N(N＝|T|)个传输子图，以每个分层的接收用户的剩余带宽的最小值作为分层速率，确保所有用户都能以最大带宽接收相应的分层编码包，求出各用户的实际带宽；

D.在步骤C中每个传输子图的确立过程中，调用链路复用带宽分配LRBA算法，为每个传输子图的接收用户分配链路带宽；

E.采用基于插板法的用户簇L层速率分配PCLRAA算法,根据用户实际带宽，引入分簇法，采用插板算法，将N层合并为L个分层，求出最佳分簇，得出L层机制下吞吐量最大化的最优分层速率，以及各传输子图分配的链路带宽，完成异构网络分层组播层速率优化。

进一步的，步骤A中，基站BS将视频流图片分层编码为L个分层采用MPEG-4标准中的精细可伸缩性视频编码FGSC编码技术，将图片分层编码为基础层和增强层次，利用基于分块运动补偿预测编码技术和DCT变换技术进行基础层编码，利用位平面编码技术对DCT残差进行增强层次编码。

进一步的，步骤B中中继节点采用网络编码法具体为采用层内随机线性网络编码ILRLNC对接收到的分层编码包分别进行编码操作。

进一步的，步骤C中的NRAA算法，具体步骤包括：

31.初始化G(V,E,T,BS)，对于任意接收用户初始化其实际接收速率链路(u,v)∈E带宽C(u,v)；

32.初始化l＝1以及分层总数N＝|T|，第一个分层的接收用户为所有用户，也即T_l＝T；

33.第l(l≤N)个分层的传输子图G_l(V_l,E_l,T_l,BS)的分层速率r_l＝0；

34.第l个分层中的初始化用户序号i＝1，对任意用户进行如下操作：

341运行Edmonds-Karp算法，计算剩余最大流

342如果将用户U_i从T_l中删除；

343更新i＝i+1；

344如果i≤|T_l|，返回341；

35.如果更新实际分层数N＝l，NRAA算法结束；

36.更新第l层的分层速率对任意用户更新用户的实际带宽 $B_{U_i}=B_{U_i}+r_l;$

37.调用LRBA算法为第l层的链路带宽分配f′(u,v)，求出传输子图

38.更新链路的剩余带宽C(u,v)←C(u,v)-f′(u,v)，更新l＝l+1；

39.如果l≤N，更新T_l＝T_l-1，返回33，否则算法结束。

进一步的，步骤D中LRBA算法中，T_l′中所有用户链路带宽全部用来接收该层数据，剩余带宽值较大的用户集合T″中用户与已经分配链路带宽的用户进行重用后，若用户U_i还需分配的带宽依次选取包含最大节点出度max(deg_u)的路径进行链路带宽的分配。

进一步的，步骤E中PCLRAA算法中，分簇数目和信源分层编码的分层总数一致；L层机制下分层速率的求取类似于N层，都是以接收用户的剩余带宽的最小值作为分层速率，保证用户都能接收到该分层。

本发明的优点及有益效果如下：

LRBA算法，为了保证T_l用户全部能接收到第l层编码包，第l层的最优分层速率为接收用户的非零剩余带宽值的最低值，LRBA算法实质是拥有最小带宽值的用户集合T_l′中所有用户将自身剩余带宽全部用来接收第l层编码包，具有较高剩余带宽值也即的用户集合T_l″中用户，尽量多的重用其他接收用户的路径可以为更高分层编码包的接收预留更多资源，提高链路的重用率，继而提高系统吞吐量；PCLRAA算法，将N层合并为L个分层，在假定分簇数等于分层总数，簇C_i的用户个数为n_i，为实现吞吐量最大化可以将层速率优化问题直接转化为寻找最佳分簇问题。根据已经排序的用户带宽值将用户放入相应的簇中，类似于数学中的相同元素分堆问题，根据用户实际可用带宽进行相同元素捆绑后的用户数为D，则D个用户分为L簇，共有种插板方式。利用式(1)(3)求出每种插板方式的吞吐量，求出吞吐量最大的插板方式也即最佳分簇方式，求出分层速率以及每层的链路带宽分配。

附图说明

图1是本发明提供实施例图片信源分层编码示意图；

图2为本发明的网络编码示意图；

图3为本发明的NRAA算法示意图；

图4为本发明的LRBA算法示意图；

图5为本发明的PCLRAA算法示意图；

图6为本发明的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

参见图1，基于贪心理论，每个用户节点都期望根据自身的处理能力和可用带宽接收尽量多的图片分层数据。在满足一定的弱公平性原则——具有较低带宽的用户也是能够接收到图片信息，最大化用户接收速率总和，也即最大化系统吞吐量，基于此，进行层速率优化。

本发明中包含三种算法：NRAA算法、LRBA算法、PCLRAA算法，图3为NRAA算法，具体步骤包括：

31.初始化G(V,E,T,BS)，对于任意接收用户初始化其实际接收速率链路(u,v)∈E带宽C(u,v)；

32.初始化l＝1以及分层总数N＝|T|，第一个分层的接收用户为所有用户，也即T_l＝T；

33.第l(l≤N)个分层的传输子图G_l(V_l,E_l,T_l,BS)的分层速率r_l＝0；

34.第l个分层中的初始化用户序号i＝1，对任意用户进行如下操作：

341运行Edmonds-Karp算法，计算剩余最大流

342如果将用户U_i从T_l中删除；

343更新i＝i+1；

344如果i≤|T_l|，返回341；

35.如果更新实际分层数N＝l，NRAA算法结束；

36.更新第l层的分层速率对任意用户更新用户的实际带宽 $B_{U_i}=B_{U_i}+r_l;$

37.调用LRBA算法为第l层的链路带宽分配f′(u,v)，求出传输子图

38.更新链路的剩余带宽C(u,v)←C(u,v)-f′(u,v)，更新l＝l+1；

39.如果l≤N，更新T_l＝T_l-1，返回33，否则算法结束。

相应的，图4中LRBA算法，为了保证T_l用户全部能接收到第l层编码包，第l层的最优分层速率为接收用户的非零剩余带宽值的最低值，LRBA算法实质是拥有最小带宽值的用户集合T_l′中所有用户将自身剩余带宽全部用来接收第l层编码包，具有较高剩余带宽值也即的用户集合T_l″中用户，尽量多的重用其他接收用户的路径可以为更高分层编码包的接收预留更多资源，提高链路的重用率，继而提高系统吞吐量，LRBA算法具体步骤包括：

41.输入G_l(V_l,E_l,T_l,BS)，第l层的分层速率r_l，对于剩余带宽剩余带宽经过的条路径集合

42.初始化过程：对于链路(u,v)上为保证T_l′所有用户接收到该分层数据，初始化链路(u,v)需要分配的带宽值为对于初始化从基站到用户U_i的各路径上为第l层需要分配的路径带宽用户U_i已分配的路径集合对于任意路径初始化路径上的剩余带宽值其中为路径的剩余带宽。初始化第l层的传输路径已经进行链路分配的用户T_l ^be＝T_l′，初始化用户序号i＝1，对于任意用户进行如下操作：

43.如果执行44，否则跳转45；

44.初始化路径序号m＝1；

441若与已经分配的路径集合P_l存在公共链路(u,v)，复用并更新路径上已经分配的带宽 ${\mathrm{preF}}_{U_i,m}=min\left\{max\left(F_{U_i}\right(u,v)\right),{\mathrm{uassignF}}_{U_i},F_{U_i,m}\},$ 其中否则跳转到446；

442复用后上剩余带宽 ${\mathrm{residualF}}_{U_i,m}={\mathrm{residualF}}_{U_i,m}-{\mathrm{preF}}_{U_i,m};$

443用户U_i还需分配的带宽 ${\mathrm{uassignF}}_{U_i}={\mathrm{uassignF}}_{U_i}-{\mathrm{preF}}_{U_i,m};$

444将添加到已分配的路径集合中，

445如果跳转到46；

446更新m＝m+1；

447如果返回441；

45.如果从剩余路径中选取包含节点度最大也即max(deg_u)节点u的路径也即否则跳转到46；

451.将路径上的全部剩余带宽和未分配带宽两者的最小值赋给也即 ${\mathrm{preF}}_{U_i,m}=min\{{\mathrm{residualF}}_{U_i,m},{\mathrm{uassignF}}_{U_i}\};$

452.上剩余带宽 ${\mathrm{residualF}}_{U_i,m}={\mathrm{residualF}}_{U_i,m}-{\mathrm{preF}}_{U_i,m};$

453.用户U_i还需分配的带宽 ${\mathrm{uassignF}}_{U_i}={\mathrm{uassignF}}_{U_i}-{\mathrm{preF}}_{U_i,m};$

454.将添加到已分配的路径集合中将已经添加过的路径从用户路径中剔除返回到45；

46.记录用户U_i通过路径集合接收到第l层的路径对于分配的带宽 $f_{U_i}^{\′}(u,v)=F_{U_i,m}-{\mathrm{residualF}}_{U_i,m};$

47.更新第l层的传输路径将用户U_i添加到已经分配的用户集合 $T_l^{be}=T_l^{\′}+U_i;$

48.更新接收用户序号i＝i+1；

49.如果i≤|T″|，返回43；

410.对于更新 $f^{\′}(u,v)=max\{f_{U_i}^{\′}(u,v),U_i\∈T_l^{\″},(u,v)\∈P_l\};$

第l层所分配的链路带宽的总和为N个分层的每层速率r＝[r₁,r₂,..r_l,..r_N]，用户实际接收速率为并假设U_i∈T， $B_{U_i}=\underset{m=(1,...l)}{\Σ}{r}_m,U_i\∈T_l.$

图5为PCLRAA算法，在假定分簇数等于分层总数，簇C_i的用户个数为n_i，为实现吞吐量最大化可以将层速率优化问题直接转化为寻找最佳分簇问题。根据已经排序的用户带宽值将用户放入相应的簇中，类似于数学中的相同元素分堆问题，根据用户实际可用带宽进行相同元素捆绑后的用户数为D，则D个用户分为L簇，共有种插板方式。利用式(2)(4)求出每种插板方式的吞吐量，求出吞吐量最大的插板方式也即最佳分簇方式，求出最佳分簇方式对应的分层速率以及每层的链路带宽分配。

吞吐量T_p的计算公式为：

$T_p=\underset{k=1}{\overset{L}{\Σ}}\underset{i=k}{\overset{L}{\Σ}}{n}_i\·z_{C_i}^k\·r_k---\left(1\right)$

簇C_k中用户能够接收第k个分层视频流，对于存在因此，系统的吞吐量可以进一步表示为：

$T_p=\underset{k=1}{\overset{L}{\Σ}}\underset{j=k}{\overset{L}{\Σ}}{n}_j\·r_k---\left(2\right)$

为了保证每个用户都能接收到相应的分层视频流，选取每层接收的用户带宽最小值作为其分层速率，利用如下公式确定L层机制下各层速率：

$r_k=\{\begin{array}{c}\min \left(B_{U_j}\right),k=1\\ \min \left(B_{U_j}\right)-\underset{i=\left(1,....k-1\right)}{\Σ}{r}_i,k\≠1\end{array},\∀U_j\∈\underset{m=\left(j,...L\right)}{\Σ}{C}_m---\left(3\right)$

因其用户带宽是升序排列的，C_i中用户可用带宽小于C_i+1中用户带宽，式(3)可进一步表示为：

$r_k=\{\begin{array}{c}\min \left(B_{U_j}\right),k=1\\ \min \left(B_{U_j}\right)-\underset{i=\left(1,....k-1\right)}{\Σ}{r}_i,k\≠1\end{array},\∀U_j\∈C_k---\left(4\right)$

PCLRAA算法，其实质是将N层合并为L个分层。第k层编码包可以看作是在N层机制下将第(|T|-|T_k|+1)层到第(|T|-|T_k|+n_k)层合并而成，其中，|T|为用户总数，|T_k|是第k层的用户数，n_k为簇C_k中的用户数，因而第k层分配的链路带宽为：

$.\begin{array}{c}{B}_k=\underset{l=\left(\left|T\right|-\left|T_k\right|+1\right)}{\overset{\left(\left|T\right|-\left|T_k\right|+n_k\right)}{\Σ}}{F}_l\\ =\underset{l=\left(\left|T\right|-\left|T_k\right|+1\right)}{\overset{\left(\left|T\right|-\left|T_k\right|+n_k\right)}{\Σ}}\underset{\left(u,v\right)\∈P_l}{\Σ}{f}_l^{\′}\left(u,v\right)\end{array}.---\left(5\right)$

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种用于异构网络分层组播层速率优化方法，其中异构网络的有向网络拓扑图用G(V,E,T,BS)表示，其中V表示网络中所有节点集合，E为所有网络链路集合，(u,v)表示u节点到v节点的有向链路，T为网络中所有用户节点集合，网络中拥有|T|个接收用户，BS为基站，为网络中继节点，并假定用户节点仅能接收信息，BS仅能发送信息，其特征在于，所述速率优化方法包括以下步骤：

A.基站BS将视频流分层编码为L个分层；

B.在中继节点中采用网络编码法对步骤A得到的L个分层中的每个分层数据进行编码操作；

C.根据接收用户个数，采用N层速率分配NRAA算法，将异构网络的有向网络拓扑图G(V,E,T,BS)分解为N(N＝|T|)个传输子图，以每个分层的接收用户的剩余带宽的最小值作为分层速率，确保所有用户都能以最大带宽接收相应的分层编码包，求出各用户的实际带宽；

D.在步骤C中每个传输子图的确立过程中，调用链路复用带宽分配LRBA算法，为每个传输子图的接收用户分配链路带宽；

E.采用基于插板法的用户簇L层速率分配PCLRAA算法,根据用户实际带宽，引入用户分簇，采用插板算法，将N层合并为L个分层，求出最佳分簇，得出L层机制下吞吐量最大化的最优分层速率，以及各传输子图分配的链路带宽，完成异构网络分层组播层速率优化。

2.根据权利要求1所述的一种用于异构网络分层组播层速率优化方法，其特征在于：步骤A中，基站BS将视频流分层编码为L个分层采用MPEG-4标准中的精细可伸缩性视频编码FGSC编码技术，将图片分层编码为基础层和增强层次，利用基于分块运动补偿预测编码技术和DCT变换技术进行基础层编码，利用位平面编码技术对DCT残差进行增强层次编码。

3.根据权利要求1所述的一种用于异构网络分层组播层速率优化方法，其特征在于：步骤B中中继节点采用网络编码法具体为采用层内随机线性网络编码ILRLNC对接收到的分层编码包分别进行编码操作。

4.根据权利要求1所述的一种用于异构网络分层组播层速率优化方法，其特征在于：步骤C中的NRAA算法，具体步骤包括：

31.初始化G(V,E,T,BS)，对于任意接收用户初始化其实际接收速率链路(u,v)∈E带宽C(u,v)；

32.初始化l＝1以及分层总数N＝|T|，第一个分层的接收用户为所有用户，也即T_l＝T；

33.第l(l≤N)个分层的传输子图G_l(V_l,E_l,T_l,BS)的分层速率r_l＝0；

34.第l个分层中的初始化用户序号i＝1，对任意用户进行如下操作：

341运行Edmonds-Karp算法，计算剩余最大流

342如果将用户U_i从T_l中删除；

343更新i＝i+1；

344如果i≤|T_l|，返回341；

35.如果更新实际分层数N＝l，NRAA算法结束；

36.更新第l层的分层速率对任意用户更新用户的实际带宽

37.调用LRBA算法为第l层的链路带宽分配f′(u,v)，求出传输子图

38.更新链路的剩余带宽C(u,v)←C(u,v)-f′(u,v)，更新l＝l+1；

39.如果l≤N，更新T_l＝T_l-1，返回33，否则算法结束。

5.根据权利要求1所述的一种用于异构网络分层组播层速率优化方法，其特征在于：步骤D中LRBA算法中，T_l′中所有用户链路带宽全部用来接收该层数据，剩余带宽值较大的用户集合T″中用户与已经分配链路带宽的用户进行重用后，若用户U_i还需分配的带宽依次选取包含最大节点度max(deg_u)的路径进行链路带宽的分配，其中节点u的度deg_u可以表示为节点u入度indeg_u与出度outdeg_u之和减去1，也即deg_u＝indeg_u+outdeg_u-1。

6.根据权利要求1所述的一种用于异构网络分层组播层速率优化方法，其特征在于：步骤E中PCLRAA算法中，分簇数目和信源分层编码的分层总数一致；L层机制下分层速率的求取类似于N层，都是以接收用户的剩余带宽的最小值作为分层速率，保证用户都能接收到该分层。