CN110166953A - 一种非正交多址网络中可伸缩视频多播传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非正交多址网络中可伸缩视频多播传输方法，所述方法包括以下步骤：基于非正交多址接入技术理论构建可伸缩视频传输模型；对所述可伸缩视频多播传输模型提出通过功率分配优化用户接收视频质量问题，并使用动态规划获得最优功率分配方案。本方法基于功率域的非正交多址接入技术，在保证可伸缩视频信号基本层能够被用户成功解码的前提下，对可伸缩视频增强层信号的功率分配最优化问题作了讨论，得出了最优用户接收视频质量目标下的功率分配方法，从而提高了系统的频谱利用率。

Description

一种非正交多址网络中可伸缩视频多播传输方法

技术领域

本发明设计无线传输接入方式领域，尤其涉及一种非正交多址接入网络中可伸缩视频多播功率分配办法。

背景技术

由于无线频谱的稀缺性与视频数据流量的巨大型，因此探索使用较高频谱效率的接收方式传输视频数据是重要的研究内容。

非正交多址下的可伸缩视频多播问题首先是由Rung-Hung Gau等人在文献UserAssignment and Discrete Power Control for Scalable NOMA Multicast in CellularNetworks中提出，其所提出的离散功率分配算法可以为不同的视频层选择最优的功率进行传输。而其所研究的问题是在假设用户之间具有信道差异，因而适用范围受限。且当功率分级数较低时，离散功率分配粒度较粗，优化结果不理想。本方法研究的是基于非正交多址接入的可伸缩视频多播中，连续功率分配问题，并考虑了用户的信道差异性。

发明内容

本发明提供了一种非正交多址网络中可伸缩视频多播传输方法，本方法将非正交多址接入技术应用到可伸缩视频多播传输中，在可伸缩视频层功率分配时采用最优化接收视频为目标，提出最优功率分配策略，从而进一步提高系统的频谱利用率，详见下文描述：

一种非正交多址网络中可伸缩视频多播传输方法，所述方法包括以下步骤：

基于非正交多址接入技术理论构建可伸缩视频传输模型；

提出使用功率分配优化可伸缩多播接收视频质量，并将所述优化问题公式化表示；

使用动态规划方法求解所述优化问题，并提出功率分配方案。

所述非正交多址接入中可伸缩视频多播传输模型具体为：

考虑单基站多播网中，在基站覆盖范围内的多个用户同时请求相同的视频内容，且所传输的视频时延敏感性较强。基站接收到请求后将这些用户组成一个多播组，以多播的方式提供服务。

多播组内的N个用户可以表示为U＝{u₁,u₂,...,u_i,...,u_N},i＝1,2,...,N，且用户到基站之间的信道相互独立。假设用户的信道增益满足：0＜|h₁|²≤|h₂|²≤…|h_i|²≤…≤|h_N|²，其中，h_i表示用户i(i＝1,2,...,N)到基站之间的瑞丽衰落信道增益。基站发送的可伸缩视频信号共L层，L≥2，x₁表示基本层视频信号，x₂,...,x_L表示增强层视频信号。α₁,...,α_L分别为基站分配给基础层和增强层的功率分配因子，基础层和增强层的发射功率分别为α₁P和α_lP(l∈{2,...,L})。基站采用复用相同的视频资源传输多个视频层，则基站编码后发送的叠加信号表示为：

在用户接收端，用户UEi接收的信号分别为：y_i＝h_ix+ω_i，其中，ω_i为用户i接收到的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为σ_i ²。

所述使用功率分配优化可伸缩多播接收视频质量，并将所述优化问题公式化表示为：

q_i,l≥q_i,l+1

log₂(1+SINR_i,l)≥R_l

其中，q_i,l为指示参数，表示用户i是否可以成功接收第l层，成功接收值为1，否则为0。PSNR(l)表示第l层的视频质量。

所述的使用动态规划方法求解所述优化问题具体为:

首先构造辅助函数Q(l,u,p),定义为能接收到第l层的用户的最大接收视频质量，假设U_l为可以解码第l层视频的用户集合，且u∈U_l。

动态规划的递归初始值为：

动态规划的递归表达式为：

本发明提供的技术方案的有益效果是：本方法基于非正交多址接入技术，使用功率域叠加传输多个视频层，并对不同的视频层采取连续功率分配方法，可以获得更高的频谱利用率。在求解优化问题时采用动态规划算法，因而可以获得优化问题的最优解。同时还考虑了多播组内用户的多样性，从而提高了所述传输模型的灵活性。

附图说明

图1为非正交多址接入下可伸缩视频多播传输模型示意图；

图2为不同多播方式下获得的用户平均视频质量比较示意图；

图3为非正交多址下可伸缩视频功率分配方法流程图。

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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。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。

功率域NOMA最早是由日本NTT DoCoMo公司提出，在时域，频域，空域的基础上增加了一个新的维度——功率域。信号在发送端进行功率域的非正交叠加，再在同一子信道上同时同频进行发送。由于非正交叠加引入了干扰信息，因此接收端通过串行干扰消除解码。虽然接收机复杂度提升，但是同时能获得更高的频谱效率。

可伸缩视频编码采用编码分层机制，将一个视频流编码分成多层，包括一个基本层(Base Layer,BL)和多个增强层(Enhancement layers,ELs)。基本层可以提供最基本的视频需求。更高质量的视频可以通过解码增强层来获得，所解码的增强层越多，获得的视频质量越高，而存在的层间约束关系则要求低层视频层解码成功才能解码高层视频层。

在非正交多址接入技术中，可以充分利用信道差异性，通过合适的功率分配，对不同的视频层利用同时同频的频率资源发送。因此，在相同的带宽下，非正交多址系统能获得更高的系统容量。

一种非正交多址技术下可伸缩视频多播传输的功率分配方法，参见图1和图3，该方法包括以下步骤：

所述非正交多址接入中可伸缩视频多播传输模型参见图1：

考虑单基站多播网中，在基站覆盖范围内的多个用户同时请求相同的视频内容，且所传输的视频时延敏感性较强。基站接收到请求后将这些用户组成一个多播组，以多播的方式提供服务。

多播组内的N个用户可以表示为U＝{u₁,u₂,...,u_i,...,u_N},i＝1,2,...,N，且用户到基站之间的信道相互独立。假设用户的信道增益满足：0＜|h₁|²≤|h₂|²≤...|h_i|²≤…≤|h_N|²，其中，h_i表示用户i(i＝1,2,...,N)到基站之间的瑞丽衰落信道增益。基站发送的可伸缩视频信号共L层，L≥2，x₁表示基本层视频信号，x₂,...,x_L表示增强层视频信号。α₁,...,α_L分别为基站分配给基础层和增强层的功率分配因子，基础层和增强层的发射功率分别为α₁P和α_lP(l∈{2,...,L})。基站采用复用相同的视频资源传输多个视频层，则基站编码后发送的叠加信号表示为：

在用户接收端，用户UEi接收的信号分别为：y_i＝h_ix+ω_i，其中，ω_i为用户u_i接收到的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为σ_i ²。

使用功率分配优化可伸缩多播接收视频质量，并将所述优化问题公式化表示为：

q_i,l≥q_i,l+1

log₂(1+SINR_i,l)≥R_l

其中，q_i,l为指示参数，表示用户u_i是否可以成功接收第l层，成功接收值为1，否则为0。PSNR(l)表示第l层的视频质量。

使用动态规划方法求解所述优化问题具体为：

首先构造辅助函数Q(l,u,p),定义为能接收到第l层的用户的最大接收视频质量，假设U_l为可以解码第l层视频的用户集合，且u∈U_l。

动态规划的递归初始值为：

下面推导Q(l,u,p)的递归式，在假设第l层以上的所有Q(l',u,p),l'＞l,u∈N_l'计算完成后，需要进一步计算Q(l,u,p)。由于Q(l,u,p)表示第l层可以被用户集合N_l解码u∈U_l，且第l层以上使用的功率为p，则根据定理1，Q(l,u,p)的值需分为两种情况进行讨论：

1.第l层为多播组内用户所接收的最高层时，即时，可得

2.第l层不是多播组内用户接收的最高层，需要传输第l+1层时，即此时，第l+1层分配的功率应该能够保证至少1个用户能够成功解码，设所以可得：

所以第l+1层分配的功率应满足：

为了计算Q(l,u,p)，现将集合U_l分为两部分，u′∈U_l+1表示用户集合U_l中可以解码第l+1层的用户，以及u∈U_l-U_l+1表示所能解码的最高层为第l层。对于其最大效用值Q(l+1,u′,p-p_l+1)可由前面的递归过程中的步骤所得，是已知的。对于用户效用值为：

约束条件为：1≤u′≤u,p_l+1≤p，因此对于可得Q′(l,u,u′,p)的最大值为：

综合以上两种情况，得到Q的递归式为：

为了评估非正交多址接入中可伸缩视频功率分配策略的性能，对本方法进行了仿真，详见下文描述：

仿真模型中，多播用户100个，基站发射功率为30dBm，噪声功率为-174dBm/Hz，路径损耗为128.1+37.6log10(d[km])。

图2仿真了传统多播CMS，正交下的OFDM和非正交NOMA的可伸缩视频传输，获得不同场景下的用户接收平均视频质量。从图2可以看出，随着用户分布半径的增大，正交传输的性能越来越差，而非正交传输则高于正价传输，获得可观的性能优势。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

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 (4)

1.一种非正交多址接入网络中可伸缩视频多播功率分配办法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

基于非正交多址接入技术理论构建可伸缩视频传输模型；

提出使用功率分配优化可伸缩多播接收视频质量，并将所述优化问题公式化表示；

使用动态规划方法求解所述优化问题，并提出功率分配方案。

2.根据权利要求1所述的一种非正交多址接入网络中可伸缩视频多播功率分配办法，其特征在于，所述非正交接入下可伸缩视频多播传输模型具体为：

考虑单基站多播网中，在基站覆盖范围内的多个用户同时请求相同的视频内容，且所传输的视频时延敏感性较强。基站接收到请求后将这些用户组成一个多播组，以多播的方式提供服务。

多播组内的N个用户可以表示为U＝{u₁,u₂,...,u_i,...,u_N},i＝1,2,...,N，且用户到基站之间的信道相互独立。假设用户的信道增益满足：0＜|h₁|²≤|h₂|²≤...|h_i|²≤...≤|h_N|²，其中，h_i表示用户i(i＝1,2,...,N)到基站之间的瑞丽衰落信道增益。基站发送的可伸缩视频信号共L层，L≥2，x₁表示基本层视频信号，x₂,...,x_L表示增强层视频信号。α₁,...,α_L分别为基站分配给基础层和增强层的功率分配因子，基础层和增强层的发射功率分别为α₁P和α_lP(l∈{2,...,L})。基站采用复用相同的视频资源传输多个视频层，则基站编码后发送的叠加信号表示为：

在用户接收端，用户u_i接收的信号分别为：

y_i＝h_ix+ω_i，

其中，ω_i为用户u_i接收到的加性高斯白噪声，其均值为0，方差为σ_i ²。

3.根据权利要求2所述的对非正交接入下可伸缩视频多播传输模型进行功率优化，其特征在于，提出使用功率分配优化可伸缩多播接收视频质量，并将所述优化问题公式化表示为：

q_i,l＝{0,1}

q_i,l≥q_i,l+1

log₂(1+SINR_i,l)≥R_l

其中，q_i,l为指示参数，表示用户u_i是否可以成功接收第l层，成功接收值为1，否则为0。PSNR(l)表示第l层的视频质量。

4.根据权利要求3所述的使用动态规划方法求解所述优化问题具体为：

首先构造辅助函数Q(l,u,p),定义为能接收到第l层的用户的最大接收视频质量，假设U_l为可以解码第l层视频的用户集合，且u∈U_l。

动态规划的递归初始值为：

动态规划的递归表达式为：