CN105636189A - 可分层编解码视频在无线自组织网络中的传输控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可分层编解码视频在无线自组织网络中的传输控制方法，包括以下步骤：初始化设置；源节点m从各层获取控制变量的值，并计算本层的变量最优值；从应用层和物理层分别获取平均传输速率r_m(i)、p_l(i)以及p_l(i)等参数，网络中每个节点更新其两个控制变量：每个节点把更新后的控制变量发送到邻居节点；在整个网络运行期间，循环执行前述步骤，以保持上层应用层信息和下层物理层变化的实时协调和最优更新。本发明利用的分布式算法避免了控制开销的全网传播，通过节点的局部信息交换和独立解决相应子问题，达到底层资源分配和上层可分层编解码视频传输内容选择的最优匹配；快速收敛到最优解，并能实现可分层编解码视频的平均传输质量和网络总功率消耗的最优权衡。

Description

可分层编解码视频在无线自组织网络中的传输控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术领域，特别是涉及一种可分层编解码视频的在无线网络中的传输和控制方法。

背景技术

可分层编解码视频流可以在一定程度上根据所处的传输环境实现灵活的速率和视频质量的自适应调整。近来，可分层编解码视频在无线网络中的传输问题得到广泛关注。但目前的研究主要集中在单跳无线网络，如蜂窝网中基站可以集中式地控制整个小区的资源调度和为多个用户选择视频流传输的内容。

无线自组织网络(如无线mesh网和无线传感器网络)具有成本低、部署快、可靠性高以及可覆盖边缘或环境恶劣的区域等优点，是实现未来无处不在的接入网和物联网的潜在技术之一。然而，由于节点功率受限、上层可用网络传输容量(能力域)与底层资源分配的紧耦合性，以及要求传输协议具有可扩展性和服务质量保证等特点，可分层编解码视频流在无线自组织网络中传输面临着更多挑战。

为了提高无线自组织网络的功率效率，需要对可分层编解码视频流的传输参数进行最优控制。同时，可分层编解码视频流在较大的无线自组织网络中传输算法还需要分布式实现，以提高其可扩展性。

发明内容

基于上述现有技术及其存在的问题，本发明提出了一种可分层编解码视频在无线自组织网络中的传输控制方法，针对无线自组织网络可分层编解码视频流传输中两个重要性能参数(网络功率消耗和传输视频质量)的最优权衡，实现了底层资源分配(带宽和功率)与上层可分层编解码视频流传输内容选择的最佳匹配。

本发明提出了一种可分层编解码视频在无线自组织网络中的传输控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、初始化设置：设置源节点m的应用层可分层编解码视频质量的加权系数为γ_m，该节点所有无线链路l功率消耗的加权系数为η_l；

步骤2、初始化设置：设置物理层正则化常量ε、节点网络可用频带带可用带宽b以及时隙长度；每个节点n保存两个可更新的控制变量λ_n(i)和μ_n(i)，其中i表示当前时隙号；

步骤3、初始化设置：设置跨层协调模块中的控制变量更新的两个固定步长θ和δ，并初始化两个控制变量λ_n(i)和μ_n(i)_；

步骤4、源节点m从各层获取控制变量的值，并计算本层的变量最优值，具体包括以下处理：

分层编解码视频流的源节点m采用基于MGS-temporal层的选择策略：应用层首先确定当前其帧需要发送的视频层其中表示帧z只发送基本层，而表示帧z发送基本层和前t个MGS层；较低时序层的低MGS层、较低时序层的高MGS层、较高时序层的低MGS层、较高时序层的高MGS层，直到公式(1)取得可分层编解码视频源m的质量q_m的最大值：

Maximizeγ_mq_m(Π_m)-λ_mr_m(Π_m)(1)

其中， $q_m\left({\mathrm{\Π}}_m\right)=\frac{10}{Z_m}\underset{z=1}{\overset{Z_m}{\Σ}}{\log }_{10}\[p^2/d_m^z\left({\mathrm{\Π}}_m\right)\]$ 为可分层编解码视频源m的质量，是Π_m的函数，p是该视频像素的最大亮度值，而是帧z的失真。不同的发送策略对应不同的平均传输速率r_m，也是Π_m的函数，即r_m(Π_m)；为节点m的可分层编解码视频帧传输策略矢量，其中，为节点m的可分层编解码视频帧传输策略矢量，表示帧z只发送基本层，而表示帧z发送基本层和前t个MGS层；

链路层从跨层协调模块中获取控制变量后首先计算每个链路当前时隙的权值，α_l＝λ_s(l)-λ_e(l)，β_l＝μ_s(l)+μ_e(l)，其中，s(l)为链路的发射端节点，e(l)为链路的接收端节点。其次，获取所有链路当前时隙信道的增益系数h_l。最后，网络中所有链路的发射端节点分别根据公式(2)和公式(3)计算该链路在当前时隙所分配的带宽w_l和功率p_l，

$w_l=\frac{{\mathrm{\α}}_l\[{\log }_2\left(\frac{{\mathrm{\α}}_l{h}_l}{{\mathrm{\η}}_{l}ln2}\right)-\frac{1}{ln2}\]+{\mathrm{\η}}_l/h_l-{\mathrm{\β}}_l}{2\mathrm{\ϵ}}---\left(2\right)$

$p_l=w_l{\log }_2(\frac{{\mathrm{\α}}_l}{{\mathrm{\η}}_{l}ln2}-\frac{1}{h_l})---\left(3\right)$

其中，h_l为链路l的在当前时隙的信道增益；每个链路发射端节点测量并保存链路的在当前时隙的信道增益；

网络层根据链路层分配的带宽和功率传输其发送队列中的数据，每个链路l上最大可能承载的当前网络层传输速率为f_l(i)＝w_llog₂(1+p_l(i)h_l(i)/w_l(i))；

步骤5、从应用层和物理层分别获取r_m(i)、p_l(i)以及w_l(i)等参数，网络中每个节点根据公式(4)和(5)更新其两个控制变量：

${\mathrm{\λ}}_m(i+1)={\[{\mathrm{\λ}}_m\left(i\right)+\mathrm{\θ}\left(\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}{H}_{ml}{f}_l\right(i)-r_m(i\left)\right)\]}^{+}---\left(4\right)$

${\mathrm{\μ}}_m(i+1)={\[{\mathrm{\μ}}_m\left(i\right)+\mathrm{\δ}(b-\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}{x}_{ml}{w}_l(i\left)\right)\]}^{+}---\left(5\right)$

其中，i为当前时隙号；H_ml＝1表示节点m是链路l的发射端节点，而H_ml＝-1表示节点m是链路l的接收端节点，否则H_ml＝0；如果链路l属于节点m，则x_ml＝1，否则x_ml＝0；

步骤6、每个节点把更新后的两个控制变量发送到邻居节点；

步骤7、在整个网络运行期间，步骤4-6循环执行，以保持上层应用层信息和下层物理层变化的实时协调和最优更新。

与现有技术相比，本发明利用的分布式算法避免了控制开销的全网传播，通过节点的局部信息交换和独立解决相应子问题，达到底层资源分配和上层可分层编解码视频传输内容选择的最优匹配；快速收敛到最优解，并能实现可分层编解码视频的平均传输质量和网络总功率消耗的最优权衡。

附图说明

图1为本发明的可分层编解码视频在无线自组织网络中的传输控制方法流程图；

图2本发明在无线自组织网络的分层模型中的实施方法。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，为本发明的可分层编解码视频在无线自组织网络中的传输控制方法流程图。

初始化：

网络的整个运行时间划分为时隙，每个时隙长度固定且是根据网络需求预先确定。根据网络应用要求和运营策略等确定视频质量加权系数和无线链路功率消耗的加权系数；设置每个节点的两个控制变量的初值，并保存在相应的节点中；设置正则化常量；两个控制变量更新的固定步长；设置各节点网络可用频带带宽；

每个分层编解码视频流的源节点采用基于MGS-temporal层的选择其当前帧的发送策略；

链路上计算加权值和信道增益：

每条链路的发射端节点根据该链路两端节点的控制变量计算该链路的当前加权值。每个链路发射端节点测量并保存链路的在当前时隙的信道增益。

链路上功率和带宽分配：

网络中所有链路的发射端节点根据链路的当前加权值、链路的信道系数以及视频质量与无线链路功率消耗的加权系数等分配链路功率和带宽。链路根据分配的功率和带宽传输其发送队列中的视频数据。

节点更新控制变量并广播：

网络中所有节点根据其当前视频流的帧速率、网络功率和带宽分配结果更新其两个控制变量；每个节点向邻居节点广播其更新后的控制变量；

在整个视频流发送过程的每个时隙都循环执行步骤(2)到(6)，直到网络中视频流传输完毕。

当前的网络传输采用分层模型，本发明在实际实施中涉及节点中应用层、网络层和物理层的跨层交互以及节点之间的消息交互。下面结合网络分层模型阐述本发明的最大实施方式。

如图2所示，采用本发明进行可分层编解码视频的传输时参数与分层模型对应方式为：可分层编解码视频质量的加权系数为γ_m、无线链路l功率消耗的加权系数为η_l、视频发送的策略参数Π_m、质量评价参数q_m(Π_m)以及视频帧速率r_m(Π_m)等属于应用层参数；每个链路上的流速率f_l(i)属于网络层参数；每个链路上的分配的带宽w_l和功率p_l属于物理层参数；而每个节点的两个控制变量λ_n(i)和μ_n(i)是跨层、跨节点交互协调参数，实际实施中设置一个跨层协调模块来进行该参数的保存、更新、交换等维护功能。具体实施方式如下：

步骤1、设置源节点m的应用层可分层编解码视频质量的加权系数为γ_m，该节点所有无线链路l功率消耗的加权系数为η_l，其值确定后在整个网络运行过程中不变；

步骤2、设置物理层正则化常量ε、节点网络可用频带可用带宽b以及时隙长度；每个节点n保存两个可更新的控制变量λ_n(i)和μ_n(i)，其中i表示当前时隙号；

步骤3、设置跨层协调模块中的控制变量更新的两个固定步长θ和δ，并初始化两个控制变量。

步骤4、节点中各层从跨层协调模块中获取控制变量的值，并计算本层的变量最优值，方式如下：

(1)分层编解码视频流的源节点m采用基于MGS-temporal层的选择策略：应用层首先确定当前其帧需要发送的视频层其中表示帧z只发送基本层，而表示帧z发送基本层和前t个MGS层。本发明采用采用基于MGS-temporal层的选择策略，其方法为：较低时序层的低MGS层、较低时序层的高MGS层、较高时序层的低MGS层、较高时序层的高MGS层，直到公式(1)取得可分层编解码视频源m的质量q_m的最大值。

Maximizeγ_mq_m(Π_m)-λ_mr_m(Π_m)(1)

其中， $q_m\left({\mathrm{\Π}}_m\right)=\frac{10}{Z_m}\underset{z=1}{\overset{Z_m}{\Σ}}{\log }_{10}\[p^2/d_m^z\left({\mathrm{\Π}}_m\right)\]$ 为可分层编解码视频源m的质量，是Π_m的函数，p是该视频像素的最大亮度值，而是帧z的失真。不同的发送策略对应不同的平均传输速率r_m，也是Π_m的函数，即r_m(Π_m)；为节点m的可分层编解码视频帧传输策略矢量，其中，为节点m的可分层编解码视频帧传输策略矢量，表示帧z只发送基本层，而表示帧z发送基本层和前t个MGS层；

(2)链路层从跨层协调模块中获取控制变量后首先计算每个链路当前时隙的权值，α_l＝λ_s(l)-λ_e(l)，β_l＝μ_s(l)+μ_e(l)，其中，s(l)为链路的发射端节点，e(l)为链路的接收端节点。其次，获取所有链路当前时隙信道的增益系数h_l。最后，网络中所有链路的发射端节点分别根据公式(2)和公式(3)计算该链路在当前时隙所分配的带宽w_l和功率p_l，

$w_l=\frac{{\mathrm{\α}}_l\[{\log }_2\left(\frac{{\mathrm{\α}}_l{h}_l}{{\mathrm{\η}}_{l}ln2}\right)-\frac{1}{ln2}\]+{\mathrm{\η}}_l/h_l-{\mathrm{\β}}_l}{2\mathrm{\ϵ}}---\left(2\right)$

$p_l=w_l{\log }_2(\frac{{\mathrm{\α}}_l}{{\mathrm{\η}}_{l}ln2}-\frac{1}{h_l})---\left(3\right)$

其中，h_l为链路l的在当前时隙的信道增益；每个链路发射端节点测量并保存链路的在当前时隙的信道增益。

(3)网络层根据链路层分配的带宽和功率传输其发送队列中的数据，每个链路l上最大可能承载的当前网络层传输速率为f_l(i)＝w_llog₂(1+p_l(i)h_l(i)/w_l(i))。

步骤5、跨层协调模块从应用层和物理层分别获取r_m(i)、p_l(i)以及p_l(i)等参数，网络中每个节点根据公式(根据公式(10)和(11)更新其两个控制变量：

${\mathrm{\λ}}_m(i+1)={\[{\mathrm{\λ}}_m\left(i\right)+\mathrm{\θ}\left(\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}{H}_{ml}{f}_l\right(i)-r_m(i\left)\right)\]}^{+}---\left(4\right)$

${\mathrm{\μ}}_m(i+1)={\[{\mathrm{\μ}}_m\left(i\right)+\mathrm{\δ}(b-\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}{x}_{ml}{w}_l(i\left)\right)\]}^{+}---\left(5\right)$

其中，i为当前时隙号；H_ml＝1表示节点m是链路l的发射端节点，而H_ml＝-1表示节点m是链路l的接收端节点，否则H_ml＝0。如果链路l属于节点m，则x_ml＝1，否则x_ml＝0。

步骤6、每个节点跨层协调模块把更新后的控制变量发送到邻居节点的跨层协调模块。

步骤7、在整个网络运行期间，步骤4-6需要循环执行，以保持上层应用层信息和下层物理层变化的实时协调和最优更新。

Claims (1)

1.一种可分层编解码视频在无线自组织网络中的传输控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(1)、初始化设置：设置源节点m的应用层可分层编解码视频质量的加权系数为γ_m，该节点所有无线链路l功率消耗的加权系数为η_l；

步骤(2)、初始化设置：设置物理层正则化常量ε、节点网络可用频带带可用带宽b以及时隙长度；每个节点n保存两个可更新的控制变量λ_n(i)和μ_n(i)，其中i表示当前时隙号；

步骤(3)、初始化设置：设置跨层协调模块中的控制变量更新的两个固定步长θ和δ，并初始化两个控制变量λ_n(i)和μ_n(i)；

步骤(4)、源节点m从各层获取控制变量的值，并计算本层的变量最优值，具体包括以下处理：

分层编解码视频流的源节点m采用基于MGS-temporal层的选择策略：应用层首先确定当前其帧需要发送的视频层其中表示帧z只发送基本层，而表示帧z发送基本层和前t个MGS层；较低时序层的低MGS层、较低时序层的高MGS层、较高时序层的低MGS层、较高时序层的高MGS层，直到公式(1)取得可分层编解码视频源m的质量q_m的最大值：

Maximizeγ_mq_m(Π_m)-λ_mr_m(Π_m)(1)

其中，为可分层编解码视频源m的质量，是Π_m的函数，p是该视频像素的最大亮度值，而是帧z的失真；不同的发送策略对应不同的平均传输速率r_m，也是Π_m的函数，即r_m(Π_m)；为节点m的可分层编解码视频帧传输策略矢量，其中，为节点m的可分层编解码视频帧传输策略矢量，表示帧z只发送基本层，而表示帧z发送基本层和前t个MGS层；

链路层从跨层协调模块中获取控制变量后首先计算每个链路当前时隙的权值，α_l＝λ_s(l)-λ_e(l)，β_l＝μ_s(l)+μ_e(l)，其中，s(l)为链路的发射端节点，e(l)为链路的接收端节点。其次，获取所有链路当前时隙信道的增益系数h_l。最后，网络中所有链路的发射端节点分别根据公式(2)和公式(3)计算该链路在当前时隙所分配的带宽w_l和功率p_l，

$w_l=\frac{{\mathrm{\α}}_l\[{\log }_2\left(\frac{{\mathrm{\α}}_l{h}_l}{{\mathrm{\η}}_{l}ln2}\right)-\frac{1}{ln2}\]+{\mathrm{\η}}_l/h_l-{\mathrm{\β}}_l}{2\mathrm{\ϵ}}---\left(2\right)$

$p_l=w_l{\log }_2(\frac{{\mathrm{\α}}_l}{{\mathrm{\η}}_{l}ln2}-\frac{1}{h_l})---\left(3\right)$

其中，h_l为链路l的在当前时隙的信道增益；每个链路发射端节点测量并保存链路的在当前时隙的信道增益；

网络层根据链路层分配的带宽和功率传输其发送队列中的数据，每个链路l上最大可能承载的当前网络层传输速率为f_l(i)＝w_llog₂(1+p_l(i)h_l(i)/w_l(i))；

步骤(5)、从应用层和物理层分别获取r_m(i)、p_l(i)以及w_l(i)参数，网络中节点m根据公式(4)和(5)更新其两个控制变量：

${\mathrm{\λ}}_m(i+1)={\[{\mathrm{\λ}}_m\left(i\right)+\mathrm{\θ}(\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}{H}_{ml}{f}_l\left(i\right)-r_m(i\left)\right)\]}^{+}---\left(4\right)$

${\mathrm{\μ}}_m(i+1)={\[{\mathrm{\μ}}_m\left(i\right)+\mathrm{\δ}(b-\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}{x}_{ml}{w}_l(i\left)\right)\]}^{+}---\left(5\right)$

其中，i为当前时隙号；H_ml＝1表示节点m是链路l的发射端节点，而H_ml＝-1表示节点m是链路l的接收端节点，否则H_ml＝0；如果链路l属于节点m，则x_ml＝1，否则x_ml＝0；

步骤(6)、每个节点把更新后的两个控制变量发送到邻居节点；

步骤(7)、在整个网络运行期间，步骤(4)-(6)循环执行，以保持上层应用层信息和下层物理层变化的实时协调和最优更新。