CN105406945B - 一种多基站系统中可伸缩视频的多播资源分配及传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多基站系统中可伸缩视频的多播资源分配及传输方法，其特征是按如下步骤进行：1一个蜂窝小区内的移动设备接收不同基站传输过来的数据；2将视频流分割成基础层和增强层；3基站控制中心为每个视频层选择一个合适的传输基站决定使用哪种调制编码方式；4多基站根据指定调制编码方式对视频层进行传输，并计算系统中移动设备所接收到的视频层总数及系统效用值。本发明有效利用频谱资源，增加整个系统的效用值，有效提高网络环境整体的吞吐量，从而为用户提供到更好的视频服务质量。

Description

一种多基站系统中可伸缩视频的多播资源分配及传输方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体的说是一种多基站系统中可伸缩视频的多播资源分配及传输方法。
背景技术
随着电信技术的发展，3G和4G技术已经被用于视频点播，在线视频，在线游戏IPTV等等，下一代无线通信技术5G面向2020年无线移动网络整体需要具备1000倍的移动流量提供能力，单位面积吞吐量需要达到目前4G的1000倍甚至更高(100Gbps/km2以上)。其中视频服务占据79％的市场总流量。所以，为了提高蜂窝网络的整体性能，提高日益短缺的频谱资源利用率，满足设备对传输速率的需求的相关技术成为当前技术研究的热点。为了合理的分配视频多播组的有限资源，在下一代移动通信网络中解决视频多播中资源分配的两个关键性技术：自适应调制编码技术(Adaptive modulation and coding，AMC)和可伸缩视频编码(Scalable Video Coding，SVC)技术，使得网络环境内的移动设备的接收到更好的视频质量，提高系统的整体效用。
Liu,LiB,Zhang YQ..An end-to-end adaptation protocol for layered videomulticast using optimal rate allocation[C].in IEEE Transactions on WirelessCommunications,2004深入考虑了无线网络中可伸缩视频多播问题，将问题分解为两个子问题：视频流间资源分配问题以及视频流内部视频层分割与资源分配问题。针对这两个问题，他们提出了基于动态规划的视频流资源分配和视频层资源分配算法，并且算法支持用户采用一个通用效用函数，但是该文献模型中并没有结合自适应调制编码技术对各个视频层选择合适的调制编码方式，而是仅仅为每个视频层分配合适的带宽资源。
Huang C W,Huang S,Wu P H,et al..Opportunistic layered multicastingfor scalable IPTV over Mobile WiMax[J].IEEE Transaction on Mobile Computing,2012将机会传输、分层编码以及自适应编码相结合，提出了一种用户Wimax(802.16)带宽无线网络的多播传输方案。但是该文献中只提出两种可用的调制编码方案，在实际的传输过程中并不能有效的提高系统效用。
Deb S，Jaiswal S，Nagaraj K..real-time video multicast in WiMAXnetworks[C].IEEE International Conference on Communication phoenix，2008将可伸缩视频多播和自适应编码向结合，通过为每个视频层选择不同的调制编码方案来优化网络中视频多播的资源分配，提高系统性能，但该算法的性能还有待一定的提高。
Li P L，Zhang H H，Zhang B H，et al..Scalable video multicast withadaptive modulation and coding in broadband wireless data system[J].IEEETransaction networking，2012在基于可伸缩视频多播的自适应调制编码的模型基础上提出了动态规划算法来求解资源分配的最优解，但是其复杂度较高，在实际的传输中并不能达到实时性的要求。而且所有以上的研究成果都是在单基站系统下，即一个区域内的用户只能被一个基站所覆盖，所以性能并不能得到有效的提高。
Burchardt H,Haas H,et al..Multicell cooperation:evolution ofcoordination and cooperation in large-scale networks[C].IEEE MWC,2013提出了一种分布式协作控制的多基站系统，在该系统中每个基站能够协作的为小区的边缘用户提供数据服务并且能够独立的选择自己的数据传输方案，并且为了更好的协作进行数据传输，假设一个基站不仅能够传输数据给用户而且可以分享数据给相邻的基站。
Tajika.Y,Higuchi.K and Taoka.H..Muting-Based Partially Non-OrthogonalBlock Diagonalization in Multiuser MIMO with Limited Channel StateInformation Feedback[C].IEEE VETECF,2012在多基站系统中增加的用户反馈机制，规定距离小区边缘距离小于Δ的用户可以发送信道瞬时的信息给基站，通过用户的反馈信息基站可以选择一个合适的数据传输方案进而增加用户的平均吞吐量。
但是所有以上的多基站协作系统的研究都只是在多基站多小区下的传输，即在同一个区域内只有一个基站存在，多个基站在多个小区内进行协作，不同基站使用同一段频带资源，并且多基站之间会有数据传输的干扰，而对于终端来说，每个用户只能被一个基站所覆盖。然而在实际的网络系统中一个小区往往能被多个不同的基站所覆盖，不同的终端设备可以接收不同基站传输的服务数据，因此，在同一个区域下的多基站系统在当前并没有得到过多的研究。
发明内容
本发明为克服现有技术存在的不足之处，提供一种多基站系统中可伸缩视频的多播资源分配及传输方法，以期能有效利用频谱资源，增加整个系统的效用值，有效提高网络环境整体的吞吐量，从而为用户提供到更好的视频服务质量。
本发明为达到上述发明目的采用如下技术方案：
本发明一种多基站系统中可伸缩视频的多播资源分配及传输方法的特点是，所述多基站系统是由服务器、基站控制中心BSC、K个基站、Ns个移动设备组成；在所述多基站系统中，K个基站使用不同的频段，且第k个基站包含Tk个资源粒子数；1≤k≤K；第i个移动设备能接收任意个基站传输过来的视频数据；1≤i≤Ns；假设K个基站要传输一个视频流s给Ns个移动设备，则基站控制中心BSC是按如下步骤进行一个视频流s内的资源粒子的分配及视频流s的传输：
步骤1、所述服务器中的视频编码器将所述视频流s分割为由一个基础层和L个加强层构成的L+1个视频层，并通过光纤传输给所述基站控制中心BSC；令所述L+1个视频层中第l个视频层的传输速率为λl；
步骤2、令所述基站控制中心BSC的调制编码方式为MCS＝{MCS1,MCS2,...,MCSm,...,MCSM}；MCSm表示第m种调制编码方式；所述M种调制编码方式MCS是按照消耗的资源粒子数从大到小排列而成的；1≤m≤M；
步骤3、所述基站控制中心BSC根据Ns个移动设备的信道状况和K个基站的瞬时资源状况，利用贪婪算法为第l个视频层选择相应的调制编码方式以及传输第l个视频层的基站；从而为L+1个视频层分配相应的调制编码方式以及所要传输的基站；完成一个视频流s内的资源粒子的分配；
步骤4、K个基站根据各自所分配的调制编码方式，按照各个视频层的传输速率，并通过消耗一定的资源粒子数，从而向Ns个移动设备传输相应的视频层；完成一个视频流s的传输；
步骤5、利用式(1)计算Ns个移动设备的效用值之和U：
式(1)表示Ns个移动设备的累计效用函数值；式(1)中，ri表示第i个移动设备的累计速率；U(ri)表示第i个移动设备的效用函数值；
式(2)表示每个视频层只能选择一种调制编码方式进行传输；式(2)中，ζl,m为编码指示函数，表示当第l个视频层使用第m种调制编码方式MCSm进行传输时，编码指示函数ζl,m为1，否则，编码指示函数ζl,m为0；
式(3)表示每个视频层只能被一个基站所传输；式(3)中，为传输指示函数，表示当视频流的第l个视频层由第k个基站进行传输时，传输指示函数为1，否则，传输指示函数为0；
式(4)表示每个基站传输视频层消耗的资源粒子数目不能多于各个基站自身所拥有的资源粒子数；式(4)中，τl,m表示第l个视频层在传输速率λl下使用第m种调制编码方式MCSm进行调制编码时所消耗的资源粒子数。
本发明所述的多播资源分配及传输方法的特点也在于，所述步骤3中的贪婪算法是按如下步骤进行：
步骤3.1、初始化l＝1；
步骤3.2、初始化m＝1；
步骤3.3、所述基站控制中心BSC根据K个基站各自所覆盖的移动设备数量，选择覆盖移动设备数量最多的基站作为第l个视频层的传输基站，记为第maxl个传输基站；
步骤3.4、利用式(5)计算第l个视频层使用第m种调制编码方式MCSm所消耗的资源粒子数τl,m：
τl,m＝λl/βm (5)
式(5)中，βm表示使用第m种调制编码方式MCSm时单个资源粒子所能承担的传输速率；
步骤3.5、比较第maxl个传输基站的资源粒子数Tmaxl大于等于第l个视频层使用第m种调制编码方式MCSm所消耗的资源粒子数τl,m是否成立，若成立，则表示第maxl个传输基站能使用第m种调制编码方式MCSm进行第l个视频层的传输，并执行步骤3.6；否则，将m+1赋值给m，并返回步骤3.4顺序执行，直到m＝M为止；
步骤3.6、将Tmaxl-τl,m赋值给Tmaxl，从而更新所述第maxl个传输基站的资源粒子数；
步骤3.7、将l+1赋值给l，并返回步骤3.3顺序执行，直到l＝L为止；
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明相对于传统蜂窝视频多播，引入了多基站的概念，多个基站之间可以进行数据的协作传输，系统根据用户的信道状况以及基站的资源可以为每个视频层选择更合理的资源分配方案，与传统的单基站系统相比多基站之间可以更好的分享数据信息，提高了系统的容量，可以为用户提供更好的视频服务质量。
2、本发明提出了多基站系统下的资源分配方案，与传统的单基站系统相比，多基站系统可以更好的共享数据，提出的资源分配算法考虑了用户信道状况以及多基站的资源状况，与单基站资源分配算法相比，明显提高了系统的视频质量。
3、本发明将自适应调制编码方案和可伸缩视频编码相结合，基站控制中心在传输的时候，从视频流的基础层开始逐步为每个视频层选择合适的调制编码方式，合理而有效的为每个视频层分配资源粒子，解决了频谱资源紧张问题，在保证系统数据传输实时性的同时最大限度提高了系统的效用值。
附图说明
图1为本发明的网络环境模型；
图2为本发明流程图。
具体实施方式
本实施例中，一种多基站系统中可伸缩视频的多播资源分配及传输方法，是在对多基站系统中数据传输的资源分配方案，如图1所示，多基站系统是由服务器、基站控制中心BSC、K个基站、Ns个移动设备组成；服务器直接与基站控制中心连接，并通过可靠链路把数据传输给基站控制中心，基站控制中心根据用户实时的信道状况以及每个基站的资源粒子状况对系统进行可伸缩视频多播的资源分配，从低层到高层，指定一个最大限度覆盖用户的基站作为该视频层的传输基站，并为每个视频层选择合适的调制编码方式，直到所有的视频层传输完毕或者所有基站都没有足够的资源粒子传输一个视频层为止。资源粒子是指系统中最小资源分配单位，它可以是指系统带宽的时域、频域，也可以是时域与频域的结合；在多基站系统中，K个基站使用不同的频段，且第k个基站包含Tk个资源粒子数；1≤k≤K；第i个移动设备能接收任意个基站传输过来的视频数据；1≤i≤Ns；假设K个基站要传输一个视频流s给Ns个移动设备，则如图2所示，基站控制中心BSC是按如下步骤进行一个视频流s内的资源粒子的分配及视频流s的传输：
步骤1、服务器中的视频编码器将视频流s分割为由一个基础层和L个加强层构成的L+1个视频层，并通过光纤传输给基站控制中心BSC；令L+1个视频层中第l个视频层的传输速率为λl；
假设网络环境中，有一个基站控制中心和三个基站，三个基站的拥有频段分别选择在2.5G、2G以及888M，三个基站对应的资源粒子分别为40(A)、30(B)以及20M(C)，发送功率分别为46dBm、43dBm以及33dBm，100个移动用户随机的分布在离基站350到1000米的环形区域内，天线增益和噪声指数为17dB和5dB,网络环境中的路径损耗模型为：PL(dB)＝35.2+35log10d，其中d为用户离基站的距离，以米为单位，通过对该模型可以计算出每个用户可以解码的调制编码方案，对于不同的用户，他可以接收不同的基站传输过来的数据；服务器中的视频编码器利用可伸缩视频编码方法将一个视频流分割成一个基础层和5个增强层，同过光纤传输给基站控制中心；并且各个视频层间存在依赖性，任何一层没有被移动设备正确解码，那么所有这一层以上的视频层对设备都是无效的，尽管移动设备可以接收到该层也不能正确解码。也就是说，只有所有的第1层到第l-1个视频层被移动设备接收并正确解码后，视频层l才对该设备是有效的；此模型中，假设基站传输6层视频层中的每个视频层的固定速率是64Kbps；
步骤2、令基站控制中心BSC的调制编码方式为MCS＝{MCS1,MCS2,...,MCSm,...,MCSM}；MCSm表示第m种调制编码方式；M种调制编码方式MCS是按照消耗的资源粒子数从大到小排列而成的；1≤m≤M；
本实施例中，假设系统可用的调制编码方式MCSm共计6种，记为{MCS1,MCS2,...,MCS6}，如表1，MCS的标识索引值越大，也就是调制编码方式级别越高，单位资源粒子能够承担传输数据数率越大，在固定层速率下消耗的资源粒子也就越少，但是它对用户的信噪比要求就越高,设备的链路质量越好，所能支持的调制编码方式级别越高，同时他就越能得到更好的视频服务质量；
表1 不同MCS的参数对比表
M 调制方式 编码码率 单位粒子承担速率(Kbps) SNR范围(dB)
1 QPSK 1/2 4.8 [3.716，5.947]
2 QPSK 3/4 7.2 [5.947，9.659]
3 QAM 1/2 9.6 [9.659，12.361]
4 QAM 3/4 14.4 [12.361，16.699]
5 QAM 2/3 19.2 [16.699，17.962]
6 QAM 3/4 21.6 [17.962，+∞)
步骤3、基站控制中心BSC根据Ns个移动设备的信道状况和K个基站的瞬时资源状况，利用贪婪算法为第l个视频层选择相应的调制编码方式以及传输第l个视频层的基站；从而为L+1个视频层分配相应的调制编码方式以及所要传输的基站；完成一个视频流s内的资源粒子的分配；
本实施例中，基站控制中心BSC采用贪婪算法为每个视频层选择合适的传输基站以及调制编码方式。贪婪算法的选择的结果是以从视频层的基础层开始为每层选择合适的传输基站以及分配合适的调制编码方式，对每一层基站控制中心BSC都会选择能最大限度覆盖用户的基站作为该层的传输基站，并选择一个最能增加系统效用值的调制编码方式作为该层的调制编码方式，；并且规定一个视频流的第l视频层使用MCSm进行调制编码，那么该视频流的第l+1层如果被传输则使用的调制编码级别必须大于传输第l层视频层所使用的调制编码方式，具体的说，步骤3中的贪婪算法是按如下步骤进行：
步骤3.1、初始化l＝1；
步骤3.2、初始化m＝1；
步骤3.3、基站控制中心BSC根据K个基站各自所覆盖的移动设备数量，选择覆盖移动设备数量最多的基站作为第l个视频层的传输基站，记为第maxl个传输基站；
在网络环境的一个帧中，三个基站分配的资源粒子数分别为40(A)、30(B)以及20(C)，利用贪婪算法为从视频流的基础层开始逐步为设备的每个视频层选择合适的传输基站，由表2用户的瞬时状况可知，此时能最大限度增加接收该层用户数量的基站为基站A，则选择基站A为该层的传输基站；
表2 一种状态下基站传输时系统用户的瞬时状况
基站类型 A B C
该瞬时时刻解码MCS1的用户个数 86 72 69
步骤3.4、利用式(1)计算第l个视频层使用第m种调制编码方式MCSm所消耗的资源粒子数τl,m：
τl,m＝λl/βm (1)
式(1)中，βm表示使用第m种调制编码方式MCSm时单个资源粒子所能承担的传输速率；
步骤3.5、比较第maxl个传输基站的资源粒子数Tmaxl大于等于第l个视频层使用第m种调制编码方式MCSm所消耗的资源粒子数τl,m是否成立，若成立，则表示第maxl个传输基站能使用第m种调制编码方式MCSm进行第l个视频层的传输，并执行步骤3.6；否则，将m+1赋值给m，并返回步骤3.4顺序执行，直到m＝M为止；
从视频流的最底层开始，对于基础层层，最能增加系统效用函数值的调制编码方式为MCS1，则基站控制中心会选择MCS1作为该层的调制编码方式；因为基站A为该层的传输基站，当基站A使用MCS1传输该层时，第1种调制编码方式中单个资源粒子能达到的传输速率为4.8Kbps，所需的用户信噪比是3.716dB，则在该阶段中，基站A在传输该层时消耗的资源粒子个数为τl,m＝[λl/βm]＝[64Kbps/4.8Kbps]＝14；在基站A中剩余的资源粒子数为TA-τl,m＝40-14＝26；
步骤3.6、将Tmaxl-τl,m赋值给Tmaxl，从而更新第maxl个传输基站的资源粒子数；
步骤3.7、将l+1赋值给l，并返回步骤3.3顺序执行，直到l＝L为止；
当为视频流的第二层选择资源分配方案时，表3为此时三个基站传输该层能够接收到该层的用户状况，则基站控制中心BSC选择基站B为该层的传输基站；根据贪婪准则，贪婪算法为视频层的第二个视频层所分配的调制编码方式为第2种调制编码方式MCS2，若基站B选择MCS2来传输第二个视频层时，第2种调制编码方式MCS2中单个资源粒子能达到的传输速率为7.2Kbps，此时所需要的信噪比要达到5.947dB，则基站B传输该视频层消耗的资源粒子个数为τl,m＝[λl/βm]＝[64Kbps/7.2Kbps]＝9；并剩余TB-τl,m＝30-9＝21个资源粒子；依次按照上述分配，直至6个视频层传输完毕，则表示基站完成一帧中所有视频层资源粒子的分配，或者直到三个基站剩余的资源粒子都不能为每个视频层选择一个合适的调制编码方案为止；
表3 另一种状态下基站传输时系统用户的瞬时状况
基站类型 A B C
该瞬时时刻解码MCS2的用户个数 60 76 68
步骤4、K个基站根据各自所分配的调制编码方式，按照各个视频层的传输速率，并通过消耗一定的资源粒子数，从而向Ns个移动设备传输相应的视频层；完成一个视频流s的传输；
前一步基站控制中心BSC根据整个系统用户的信道状况以及三个基站的资源粒子情况为每一个视频层选择了一个合适的传输基站以及调制编码方式，当视频层的传输方案制定过后基站控制中心BSC把该视频层传输给特定的基站，该基站接收到视频层后对它进行指定的调制编码方式的编码，并按照要求的传输速率通过无线链路传输给系统用户；
步骤5、利用式(2)计算Ns个移动设备的效用值之和U：
式(2)表示Ns个移动设备的累计效用函数值；式(2)中，ri表示第i个移动设备的累计速率；U(ri)表示第i个移动设备的效用函数值；
式(3)表示每个视频层只能选择一种调制编码方式进行传输；式(3)中，ζl,m为编码指示函数，表示当第l个视频层使用第m种调制编码方式MCSm进行传输时，编码指示函数ζl,m为1，否则，编码指示函数ζl,m为0；
式(4)表示每个视频层只能被一个基站所传输；式(4)中，为传输指示函数，表示当视频流的第l个视频层由第k个基站进行传输时，传输指示函数为1，否则，传输指示函数为0；
式(5)表示每个基站传输视频层消耗的资源粒子数目不能多于各个基站自身所拥有的资源粒子数；式(5)中，τl,m表示第l个视频层在传输速率λl下使用第m种调制编码方式MCSm进行调制编码时所消耗的资源粒子数。
假设系统效用函数为与用户接收速率r成正相关性的非负非递减函数log10r，并且用户接收速率具有累加性，例如，如上所述一个视频层的层速率为64Kbps，若一个用户有效接收到两个视频层，则他的接收速率为128Kbps，根据可伸缩视频编码的特点可知移动用户要想解码视频层l，则他必须要正确的解码之前的第1～l-1层；由前几个步骤可知系统可以有效传输的视频层为一个基础层和4个加强层，每层的固定速率是64Kbps，将数值代入式(2)，最后所得网络环境中系统效用函数值是：741.8，代表整个网络环境的数据吞吐量。

Claims (1)

1.一种多基站系统中可伸缩视频的多播资源分配及传输方法，其特征是，所述多基站系统是由服务器、基站控制中心BSC、K个基站、Ns个移动设备组成；在所述多基站系统中，K个基站使用不同的频段，且第k个基站包含Tk个资源粒子数；1≤k≤K；第i个移动设备能接收任意个基站传输过来的视频数据；1≤i≤Ns；假设K个基站要传输一个视频流s给Ns个移动设备，则基站控制中心BSC是按如下步骤进行一个视频流s内的资源粒子的分配及视频流s的传输：
步骤1、所述服务器中的视频编码器将所述视频流s分割为由一个基础层和L个加强层构成的L+1个视频层，并通过光纤传输给所述基站控制中心BSC；令所述L+1个视频层中第l个视频层的传输速率为λl；
步骤2、令所述基站控制中心BSC的调制编码方式为MCS＝{MCS1,MCS2,...,MCSm,...,MCSM}；MCSm表示第m种调制编码方式；所述M种调制编码方式MCS是按照消耗的资源粒子数从大到小排列而成的；1≤m≤M；
步骤3、所述基站控制中心BSC根据Ns个移动设备的信道状况和K个基站的瞬时资源状况，利用贪婪算法为第l个视频层选择相应的调制编码方式以及传输第l个视频层的基站；从而为L+1个视频层分配相应的调制编码方式以及所要传输的基站；完成一个视频流s内的资源粒子的分配；
所述步骤3中的贪婪算法包括：
步骤3.1、初始化l＝1；
步骤3.2、初始化m＝1；
步骤3.3、所述基站控制中心BSC根据K个基站各自所覆盖的移动设备数量，选择覆盖移动设备数量最多的基站作为第l个视频层的传输基站，记为第maxl个传输基站；
步骤3.4、利用式(5)计算第l个视频层使用第m种调制编码方式MCSm所消耗的资源粒子数τl,m：
τl,m＝λl/βm (5)
式(5)中，βm表示使用第m种调制编码方式MCSm时单个资源粒子所能承担的传输速率；
步骤3.5、比较第maxl个传输基站的资源粒子数大于等于第l个视频层使用第m种调制编码方式MCSm所消耗的资源粒子数τl,m是否成立，若成立，则表示第maxl个传输基站能使用第m种调制编码方式MCSm进行第l个视频层的传输，并执行步骤3.6；否则，将m+1赋值给m，并返回步骤3.4顺序执行，直到m＝M为止；
步骤3.6、将赋值给从而更新所述第maxl个传输基站的资源粒子数；
步骤3.7、将l+1赋值给l，并返回步骤3.3顺序执行，直到l＝L为止；
步骤4、K个基站根据各自所分配的调制编码方式，按照各个视频层的传输速率，并通过消耗一定的资源粒子数，从而向Ns个移动设备传输相应的视频层；完成一个视频流s的传输；
步骤5、利用式(1)计算Ns个移动设备的效用值之和U：
目标函数：
约束条件：
式(1)表示Ns个移动设备的累计效用函数值；式(1)中，ri表示第i个移动设备的累计速率；U(ri)表示第i个移动设备的效用函数值；
式(2)表示每个视频层只能选择一种调制编码方式进行传输；式(2)中，ζl,m为编码指示函数，表示当第l个视频层使用第m种调制编码方式MCSm进行传输时，编码指示函数ζl,m为1，否则，编码指示函数ζl,m为0；
式(3)表示每个视频层只能被一个基站所传输；式(3)中，为传输指示函数，表示当视频流的第l个视频层由第k个基站进行传输时，传输指示函数为1，否则，传输指示函数为0；
式(4)表示每个基站传输视频层消耗的资源粒子数目不能多于各个基站自身所拥有的资源粒子数；式(4)中，τl,m表示第l个视频层在传输速率λl下使用第m种调制编码方式MCSm进行调制编码时所消耗的资源粒子数。
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