CN106412801A - 一种基于视频帧结构和d2d通信的视频多播方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法，基站声明某个视频多播服务，小区中所有感兴趣的用户加入该服务并形成多播簇；以视频编码中的一个基本单位GOP的传输时间为周期，基站将视频流多播给簇内用户；在多播子时隙结束后，用户检查自己收到的信息，将GOP中有分组丢失的帧的序号上报给基站；基站接收用户的反馈信息，根据待修复帧的优先级建立顺序表，建立目标帧ACK‑devices、NACK‑devices之间D2D链路的CQI矩阵；根据CQI矩阵进行中继选择和分组，计算传输目标帧m需要的时间Tm；传输完成，删除顺序表中当前目标帧的序号。本发明有效克服多媒体多播中多播速率总是受到簇内最差衰落信道的影响，从用户角度出发在有限频谱资源内较大程度地提高视频质量。

Description

一种基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法
技术领域
本发明属于无线通信(多媒体多播)技术领域，尤其涉及一种基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法。
背景技术
无线通信采用电磁波进行信息传递，是近些年迅速发展起来的新技术领域，它采用的无线传播手段代替缆线类物理传输媒质，使得用户得以接入网络，因而能够降低成本、提高灵活性和扩展性。自七十年代末美国出现第一个用于商业的蜂窝电话系统，移动无线通信经历了第一代蜂窝网络到第二代移动通信技术(2G)数字蜂窝系统到第三代移动通信技术(3G)宽带无线系统再到长期演进(LTE，Long Term Evolution)，等系统的变迁。通信技术的改进使得用户能够得到越来越高质量的服务。同时，随着因特网和智能终端的飞速发展，手机用户随时随地都可能有庞大的数据业务传输需求，这其中以视频业务占主体。思科公司的报告中曾提出：到2019年，视频流量将是2014年的15倍，占整个移动数据流量的75％。但在如今通信需求大、频谱资源紧张的状况下，网络频谱的使用并不充分。美国联邦委员会的研究报告表明：无线通信频段频谱利用率较低，一些分配的频段非常拥挤，而一些授权频段则长期空闲，尤其蜂窝网络的上行频谱使用随机，利用率不高。如何在利用有限的频谱资源来应对如此爆炸式增长的视频数据流量成了亟待解决的问题。第三代合作伙伴计划(3GPP，the third Generation Partnership Project)提出了一个解决方案就是利用无线传输的天然特性在蜂窝网络中进行广播或者多播称为多媒体广播多播服务(MBMS，Multimedia Broadcast Multicast Service)。在3GPP的R8阶段(3GPP’s Release 8)中，MBMS已经加入LTE标准下并且被扩展成为演进的MBMS(eMBMS,evolved MBMS)。
在eMBMS网络中，多播服务采用传统多播方案(CMS,Conventional MulticastScheme)，基站同时用统一的速率为多播组内用户进行数据传输。在实际应用中，由于不同的用户处在不同的地理位置，从基站到这些用户的信道条件也各不相同。为保证多播组内所有用户都能正确接收到数据，应用多媒体多播其中一个关键的挑战是：如何处理这些各不相同的衰落信道？在这里，我们用一个例子来说明。假设有两个用户，其中一个的信道“好”，另外一个信道较“差”。传统多播方案中，基站(基站)通过较“差”的信道给这些用户多播一个视频流，传输速率较低，视频质量较差。若基站通过“好”信道给用户多播，信道“差”的用户将无法解码。为解决上述问题，学者们提出了各种各样的解决方案。文章“T.P.Low,M.O.Pun,Y.W.P.Hong,and C.C.J.Kuo,Optimized opportunistic multicast scheduling(OMS)over wireless cellular networks”提出了机会多播方案(OMS，opportunisticmulticast scheduling)，就是在每个传输时间间隔内(TTI，TransmissionTimeInterval)，基站只为多播组中信道质量条件“好”的用户进行服务以最大化他们的QoS。这样的做法保证了系统传输速率的提升，但是显然用户的公平性无法得到保证。除了CMS和OMS两种单速率(single-rate)传输方案外。也有一些学者致力于多速率(multi-rate)多播传输方案的研究，比如文章“L.Militano,M.Condoluci,G.Araniti,andA.Iera,Multicastservice delivery solutions in LTE-Advanced systems”和文章“L.Militano et al,Radio resource management for grouporiented services in LTE-A”。多速率传输方案一般的思路是利用用户信道质量条件的差异性，对多播组内用户进行进一步划分，形成子分组，对于不同的子分组采用不同的传输速率进传输。
近年来，设备之间的链路直传被考虑加入多媒体多播服务，来克服上述方案只考虑将基站作为发送端带来的一些缺点。大部分现存的设备直传传输方案的焦点在于，非授权频段上的短距离传输。如文章“S.C.Spinella,G.Araniti,A.Iera,and A.Molinaro,Integration of ad-hoc networks with infrastructured systems for multicastservices provisioning,”，在蜂窝网络中将一些移动终端设备作为传输点，通过多跳ad-hoc Wi-Fi链路为其地理位置附近的其他设备转发从基站处接收到的多播数据。然而这些方案由于工作频段跟蜂窝网络的不统一需要对无线网络的空中接口做一些修改，实际应用性不高。
因此，在蜂窝网络基站统一管理下的D2D(Device-to-Device)通信和多媒体多播结合在一起显得十分必要。引入D2D通信的蜂窝网络有如下优点：1)基站负载低，仅在蜂窝传输模式下，当用户增加或者数据传输需求增大时，基站的负载是呈加和形式的，其相应的数据处理能力和信息传输能力需要很大的提高。而D2D是设备之间的通信，数据传输不经过基站中转，因而减轻了基站的负载压力。2)终端能耗低，属于短距离通信技术，传输路径损耗相对较小，在保证目标信噪比要求下，用户可以在一定程度上降低发射功率。当保持发射功率不变时，可以提高信噪比、增加吞吐量。当小区边缘用户使用D2D技术进行数据传输时，终端无需克服远距离的路径损耗与基站通信，终端设备的直接数据传输有助于减少发射功率、提高服务质量。3)频谱利用率高，用户可以基于网络链路状态及资源使用情况灵活地选择复用的信道，充分调度频谱资源，提高其利用率。短距离通信在提高网络吞吐量的同时，改善了频谱使用情况。4)可靠性高，D2D通信可以复用蜂窝网络的授权频段，通过基站对用户资源分配和功率的控制自身对系统小区的干扰，以此来提供更加稳定可靠的通信环境。D2D通信不同于蓝牙等短距离通信技术，其建立和连接由蜂窝网络系统执行，对于终端而言，属于透明传输，因而改善了用户体验。根据D2D通信所使用的无线资源情况，D2D通信的工作模式可以分为三类：专用模式、复用模式、蜂窝模式。其中，专用模式是指D2D通信用户利用专用的无线资源进行通信。此时，小区内的蜂窝通信用户与D2D通信用户利用的无线资源是相互正交的，相互之间不会产生干扰。复用模式是指D2D通信用户共享小区内其他的蜂窝通信用户的无线资源。因为在蜂窝通信中，存在着上行通信链路和下行通信链路。所以，D2D通信用户既可以复用小区内其他蜂窝通信用户的上行通信链路的资源也可以共用蜂窝通信用户的下行通信链路的资源。当D2D通信工作复共用模式下，蜂窝通信与D2D通信之间会产生干扰。为了保证通信的顺利进行，应该采取有效的干扰控制技术来限制他们之间的干扰。蜂窝模式是指D2D通信需要经过基站进行中继转发，此时，D2D通信不仅需要上行通信链路的资源也需要下行通信链路的资源，跟普通的蜂窝用户没有明显区别。
基于D2D通信的多媒体协作多播方案中，属于同一多播组距离较近的用户直接可以利用蜂窝网络资源进行设备间的链路直传来克服蜂窝网络小区边缘用户服务质量差的问题。属于同一多播组的用户在一个或者多个中继用户周围形成子分组，中继用户从基站直接接收多播数据，而子分组内用户通过中继用户对多播数据进行重传来获得信息。采用该方案可以使得基站使用较高的调制编码方案(MCS，Modulation and Coding Scheme)来为中继用户传输信息，同时中继用户和子分组用户之间由于距离较近采用D2D通信，链路质量也比较高，从而使得整个系统传输速率显著提高。
将D2D通信引入多媒体多播技术中的同时也存在着新的问题如：中继用户如何选择？子分组如何划分？基站如何为不同的子分组划分资源？等。文章“Bin Zhou,Honglin Huet al，Intracluster Device-to-Device RelayAlgorithmWith Optimal ResourceUtilization”提出了自适应的中继数目选择方案以最大化D2D传输时的资源利用率。克服了传统中继选择时选择固定中继带来的问题。文章“Yiqing Zhou et al，Two-StageCooperative Multicast Transmission with Optimized Power Consumption andGuaranteed Coverage”提出了一种在保证有效覆盖率的前提下，最小化传输功率的有效方法。文章“L.Militano et al.,Wi-Fi cooperation or D2D-based multicast contentdistribution in LTE-A:A comparative analysis,”主要解决了中继用户进行D2D传输转发数据时需要资源问题。上述文章中为避免子分组之间的相互干扰，通常假设不同的D2D传输者之间采用相互正交的不同资源。然而这一假设会严重影响可以被作为中继用户的数目以及子分组的结构，从而限制了D2D协作多播的性能提升。为克服这样问题，受多播广播单频网络(MBSFN,Multicast Broadcast Single Frequency Network)中多个基站在进行严格时间同步的基础上在相同频段上同时发送同一信号的启发，文章“Single Frequency-Based Device-to-Device-Enhanced Video Delivery for Evolved MultimediaBroadcast and Multicast Services”提出了中继采用单频的方式进行D2D传输，由于在同一时间所有中继用户采用相同频段发送同一信号，对于子分组中的用户来说，可以将各个中继用户的信号看成是同一信号的多径成分进行处理。该文章中，基站多播时ACK-devices中的所有数据全部转发给NACK-devices，然而这对于视频流传输是实时性允许一定丢包率的业务而言并不是必要的。现有的D2D协作多媒体多播传输方案大多只是一味地提高总吞吐量或者总传输速率，从用户角度来看在视频传输时，若不考虑视频帧结构的特殊性，并不一定会带来视频质量的巨大增益。文章“Yang Cao et al.,Social-Aware VideoMulticast Based on Device-to-Device Communications”提出了结合视频帧结构的多媒体多播方案。利用社交感知，使得同一多播组内的用户形成社交互惠圈，进一步利用D2D通信进行多播数据重传。然而该方法中，由于属于不同社交互惠圈的多播用户可能有相同的数据请求，这些用户分别由同一互惠圈内用户进行一对一重传的方式可能会带来时频资源的浪费。
相比之下，本方案的提出能够有效克服上述方案的一些问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法。通过利用D2D通信，解决传统多媒体多播方案中多播速率受到簇内最差衰落信道影响的问题。通过利用视频帧结构的特殊性，结合用户实际需求，在基站的协助下使得中继用户在同一时间传输相同的内容，解决现有D2D协作多播方案中常见的干扰问题，同时采用单频的资源分配方式，增加中继选择和分组的灵活性并提高频谱效率。
本发明是这样实现的，一种基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法，所述基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法包括以下步骤：
步骤一，基站声明某个视频多播服务，小区中所有感兴趣的用户加入该服务并形成多播簇，共有K个用户；
步骤二，以视频编码中的一个基本单位GOP(Group of Pictures,画面组)的传输为周期，基站将视频流多播给簇内用户
下面以一个周期的长度(也称为一个时隙)为例，对后续步骤进行说明：
步骤三，在多播子时隙结束后，用户检查丢失分组的帧，并将序号上报给基站；
步骤四，基站接收用户的反馈信息，根据待修复帧的优先级建立顺序表，将当前具有最高优先级的帧称为目标帧，建立目标帧ACK-devices、NACK-devices之间D2D链路的CQI矩阵；
步骤五，根据CQI矩阵进行中继选择和分组，计算传输目标帧m需要的时间Tm
步骤六，Tnow表示当前时刻，D2D子时隙开始时初始化为0，Tm+Tnow≤Deadline；若Tm+Tnow＞Deadline返回步骤三，进行下一GOP的传输；
步骤七，中继用户向其组内成员以D2D通信的方式传输目标帧，Tnow＝Tnow+Tm；
步骤八，结束目标帧传输，并将其序号从顺序表中删除，返回步骤四，进行下一目标帧的传输。
进一步，所述步骤四进一步包括：
某个视频帧“价值”越大，优先级越高；
对于具有相同“价值”的视频帧，需要的人数越多，优先级越高。
进一步，所述步骤四进一步包括：根据顺序表中的序号，逐个进行传输，并建立当前目标帧ACK-devices和NACK-devices之间D2D链路的CQI矩阵表，用ck,j表示用户k，j之间D2D链路的CQI等级其中ACK-devices指成功接收目标帧的用户，用UACK表示该用户集合；NACK-devices指目标帧有丢失分组的用户，用UNACK表示该用户集合；且有UNACK∩UACK＝K。
进一步，所述步骤五进一步包括：基站根据目标帧的CQI矩阵进行中继选择和分组；其中r∈R表示作为传输者的ACK-devices，称为中继，R表示中继用户的集合,Dr表示中继用户r的组内成员，接收其所发送数据的NACK-devices，中继选择和分组完成后应满足：
对于所有的r∈R，应有Dr的并集等于NACK-devices的集合，即
进一步，所述步骤五中继选择和分组方法为：
1)对于所有的ACK-devices，只有那些能够保证至少一个到NACK-devices的D2D链路具有最高CQI值的用户才能被选作中继；
2)基站为NACK-devices选择“最好”的中继，也就是使其具有最高CQI值的ACK-devices作为中继；当有多个中继可以保证相同的CQI等级时，基站选择组成员较多的用户作为中继。
通过上述步骤，一方面能够使用较少的中继以减少用户的功率损耗，另一方面，中继用户能够采用较高的MCS，得到较高的频谱效率。
进一步，所述中继选择和分组完成后，中继到其组内成员的D2D通信可以是单播或者多播。可以通过CQI等级计算出每个中继用户在D2D链路上的MCS(Modulation andCoding Scheme，调制编码方案)。若中继用户以多播的方式进行D2D传输，为使所有的组内成员都能正确接收数据，中继用户采用其在CQI矩阵中的最低值r∈R，对应的MCS。由于本方案采用单频的资源分配方式，所有的中继用户都将在D2D子时隙使用相同资源块，因此将采用统一的MCS为其组员服务，为保证所有的NACK-devics都能正确接收数据，采用的MCS应为所有lr中的最小值对应的MCS，lD2D＝min{lr}。
进一步，所述传输目标帧所需要时间的计算方法包括：
若Tm+Tnow≤Deadline，中继用户向其组内成员传输目标帧，并更新Tnow,Tnow＝Tnow+Tm；
若Tm+Tnow＞Deadline，则终止D2D通信，等待传输下一GOP，Tnow＝Tnow；
Tnow表示当前时刻，D2D子时隙开始时初始化为0，每完成一个目标帧的传输，将其消耗的时间累加在Tnow上；
Tm表示传完当前目标帧m需要的时间:
Tm＝Bm/RD2D
其中Bm表示第m帧包含的总比特数bits；RD2D表示D2D通信时，所有中继用户的传输速率bit/s。RD2D＝fD2D*ND2D,fD2D为lD2D对应的MCS，单位为bit/s/Hz；ND2D为D2D子时隙的可用总资源块数。
Deadline为当前时隙的终止时间。
本发明的另一目的在于提供一种所述基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法的视频多播系统，所述视频多播系统包括：
D2D控制器，用于建立和管理用户之间的D2D连接，上述行为都是在基站的协助控制下完成；
帧分析模块，在多播子时隙结束后，用户检查自己收到的信息，将GOP中有分组丢失的帧的序号上报给基站
基站的信息处理模块，处理多播组内用户的反馈信息，根据帧的“价值”和用户需求，建立在D2D通信时帧的传输顺序表并记录序号。同时根据当前目标帧的CQI矩阵，为用户进行中继选择和分组划分，并为D2D通信阶段进行时频资源的分配。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法的多媒体多播广播方法。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法的智能手机终端。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法的计算机。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法的多媒体业务移动收发机。
本发明提供的基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法，联合考虑视频帧结构和用户需求，利用D2D通信技术，有效克服多媒体多播中，多播速率总是受到簇内最差衰落信道的影响，从用户角度出发在有限频谱资源内较大程度地提高视频质量。通过理论计算和仿真分析表明：本发明能够提高多播簇内用户平均有效视频帧比率(valuable videoframe ratio，表示整个视频流的多播传输期间，用户接收到可成功解码的视频帧和基站发送的总视频帧之间的比率)约30％，提高视频图像的峰均信噪比(PSNR，Peak Signal toNoise Ratio)10dB左右。在第一阶段进行传统多播，在同一多播组内正确解码目标帧的用户称为“ACK-Devices”，而未能成功解码的用户称为“NACK-Devices”。然后在第二阶段中继用户和其组内成员之间通过D2D通信的方式进行数据重传，由于D2D通信收/发者之间距离很近，因此信道增益相比于基站到NACK-devices之间有很大的提高，能够产生更大的速率。本发明从多媒体传输中视频帧结构的特殊性以及用户的实际需求出发，对同一GOP内不同类型帧的重要程度划分等级，对于优先级越高的帧越先传输，以保证能够利用有限的资源，进行最有效的数据重传。同时，由于本发明在第二阶段即D2D通信阶段能够使得所有中继同一时间传输相同的内容，能够有效避免干扰，频谱资源分配的也更加灵活。通过采用单频的资源分配方式，所有中继用户使用相同的频谱资源与其组内成员进行D2D通信，这样一方面能够提高频谱效率，另一方面由于不同分组之间传输速率相同，保证了所有NACK-devices同一时间完成目标数据块(目标帧)的传输，不存在“拖后腿”的现象，节省了时间资源。
将视频帧结构的特殊性和传统多媒体多播有效结合，能够从用户需求出发，对视频帧的重要程度划分等级。如在实际应用中，假设多播簇内所有用户已成功接收I帧，本发明在D2D子时隙时优先传输P帧，使得NACK-devices通过现有的I帧就能成功解码，提升视频质量。在之后的D2D子时隙的每一轮(Round)中，如果能够成功接收B帧，那么将进一步提升视频质量；而即使没有成功接收，对于用户而言视频质量也比先前要好，保证了在有限时频资源内，传输最有效的数据。在频谱资源分配方面：现有的D2D协作两阶段多播方案中，基站为不同的分组分配不同的正交资源块以避免干扰。这样的资源分配方式频谱效率还有待提高。本发明由于同一时间不同中继传输相同的数据，不存在干扰问题，可以采用单频的D2D通信方式。在D2D子时隙直接将可用资源整块分配给充当中继用户，能够有效提高频谱利用率。且每次传输目标帧时，所有中继同时传完，同步性好，节约了时间资源。本发明提供的技术可广泛应用于智能手机终端，各种类型的计算机等硬件设备以及所有支持多媒体业务移动收发机中。多媒体多播可以应用在一些重要的场景如：1)体育赛事的现场直播，比如著名的奥运会等是在网络上有直播资源并可用在手机上进行观看的；2)突发性的新闻视频，如突发的自然灾害和军队战争等消息发生时，许多人会试图在移动设备比如手机上，对这一相同的消息进行点击。这些大约在同一时间提出的数据请求可以通过多播传输的方式进行批处理。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法流程图。
图2是本发明实施例提供的蜂窝网络中的多媒体多播场景示意图。
图3是本发明实施例提供的GOP结构图，其中从帧X指向帧Y表示，X帧的解码需要帧Y的信息。
图4是本发明实施例提供的GOP传输和播放示意图。
图5是本发明实施例提供的基于视频帧结构和D2D通信的视频多播系统工作流程图。
图6是本发明实施例提供的基于视频帧结构和D2D通信的视频多播系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施的基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法包括以下步骤：
S101：基站声明某个视频多播服务，小区中所有感兴趣的用户加入该服务并形成多播簇，共有K个用户；
S102：以视频编码中的基本单位一个GOP(Group of Pictures,画面组)的传输时间为周期，基站将视频流多播给簇内用户；
S103：以一个周期的长度(也称为一个时隙)为例进行说明，在多播子时隙结束后，用户检查丢失分组的帧，并将序号上报给基站；
S104：基站接收用户的反馈信息，根据待修复帧的“价值”建立顺序表，将当前具有最高优先级的帧称为目标帧，建立目标帧ACK-devices、NACK-devices之间D2D链路的CQI矩阵；
S105：根据CQI矩阵进行中继选择和分组，计算传输目标帧m需要的时间Tm；
S106：Tnow表示当前时刻，D2D子时隙开始时初始化为0，Tm+Tnow≤Deadline；若Tm+Tnow＞Deadline返回步骤S103，进行下一GOP的传输；
S107：中继用户向其组内成员以D2D通信的方式传输目标帧，Tnow＝Tnow+Tm；
S108：结束目标帧传输，并将其序号从顺序表中删除，返回步骤S104，进行下一目标帧的传输。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
对应用本发明时使用的系统模型进行描述。如图2所示，考虑在LTE系统下的单小区结构，一个具有K个用户的集合ψ＝{1,2,...,K}，属于相同的多播簇。基站分配M个RB(Resource Block)资源块为用户进行视频多播，其中RB是LTE系统下分配给用户的最小频谱单位。用户待接收视频流用{GOP1,GOP2,...,GOPn}表示，以一个GOP的传输时间为周期，基站将视频流多播给簇内用户。进一步，用C表示可用CQI等级数目，用ck,j∈{1,2,...,C}表示用户k，j之间D2D链路的CQI等级k,k≠j。每个CQI等级关联一个指定的MCS。对于给定的MCSm∈{1,2,...,C}可得到的速率取决于该特定MCS下对应的频谱效率bm(bit/s/Hz)和分配的资源块数Mm。
不失一般性，本发明作以下假设：
a.视频流通过使用GOP(Group ofPictures,画面组)结构进行编码来减少自身的总带宽需求，常用的编码规范有MPEG-4和H.264。如图3所示，一个GOP由多个编码帧组成，这些编码帧通常分为三类：I帧、P帧、B帧。I帧即Intra-coded picture(帧内编码图像帧)，不参考其他图像帧，只利用本帧的信息进行解码；P帧即Predictive-coded Picture(预测编码图像帧)，利用之前的I帧或P帧，采用运动预测的方式进行帧间预测解码；B帧即Bidirectionally predicted picture(双向预测编码图像帧)，提供最高的压缩比，它既需要之前的图像帧(I帧或P帧)，也需要后来的图像帧(P帧)，采用运动预测的方式进行帧间双向预测解码。
b.视频传输时，以一个GOP为基本单位周期性地进行传输，同时GOP中的每个编码帧被处理成多个分组。跟浏览网页或者下载文档等数据传输不同的是，视频传输是一个对时延要求高的实时业务；也就是说，一旦开始播放，小区中的用户希望视频可以连续顺畅地播放，因此，每个GOP都被赋予了一个Deadline(最后期限)，一旦错过Deadline该GOP将会被丢弃。
如图4所示，考虑视频流的每一个GOP有一个最大容忍时延，该时延和一个GOP的播放时间相等。基站在Deadline之前缓存一个GOP的所有数据并且尽它可能向用户发送。当Deadline到达，该GOP会被基站丢弃。
将一个GOP从开始传输到该GOP终止传输的时间间隔，称为一个周期，也称为时隙(phase)。如图5所示，本发明中系统的工作流程图是基于时间划分的。每个时隙被划分成两部分，多播子时隙(Multicast Sub-phase)，D2D子时隙(D 2D Sub-phase)。在每个时隙的开头，基站以一个GOP为基本单位对视频流进行多播直到多播子时隙结束。在D2D子时隙时，用户之间相互共享数据，帮助部分用户进行重传，修复丢失分组的帧以提高视频质量。进一步，将传输一个目标帧在D2D子时隙中占用的时间称为一轮(Round)，在每个Round的开头，都有一个窗(Window)，在这个时间段内，进行具体的操作是：
1)建立传输某目标帧的ACK-devices和NACK-devicesz直接D2D链路的CQI矩阵；
2)进行中继选择和分组并由基站进行资源分配；
3)计算传输该目标帧需要的时间；每个Round中剩下的时间将进行D2D通信来传输目标帧。
通过现存的文献可以知道，D2D通信可以根据使用频段类型的不同分为两种：
1)带宽内(in-band)D2D通信:D2D通信占用的频段和普通蜂窝网络中占用的频段相同。因此，D2D和蜂窝链路通过同一个空中接口共享相同频谱资源。
2)带宽外(out-band)D2D通信：D2D通信占用的频段和普通蜂窝网络中占用的频段不同，比如5GHz或者38GHz。显然这种方式下D2D连接和蜂窝连接可以通过不同的空中接口同时进行。
c.由于在本方案场景中，多播簇内用户短距离通信的特点和其较低的移动性，D2D链路的信道状态一个Round内看以看作是静态的。在LTE-A网络中，用户可以用CQI(ChannelQuality Information)衡量信道质量。基于CQI，传输者(基站或者用户)可以选择某个链路上最大程度上支持的调制编码方案(MSC，Modulation and coding scheme)。通过利用信道反馈和CQI-MCS映射表，传输者选择合适的MCS，使得接收端可以正确解码。对于给定的MCSm∈{1,2,...,C}可得到的速率取决于该特定MCS下对应的频谱效率bm(bit/s/Hz)和分配的资源块数Mm。
fm＝bm*Mm；
其中fm表示传输速率(bit/s)。
表1表示一个CQI和MCS映射的示例。
表1
当基站试图给多播簇内具有不同信道质量条件的用户进行视频多播时，基站必须选择一个的MCS。用ci表示，用户i的CQI值，用cmin表示能正确解码基站多播数据所要求的最小信道质量条件。若ci≥cmin，用户i可以正确解码该分组，否则认为对于用户i而言，该分组丢失。
进一步，多播簇内用户之间D2D链路的CQI值在每个CQI反馈(CFC,CQI feedbackcycle)中进行更新，其反馈周期可以是一个或多个TTI(一个TTI等于1ms)。
如图5所示，本发明实施例的基于视频帧结构和D2D通信的视频多播系统包括：
帧分析模块：帧分析模块存在于用户终端。经过分析，用户可以知道哪些帧的分组在多播子时隙中丢失，成为D2D通信时待传输的目标帧。
不同的视频帧在GOP中扮演不同的角色。为考虑视频帧结构特殊性并达到提高视频质量的目的，本发明中将赋予每个帧一个“价值”来表示该帧的重要程度，用vh表示第h帧的“价值”。其中：
表示在一个GOP中，需要第h帧才能正确解码的最大帧数。
举例说明：在一个GOP中有一个I帧，2个P帧，4个B帧，如图3所示。那么显然I帧有因为P帧和B帧都依靠I帧才能解码。
基站的信息处理模块：处理多播簇内用户的反馈信息，根据待修复帧的“价值”和用户需求，建立顺序表；将当前顺序表中具有最高优先级的帧称为目标帧，建立目标帧的ACK-devices和NACK-devices之间D2D链路的CQI矩阵；根据当前目标帧的CQI矩阵，进行中继选择和分组，以及时频资源的分配。
D2D控制器：本发明是在基站控制下进行的D2D协作多播。其中，每个节点(基站或者用户)中都有一个D2D控制器，负责建立和管理用户之间的D2D连接。具体来说，由基站统一的管理，通过基站信息处理模块后，能够进行D2D通信的用户之间会在基站的协助下建立D2D连接。
下面对本发明实施例中的每一个步骤进行具体的说明：
1)D2D用户簇的形成：基站声明某个视频多播服务，小区中所有感兴趣的用户试图加入该服务。同时由于在相近地理环境的用户常常具有相同数据请求的特点，比如音乐会的现场或者是重大新闻事件的发生地。利用这一特性，用户在基站的控制下聚簇，称为D2D用户簇或者多播簇。基站以统一控制的方式对用户的通信进行调度管理。
2)基站进行多播时，以视频编码中的一个基本单位(GOP)的传输时间为周期进行传输。下面以一个GOP的传输过程(一个时隙的长度)为例进行说明：基站从源节点接收数据在多播子时隙向簇内的用户在M个RB上进行多播。需要注意的是，由于本方案将传统的一阶段多播分成D2D通信协作下的两阶段多播。多播阶段MCS的选择上有很大不同。
传统的一阶段多播中，一个GOP的多播时间为整个时隙T，设其对应的调制编码方案为m1。在本方案中，一个GOP的多播时间仅为多播子时隙T1，设其对应的调制编码方案为m2。显然由于T>T1，在使用相同RB数目的条件下，本方案的频谱效率更高，基站多播时采用更高的MCS。虽然由于MCS的提高，在第一阶段用户能正确解码的帧数变少，但在第二阶段，通过D2D协作重传，多播簇内用户之间进行数据共享，第一阶段不完整的帧得以修复。
通过对中继用户的合理选择，基站可以使用高性能的MCS将数据传输到中继用户，同时具有高信道增益的D2D链路使得中继用户和小区边缘用户之间也能使用较高的MCS。
3)多播完成后，每个用户检查自己丢失分组的帧，并通过进行帧分析过程，将情况上报给基站，基站通过以下规则建立一个顺序表：
a.若某个视频帧具有比较高的vh值，优先级越高；
b.对于具有相同vh值的帧，需要的人数越多的帧，优先级越高。
4)选择顺序表中具有最高优先级的帧作为目标帧，优先进行D2D传输。假设目标帧序号为h,建立第h帧ACK-devices和NACK-devices之间D2D链路的CQI矩阵：
其中ACK-devices指成功接收第h帧的用户，用UACK(h)表示该用户集合；NACK-devices指该帧有丢失分组的用户，用UNACK(h)表示该用户集合。且有UNACK(h)∩UACK(h)＝K。为方便表示，通常用UACK、UNACK表UACK(h)、UNACK(h)。表格2为例进行说明:
表格2 ACK-NACK设备之间的CQI矩阵
5)基站根据目标帧的CQI矩阵进行中继选择和分组。其中r∈R表示作为传输者的ACK-devices，称为中继，R表示中继用户的集合,Dr表示中继用户r的组内成员，接收其所发送数据的NACK-devices，中继选择和分组完成后应满足：被选做中继的ACK-devices应能够成功为所有NACK-devices传输目标帧，也就是说对于所有的r∈R，应有Dr的并集等于NACK-devices的集合，
中继选择和分组策略：
在这一步中要解决的问题是：如何以最有效的方式进行对目标帧进行D2D重传。显然在频谱资源一定的情况下，传输目标帧花费的时间越少，顺序表中后面的帧越有机会进行重传，从用户角度而言视频质量越好。
以第h帧为例，设第h帧包含的比特数为Bh.当只有一个ACK-devices作为中继时，D2D传输消耗的最小时频资源可表示为：
在给定频谱资源数的情况下，上式可简化为D2D传输消耗的最小时间，
其中ekj表示用户k，j在D2D链路上的频谱效率，单位为bit/s/Hz，由该链路CQI等级对应的调制编码方案决定。表示当任意一个ACK-devices作为中继时，D2D多播的频谱效率由该中继到所有组内成员中(当只有一个中继时，组员为全部的NACK-devices)最差的信道质量条件即最小的CQI等级决定。表示选择某一ACK-devices作为中继，以消耗最小的时频资源，得到最高的资源。
通过上式可以发现，当中继数目为一个时，传输目标帧需要的时间资源由某个中继和该中继到所有NACK-devices中最差的信道质量条件决定。若将中继数目增加至两个，中继用户分别只需要为一部分NACK-devics服务。利用D2D信道之间的差异性，可以将原来较低的单一速率，变成两个较高的D2D多播速率。
两中继时，传输目标帧消耗的最小时间可表示为：
其中，i，j表示作为中继的ACK-devices。Di，Dj分别代表接收中继用户i，j发送数据的NACK-devics的集合。表示以i，j作为中继的分组中，各自D2D多播的调制编码方案。各自D2D多播的调制编码方案。别需要的时间。表示只有“最慢”的分组传输完成，才算完成目标帧的传输。进一步，由于本方案采用单频的资源分配方式，在中继选择和分组完成后，各个中继使用相同的频谱资源进行D2D重传，因此必须采用相同的MCS。因此在D2D传输阶段采用的调制编码方案为所有中继中采用的最小调制编码方案。即
同理，当选择L个ACK-devices作为中继时，传输目标帧消耗的最小时间表示为：
由于MCS和CQI是一一对应的关系，反应到CQI上，上式子可改写为：
为使，目标函数cost最小，显然应有cd2d最大，进一步应有各个分组中最差D2D链路的CQI等级最大。为保证达到这一目标，应采取的做法是：
基站为NACK-devices选择“最好”的中继，也就是使其具有最高CQI值的ACK-devices作为中继；当有多个中继可以保证相同的CQI等级时，基站选择组成员较多的用户作为中继。
下面是算法流程，其中3-10行一个筛选过程：对于所有的ACK-devices，只有那些能够保证至少一个到NACK-devices的D2D链路具有最高CQI值的用户才能被选作中继。
中继选择和分组完成后，在D2D子时隙的调制编码方案中继用户r∈R传输速率为：RD2D＝lD2D*M；lD2D为cd2d映射的调制编码方案。
计算传完当前目标帧所需要的时间：
由于基站建立的顺序表中会有多个帧需要在D2D子时隙时传输。随着目标帧的传输，计算顺序表后面的帧是否还有足够的时间进行D2D重传显得十分必要。同时，由于视频传输是一种“try best”的业务，不像文件下载一样必须保证所有的数据都完整的接收到，它容忍一定的丢包率。当D2D传输进行到某一目标帧时，若通过计算得出该帧已经没有足够的时间在本时隙中传输。则终止当前目标帧的D2D传输，将直接等待传输下一GOP。即：
若Tm+Tnow≤Deadline，中继用户向其组内成员传输目标帧，Tnow＝Tnow+Tm；
若Tm+Tnow＞Deadline，则不再进行D2D通信，等待传输下一GOP，Tnow＝Tnow；
Tnow表示当前时刻，D2D子时隙开始时初始化为0，每完成一个目标帧的传输，将其消耗的时间累加在Tnow上；
Tm表示传完当前目标帧m需要的时间:
Tm＝Bm/RD2D
其中Bm表示第m帧包含的总比特数bits；RD2D表示D2D通信时的传输速率bit/s。
6)若有足够的时间传输下一目标帧，则按照5)中的速率进行D2D通信。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法，其特征在于，所述基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法包括以下步骤：
步骤一，基站声明某个视频多播服务，小区中所有感兴趣的用户加入该服务并形成多播簇；
步骤二，以视频编码中的一个基本单位GOP(Group of Pictures,画面组)的传输时间为周期，基站将视频流多播给簇内用户；
下面以一个周期的长度(也称为一个时隙)为例，对后续步骤进行说明：
步骤三，在多播子时隙结束后，用户检查检查自己收到的信息，将GOP中有分组丢失的帧的序号上报给基站；
步骤四，基站接收用户的反馈信息，根据待修复帧的“价值”建立顺序表，将当前具有最高优先级的帧称为目标帧，建立目标帧ACK-devices、NACK-devices之间D2D链路的CQI矩阵；
步骤五，根据CQI矩阵进行中继选择和分组，计算传输目标帧m需要的时间Tm；
步骤六，Tnow表示当前时刻，D2D子时隙开始时初始化为0，Tm+Tnow≤Deadline；若Tm+Tnow＞Deadline返回步骤三，进行下一GOP的传输；
步骤七，中继用户向其组内成员以D2D通信的方式对目标帧进行重传，Tnow＝Tnow+Tm；
步骤八，目标帧传输完成，将其序号从顺序表中删除，返回步骤四，进行下一目标帧的传输。
2.如权利要求1所述的基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法，其特征在于，所述步骤四进一步包括：
某个视频帧“价值”越大，优先级越高；
对于具有相同“价值”的视频帧，需要的人数越多，优先级越高。
3.如权利要求1所述的基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法，其特征在于，所述步骤四进一步包括：根据顺序表中待传帧的序号，逐个进行传输，建立当前目标帧ACK-devices和NACK-devices之间D2D链路的CQI矩阵表，用ck,j表示用户k，j之间D2D链路的CQI等级，其中ACK-devices指成功接收目标帧的用户，用UACK表示该用户集合；NACK-devices指目标帧有丢失分组的用户，用UNACK表示该用户集合；且有UNACK∩UACK＝K。
4.如权利要求1所述的基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法，其特征在于，所述步骤五进一步包括：基站根据目标帧的CQI矩阵进行中继选择和分组；其中r∈R表示作为传输者的ACK-devices，R表示中继用户的集合,Dr表示中继用户r的组内成员，即接收中继用户r发送数据的NACK-devices集合，中继选择和分组完成后应满足：
对于所有的r∈R，应有Dr的并集等于NACK-devices的集合，即
所述步骤五中继选择和分组方法为：
1)对于所有的ACK-devices，只有那些能够保证至少一个到NACK-devices的D2D链路具有最高CQI值的用户才能被选作中继；
2)基站为NACK-devices选择“最好”的中继，也就是使其具有最高CQI值的ACK-devices作为中继；当有多个中继可以保证相同的CQI等级时，基站选择组成员较多的用户作为中继；
所述中继选择和分组完成后，中继到其组内成员的D2D通信可以是单播或者多播；同时根据CQI等级，可以计算出每个中继用户在D2D链路上的MCS；若中继用户以多播的方式进行D2D传输，为使所有的组内成员都能正确接收数据，中继用户采用其在CQI矩阵中的最低值r∈R，对应的MCS；所有的中继用户在D2D传输时使用相同资源块，因此采用统一的MCS为其组员服务；为保证所有的NACK-devices都能正确接收数据，此时的MCS为所有lr中最小值对应的MCS，lD2D＝min{lr}；
所述目标帧传输需要的时间的计算方法包括：
若Tm+Tnow≤Deadline，中继用户向其组内成员传输目标帧，Tnow＝Tnow+Tm；
若Tm+Tnow＞Deadline，则不再进行D2D通信，等待传输下一GOP，Tnow＝Tnow；
Tnow表示当前时刻，D2D子时隙开始时初始化为0，每完成一个目标帧的传输，将其消耗的时间累加在Tnow上；
Tm表示传完当前目标帧m需要的时间:
Tm＝Bm/RD2D
其中Bm表示第m帧包含的总比特数bits；RD2D表示D2D通信时，所有中继用户的传输速率bit/s。RD2D＝fD2D*ND2D,fD2D为lD2D对应的MCS，单位为bit/s/Hz；ND2D为D2D子时隙的可用总资源块数；
Dealine表示一个时隙的结束时间。
5.一种如权利要求1所述基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法的视频多播系统，其特征在于，所述视频多播系统包括：
D2D控制器，用于建立和管理用户之间的D2D连接，上述行为都是在基站的协助控制下完成；
帧分析模块，在多播子时隙结束后，用户检查自己收到的信息，将GOP中有分组丢失的帧的序号上报给基站；
基站的信息处理模块，处理用户的反馈信息，根据帧的“价值”和用户需求，建立D2D子时隙中帧的传输顺序表并记录序号；根据当前目标帧的CQI矩阵，为用户进行中继选择和分组，并为D2D通信阶段进行时频资源的分配。
6.一种应用权利要求1-4任意一项所述基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法的多媒体多播广播方法。
7.一种应用权利要求1-4任意一项所述基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法的智能手机终端。
8.一种应用权利要求1-4任意一项所述基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法的计算机。
9.一种应用权利要求1-4任意一项所述基于视频帧结构和D2D通信的视频多播方法的多媒体业务移动收发机。
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