CN109150405B - 一种基于tv白频段的视频组播传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TV白频段的视频组播传输方法，包括搭建无线视频组播传输网络、CR基站对视频进行SVC编码处理、进行频谱检测和实现最资源调度五大步骤。本发明使用认知无线电技术提高了对TV白频段的利用率，采用SVC技术对视频进行编码使用户获得与之信道质量相匹配的视频，物理层采用AMC信道编码技术与视频编码SVC技术相匹配保证链路质量，提出以最大比例公平性为资源调度准则，用复杂度较低的二进制粒子群算法的启发式算法获得最优资源调度的次优解，解决资源调度问题，本方法提高了系统的吞吐量和接收视频质量，实现了根据用户信道质量使其接收与之相匹配的高质量视频的目的。

Description

一种基于TV白频段的视频组播传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术技术领域，尤其涉及一种基于TV白频段的视频组播传输方法。

背景技术

近年来，随着智能手机、平板电脑等便携式智能终端的逐渐普及，人们观看视频的方式已经不局限于电脑和电视，人们更倾向于在乘车、候机或步行的时候观看视频，随着4G网络的全覆盖应用，移动视频数据流量在所有移动数据流量中将占有更大的比例。

无线视频业务的开展需要巨量的带宽支持，当前频谱资源严重缺乏，很大一部分原因来源于日益增长的移动多媒体应用，智能电子产品的进一步普及，必将对当前已经濒临崩溃的移动通信网络造成更大的冲击。

在这种情况下，各移动网络运营商的承载网络不堪重负，其他一些非视频业务，如手机上网，收发邮件，即时通讯也受到了宽带被严重压缩的风险，而利用TV白频段来承载宽带消耗巨大的视频传输业务，一方面可以的缓解无线通讯领域频谱资源短缺这一日益严重的问题，另一方面又能充分利用TV白频段。

视频单播传输方法为每个用户分配单独的信道资源传输视频数据，消耗大量的宽带资源。因此用组播的形式来解决上述问题，无线视频组播首先需要进行信源编码来减少要传输的数据量，随着视频编码技术的快速发展，H.264/MPEG-4AVC可以提供很好的压缩比，但是这些技术的应用使得视频变成一种非常苛刻的应用，对丢包和比特误差等错误非常敏感，目前的视频编码不能直接用于无线视频传输，因为这种编码方案输出的固定的码流码率，无线视频传输中，用户的信道质量不同，固定码流码率的编码方式为了照顾信道质量差的用户只能选择该用户能承受的码率，这种方式对信道质量好的用户是不公平的，当前的无线视频技术由应用层的视频编码和物理的信道编码所支持，而在协议分层设计思想的指导下，这两层的技术是彼此独立的进行研究设汁的，这也导致无线视频传输缺少鲁棒性和可扩展性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于TV白频段的视频组播传输方法，能够提高吞吐量和接收视频质量，保证用户接收与自己信道质量相匹配的视频。

根据本发明实施例的一种基于TV白频段的视频组播传输方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建无线视频组播传输网络，设置基本参数；

步骤2：CR基站对视频进行SVC编码处理：CR基站运用SVC技术对视频进行编码，将视频编码成一个基本层和两个增强层，基本层用来保证最基本的视频质量，增强层用来提高视频质量，在物理层中采用自适应调制编码(AMC)，每种编码方案均由一种调制方案以及一种具备不同的编码速率的前向纠错方案(FEC)组成，具有不同的频谱效率(BUR)，一般编码方案的BUR越高，其覆盖范围越小，将M中信道编码方案按照编码效率升序排列为[MC₁，…，MC_m]，并且规定任意视频进行SVC编码后第m层视频采用MC_m进行发送；

步骤3：无线频谱的检测：直接对接收到的时域信号进行采样求模，然后求其平方即可得到；

步骤4：无线频谱的选择：当获得当前各UHF信道状态后，基站将会进行频谱选择操作以获取最优工作频段，在频谱选择过程中对多个连续的可用信道实行绑定操作以获得更大的频宽，由于频谱跨越度越大，系统被主用户打断的概率越大，因此在频谱选择过程中设置一个衰减因子η∈(0,1)来限制频谱的跨越度，将频谱选择归纳为如下问题数学表达式：

s.t:π_i＝1，i＝c+1,···,c+l；

这里B_i表示信道i的频宽；一般的，UHF信道具有相同的频宽，即B₁＝B₂＝···＝B_i；

步骤5：实现最优资源调度：为了进一步提高整体接收到的视频质量，本发明使用跨层优化子载波调度机制，即当获得新的子载波频谱感测数据时，执行子载波调度机制，这样能够实现最优的无线频谱的分配，保证用户获得与自己信道质量相匹配的视频资源。

优选的，所述步骤1中搭建无线视频组播传输网络具体步骤如下：考虑一个集中的单跳CR网络搭配几个主要网络，主要网络拥有优先使用UHF频段的权利，由于主用户传输，每个UHF频段的可用性随着时间而变化，由N个移动CR用户和CR基站组成的CR网络可以在不干扰主用户的前提下机会性地接入这些UHF频段，假设基站配备了S个宽可调的全向天线，它们是相互独立的，在不同的频带上工作，每个CR用户还配备了一个广泛可调的天线，可以在任何UHF频段与基站进行通信；

假设C个UHF信道，每个UHF信道的带宽为B，UHF信道是CR系统机会接入的潜在候选者，在特定时间内，CR用户i可以根据其当前位置潜在地访问UHF频道的子集。该信息可以由

表示：

为了防止多个CR系统同步访问可用信道导致的“二级干扰”，这种干扰不是致命的，但仍然对认知交流造成严重的影响，因此，本发明引入一个额外的信道度量，称为预期信干噪比

定义如下：

P_i表示CR用户i的接收功率，

是i从UHF信道c上监听到的二次干扰功率值，N₀为加性高斯白噪声。

优选的，所述步骤5中实现最优资源调度具体步骤如下：

步骤5.1：设所获取的频段为F，跨越度为W_F，系统采用正交频分复用技术(OFDM)调制方式来接入所获取的频段，且每个子载波具有频宽为(f，则系统共具备K＝ζBW_F/Δf个子载波，这里ζ表示OFDM频率复用因子；令k＝1，…，K表示子载波的序号，且用户i在子载波k上的信噪比为γ_i,k，对每个多播组g，得到其在子载波k上能够正确接收到视频层m的用户集合：

L_g,m,k＝{i|i∈N_g,Υ_m＜γ_i,k＜Υ_m+1}；

定义视频g的速率集为R_g＝{v_g,1,...,v_g,M}，这里

步骤5.2：在资源调度过程中，为了确定子载波序列{1，…，K}与各个视频节目{1，…，G}的各个视频层{1，…，M}之间的最优映射关系和为了各个子载波确定最优的MCS方案，采用的资源调度准则是最大化比例公平性，即保证各个用户尽可能的获得与其信道条件相匹配的视频质量，资源调度准则公式化表达如下：

步骤5.3：给定资源分配矩阵L，求得多播组g中能够正确接收采用MCS方案MC_m进行编码的数据的节点总数

这里

表示集合

中所包含的节点总数，由此得：

这里，

表示用户的接收质量，表示如下：

由于底层频谱资源来源于即时感知的结果，具有高度的不确定性，因此，在资源调度过程中，必须考虑如下两种情况：

当

时，底层频谱资源足以支撑所有视频层的传输，这时不用考虑底层优先分配限制和最低速率限制，因此可以将最优资源调度问题数学化表达如下：

当

时，底层频谱资源不足以支撑所有视频层的传输，这时必须要考虑底层优先分配限制和最低速率限制，因此，这种情况下的最优资源调度问题数学化表达如下：

步骤5.4：用二进制粒子群算法求解：首先初始化参数，在初始化过程中，首先给出粒子的初始位置，并且每个粒子的初始速度

根据ω_t更新粒子速度：

根据迭代索引t更新粒子位置：

当迭代达到预先设置的最大迭代算法终止，得出资源调度的最优解，实现子载波的最优分配，使无线视频组播质量得到优化。

本发明中的有益效果是：本发明使用认知无线电技术提高了对TV白频段的利用率，采用SVC技术对视频进行编码使用户获得与之信道质量相匹配的视频，物理层采用AMC信道编码技术与视频编码SVC技术相匹配保证链路质量，提出以最大比例公平性为资源调度准则，用复杂度较低的二进制粒子群算法的启发式算法获得最优资源调度的次优解，解决资源调度问题，本方法提高了系统的吞吐量和接收视频质量，实现了根据用户信道质量使其接收与之相匹配的高质量视频的目的。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提出的一种基于TV白频段的视频组播传输方法的总流程图；

图2为本发明提出的一种基于TV白频段的视频组播的结构图；

图3为本发明提出的一种基于TV白频段的视频组播传输方法的能量检测流程图；

图4为本发明提出的一种基于TV白频段的视频组播传输方法的二进制粒子群算法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-4，一种基于TV白频段的视频组播传输方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建无线视频组播传输网络，设置基本参数：考虑一个集中的单跳CR网络搭配几个主要网络，主要网络拥有优先使用UHF频段的权利，由于主用户传输，每个UHF频段的可用性随着时间而变化，由N个移动CR用户(由CR用户集N组成)和CR基站组成的CR网络可以在不干扰主用户的前提下机会性地接入这些UHF频段，假设基站配备了S个宽可调的全向天线，它们是相互独立的，在不同的频带上工作，每个CR用户还配备了一个广泛可调的天线，可以在任何UHF频段与基站进行通信；

假设C个UHF信道，每个UHF信道的带宽为B，UHF信道是CR系统机会接入的潜在候选者，在特定时间内，CR用户i可以根据其当前位置潜在地访问UHF频道的子集。该信息可以由

表示：

为了防止多个CR系统同步访问可用信道导致的“二级干扰”，这种干扰不是致命的，但仍然对认知交流造成严重的影响，因此，本发明引入一个额外的信道度量，称为预期信干噪比

定义如下：

P_i表示CR用户i的接收功率，

是i从UHF信道c上监听到的二次干扰功率值，N₀为加性高斯白噪声；

步骤2：CR基站对视频进行SVC编码处理：CR基站运用SVC技术对视频进行编码，将视频编码成一个基本层和两个增强层，基本层用来保证最基本的视频质量，增强层用来提高视频质量，在物理层中采用自适应调制编码(AMC)，每种编码方案均由一种调制方案以及一种具备不同的编码速率的前向纠错方案(FEC)组成，具有不同的频谱效率(BUR)，如正交相移键控调制方案(QPSK)与码率为1/2的FEC方案组合具有BUR为1，八进制正交振幅调制方案(QAM-64)与码率为2/3的FEC方案组合BUR为4；一般编码方案的BUR越高，其覆盖范围越小，将M中信道编码方案按照编码效率升序排列为[MC₁，…，MC_m]，并且规定任意视频进行SVC编码后第m层视频采用MC_m进行发送；

步骤3：无线频谱的检测：直接对接收到的时域信号进行采样求模，然后求其平方即可得到，由于能量检测无需检测信号的任何先验信息，使得其非常适合用于认知无线电中本地感知用户对主用户的工作状态进行检测；

步骤4：无线频谱的选择：当获得当前各UHF信道状态后，基站将会进行频谱选择操作以获取最优工作频段，在频谱选择过程中对多个连续的可用信道实行绑定操作以获得更大的频宽，由于频谱跨越度(即频段跨越的UHF信道总数)越大，系统被主用户打断的概率越大，因此在频谱选择过程中设置一个衰减因子η∈(0，1)来限制频谱的跨越度，将频谱选择归纳为如下问题数学表达式：

s.t:π_i＝1，i＝c+1,···,c+l；

这里B_i表示信道i的频宽；一般的，UHF信道具有相同的频宽，即B₁＝B₂＝···＝B_i；

步骤5：实现最优资源调度：为了进一步提高整体接收到的视频质量，本发明使用跨层优化子载波调度机制，即当获得新的子载波频谱感测数据时，执行子载波调度机制，这样能够实现最优的无线频谱的分配，保证用户获得与自己信道质量相匹配的视频资源；

设所获取的频段为F，跨越度为W_F，系统采用正交频分复用技术(OFDM)调制方式来接入所获取的频段，且每个子载波具有频宽为(f，则系统共具备K＝ζBW_F/Δf个子载波，这里ζ表示OFDM频率复用因子；令k＝1，…，K表示子载波的序号，且用户i在子载波k上的信噪比为γ_i,k，对每个多播组g，

得到其在子载波k上能够正确接收到视频层m的用户集合：

L_g,m,k＝{i|i∈N_g,Υ_m＜γ_i,k＜Υ_m+1}；

定义视频g的速率集为R_g＝{v_g,1,...,v_g,M}，这里

在资源调度过程中，为了确定子载波序列{1，…，K}与各个视频节目{1，…，G}的各个视频层{1，…，M}之间的最优映射关系和为了各个子载波确定最优的调制与编码策略(MCS)方案，采用的资源调度准则是最大化比例公平性，即保证各个用户尽可能的获得与其信道条件相匹配的视频质量，资源调度准则公式化表达如下：

Q_g,i表示用户i∈N_g的接收视频质量，Q_g,i也可以写成如下形式：

表示视频g的基本层的解码视频质量，

表示视频g的累积增强层速率，β_g与具体的视频序列和SVC编码参数有关；

进一步地，根据视频流特征以及实际传输环境限制，定义了资源调度中的约束规则，为了便于分析，定义一个三维二进制矩阵L＝{l_g,m,k}_G,M,K，这里

l_g,m,k＝1表示子载波k被分配给视频g的第m视频层，约束规则如下：

1、唯一约束性：唯一性约束指定某一个子载波只能被分配给一个多播组使用，即子载波不能被重复分配，公式化表达如下：

2、层完整性约束：层完整性约束是指当某一视频层被传输时，系统必须提供足够的子载波资源来支撑该视频层的传输，公式化表达如下：

3、低层优先分配原则：由于SVC中高视频层需要根据低视频层中的信息进行解码，因此在资源调度过程中我们规定低视频层被优先分配子载波，公式化表达如下：

4、最低速率限制：为了确保用户的最低视频质量，我们规定各视频的基本层被优先分配子载波，公式化表达如下：

更进一步根据以上确定优化准则，给定资源分配矩阵L，求得多播组g中能够正确接收采用MCS方案MC_m进行编码的数据的节点总数

这里

表示集合

中所包含的节点总数，由此得：

这里，

表示用户的接收质量，表示如下：

由于底层频谱资源来源于即时感知的结果，具有高度的不确定性，因此，在资源调度过程中，必须考虑如下两种情况：

当

时，底层频谱资源足以支撑所有视频层的传输，这时不用考虑底层优先分配限制和最低速率限制，因此可以将最优资源调度问题数学化表达如下：

当

时，底层频谱资源不足以支撑所有视频层的传输，这时必须要考虑底层优先分配限制和最低速率限制，因此，这种情况下的最优资源调度问题数学化表达如下：

更进一步的，根据视频服务对延迟性的高要求，解决最优资源调度需要效率高复杂度低的算法；本发明提出一种二进制粒子群算法的启发式算法来获得最优资源调度的解；

在粒子群算法中，每个可能的解决方案都被表示为一个粒子，两个属性(位置和速度)与每个粒子相关联，在D维搜索空间中，第i个粒子的最佳位置表示为X_i＝[x_i1,...,x_iD]，V_i＝[v_i1,...,v_iD]每个元素都有实际的价值，令

和

是第i个粒子的最佳位置(具有最佳适应值)，每个粒子的速度和位置更新如下：

其中ω称为惯性权重，它控制粒子的上一个速度对当前粒子的影响，c₁c₂是正常数，成为加速度系数，r₁r₂是均匀分布在[0，1]中的随机数，以及t代表迭代索引；

在算法开始时应用高惯性权重，并通过二进制粒子群算法减弱该权重，使算法搜索开始时在全局搜索，执行结束时在本地搜索，惯性权重ω为：

第i个粒子中第d个元素的速度与粒子的位置取值为1或0的可能性有关，它通过定义一个称为中间变量

一个Sigmoid限制变换，如下所示：

更进一步的用二进制粒子群算法求解：首先初始化参数，在初始化过程中，首先给出粒子的初始位置，并且每个粒子的初始速度

根据ω_t更新粒子速度：

根据迭代索引t更新粒子位置：

当迭代达到预先设置的最大迭代算法终止，得出资源调度的最优解，实现子载波的最优分配，使无线视频组播质量得到优化。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于TV白频段的视频组播传输方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：搭建无线视频组播传输网络，设置基本参数；

步骤2：CR基站对视频进行伸缩视频编码(SVC)处理：CR基站运用SVC技术对视频进行编码，将视频编码成一个基本层和两个增强层，基本层用来保证最基本的视频质量，增强层用来提高视频质量，在物理层中采用自适应调制编码(AMC)，每种编码方案均由一种调制方案以及一种具备不同的编码速率的前向纠错方案(FEC)组成，具有不同的频谱效率(BUR)，一般编码方案的BUR越高，其覆盖范围越小，将M中信道编码方案按照编码效率升序排列为[MC₁，…，MC_m]，并且规定任意视频进行SVC编码后第m层视频采用MC_m进行发送；

步骤3：无线频谱的检测：直接对接收到的时域信号进行采样求模，然后求其平方即可得到；

步骤4：无线频谱的选择：当获得当前各特高频无线电波(UHF)信道状态后，基站将会进行频谱选择操作以获取最优工作频段，在频谱选择过程中对多个连续的可用信道实行绑定操作以获得更大的频宽，由于频谱跨越度越大，系统被主用户打断的概率越大，因此在频谱选择过程中设置一个衰减因子η∈(0,1)来限制频谱的跨越度，将频谱选择归纳为如下问题数学表达式：

max:

s.t:π_i＝1，i＝c+1,···,c+l；

这里B_i表示信道i的频宽；UHF信道具有相同的频宽，即B₁＝B₂＝…＝B_i；

步骤5：实现最优资源调度：为了进一步提高整体接收到的视频质量，使用跨层优化子载波调度机制，即当获得新的子载波频谱感测数据时，执行子载波调度机制，这样能够实现最优的无线频谱的分配，保证用户获得与自己信道质量相匹配的视频资源；

所述步骤5中实现最优资源调度具体步骤如下：

步骤5.1：设所获取的频段为F，跨越度为W_F，系统采用正交频分复用技术(OFDM)调制方式来接入所获取的频段，且每个子载波具有频宽为Δf，则系统共具备K＝ζBW_F/Δf个子载波，这里ζ表示OFDM频率复用因子；令k＝1，…，K表示子载波的序号，且用户i在子载波k上的信噪比为γ_i,k，对每个多播组g，得到其在子载波k上能够正确接收到视频层m的用户集合：

L_g,m,k＝{i|i∈N_g,Υ_m＜γ_i,k＜Υ_m+1}；

定义视频g的速率集为R_g＝{v_g,1,...,v_g,M}，这里

步骤5.2：在资源调度过程中，为了确定子载波序列{1，…，K}与各个视频节目{1，…，G}的各个视频层{1，…，M}之间的最优映射关系和为了各个子载波确定最优的MCS方案，采用的资源调度准则是最大化比例公平性，即保证各个用户尽可能的获得与其信道条件相匹配的视频质量，资源调度准则公式化表达如下：

步骤5.3：给定资源分配矩阵L，求得多播组g中能够正确接收采用MCS方案MC_m进行编码的数据的节点总数

这里

表示集合

中所包含的节点总数，由此得：

这里，

表示用户的接收质量，表示如下：

由于底层频谱资源来源于即时感知的结果，具有高度的不确定性，因此，在资源调度过程中，必须考虑如下两种情况：

当

时，底层频谱资源足以支撑所有视频层的传输，这时不用考虑底层优先分配限制和最低速率限制，因此可以将最优资源调度问题数学化表达如下：

max:

s.t.:

当

时，底层频谱资源不足以支撑所有视频层的传输，这时必须要考虑底层优先分配限制和最低速率限制，因此，这种情况下的最优资源调度问题数学化表达如下：

max:

s.t.:

步骤5.4：用二进制粒子群算法求解：首先初始化参数，在初始化过程中，首先给出粒子的初始位置，并且每个粒子的初始速度

根据ω_t更新粒子速度：

根据迭代索引t更新粒子位置：

当迭代达到预先设置的最大迭代算法终止，得出资源调度的最优解，实现子载波的最优分配，使无线视频组播质量得到优化。

2.根据权利要求1所述的基于TV白频段的视频组播传输方法，其特征在于：所述步骤1中搭建无线视频组播传输网络具体步骤如下：考虑一个集中的单跳CR网络搭配几个主要网络，主要网络拥有优先使用UHF频段的权利，由于主用户传输，每个UHF频段的可用性随着时间而变化，由N个移动CR用户和CR基站组成的CR网络可以在不干扰主用户的前提下机会性地接入这些UHF频段，假设基站配备了S个宽可调的全向天线，它们是相互独立的，在不同的频带上工作，每个CR用户还配备了一个广泛可调的天线，可以在任何UHF频段与基站进行通信；

假设C个UHF信道，每个UHF信道的带宽为B，UHF信道是CR系统机会接入的潜在候选者，在特定时间内，CR用户i可以根据其当前位置潜在地访问UHF频道的子集，可以由

表示：

为了防止多个CR系统同步访问可用信道导致的“二级干扰”，这种干扰不是致命的，但仍然对认知交流造成严重的影响，因此，引入一个额外的信道度量，称为预期信干噪比

定义如下：

P_i表示CR用户i的接收功率，

是i从UHF信道c上监听到的二次干扰功率值，N₀为加性高斯白噪声。

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