CN111212406B - 一种适用于可伸缩视频的d2d资源分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及移动无线通信技术领域,具体为一种适用于可伸缩视频的D2D资源分配方法;所述方法包括根据蜂窝用户和D2D用户的最小SINR要求和功率限制,进行D2D用户接入筛选;将筛选后的D2D用户以及蜂窝用户遍历所有视频层;根据蜂窝用户和D2D用户传输的视频层数分别得到所需的最小传输速率要求,从而分别计算出蜂窝用户和D2D用户的最小发送功率;计算出所有满足最小发送功率限制的D2D用户复用蜂窝用户频谱的收益和,进而得到最大收益和;构建出增益矩阵,对多个D2D用户复用多个频谱进行资源分配;通过灵活地资源分配,最终达到在在蜂窝D2D协作网络中传输可伸缩视频时获得有效的最大吞吐量或者平均视频质量。
Description
技术领域
本发明涉及移动无线通信技术领域,具体为一种适用于可伸缩视频的D2D资源分配方法。
背景技术
随着无线通信技术的显著进步以及网络媒体内容的迅猛发展。无线网络流量发生了根本性的变化。根据思科的预测,到2022年,全球每月的移动数据流量将达到77EB,其中近五分之四(79%)的移动数据流量将是视频。此外,由于智能手机、监控服务和车辆视频通信的普及,人们对无线通信的需求正在发生更大的变化,同时,实时视频通信的需求也在迅速增长。因此,蜂窝网络在处理大流量、保证实时视频服务质量和用户体验时面临着严峻的挑战。针对这一挑战,其中一个解决方案是利用邻近设备的终端直通技术(Device-to-Device,D2D)传输视频,由于地理邻近,D2D通信增加了网络容量,便于传输需要较大流量的视频内容。
由于频谱资源有限,D2D技术通常复用蜂窝网络的频谱,为此研究了各种有用的网络频谱复用和干扰控制算法。JIANG Yanxiang,LIU Qiang,ZHENG Fuchun等人(Device-to-Device Communications Underlaying Cellular Networks[J].IEEE Transactions onCommunications,2013,61(8):3541-3551)提出了一种资源分配和功率控制算法,最大化整个网络吞吐量。ZHENG Chen,Nikolaos P,Marios K等人(Probabilistic Caching inWireless D2D Networks:Cache Hit Optimal Versus Throughput Optimal[J].IEEECommunications Letters,2017,21(3):584-587)借助分布式缓存和D2D网络来辅助视频传输,减轻了基站压力,提升了用户体验。ASHRAF M I,BENNIS M,SAAD W等人(DynamicClustering and User Association in Wireless Small Cell Networks with SocialConsiderations[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2016,66(7):6553-6568)基于集群的距离和负载相似性,使用动态集群方法最大程度地提高每个蜂窝基站集群的吞吐量。如以上所述,对D2D通信的研究使网络资源得到了高效利用,同时也使蜂窝D2D协作通信网络上的视频服务成为可能。
上述研究可以看出,一部分研究是针对的单纯资源分配问题,未考虑到视频传输的内容,难以适应传输大量视频的实际需求,另一部分则是针对D2D传输视频进行研究,大多将视频整体看做一个大文件,没有考虑视频质量的变化,资源分配不够灵活。
发明内容
针对以上现有技术的不足,提出了一种适用于可伸缩视频的D2D资源分配方法,以提高用户的视频质量。可伸缩视频编码(Scalable Video Code,SVC)将一个视频流划分为一个基础层和多个增强层。根据不同的信道条件,可以选择基础层和不同增强层进行传输以充分利用信道资源。当信道质量较差时,可以选择基础层进行传输,获得最低视频质量,满足基础的通信需求;当信道质量较好时可以选择更多的增强层,获得更好的帧率和分辨率,获得更好的视频质量。
本发明针对一个基站、多个蜂窝用户和多个D2D用户共存的网络模型,其中蜂窝用户一对一的使用了所有的频谱,D2D用户通过一对一的复用蜂窝用户频谱进行通信。当蜂窝用户和D2D用户共享频谱资源时,需要保证蜂窝用户和D2D用户的最小SINR要求以及最大发送功率限制。蜂窝用户和D2D用户上传输可伸缩视频,本发明对频谱和功率等资源进行分配以获得最好的视频质量。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种适用于可伸缩视频的D2D资源分配方法,该方法包括以下步骤:
S1、根据蜂窝用户和D2D用户的最小SINR要求和功率限制,筛选出满足接入条件能够复用蜂窝用户频谱的D2D用户;
S2、对于满足接入条件的蜂窝用户和D2D用户的组合,组合内的蜂窝用户和D2D用户均遍历所有视频层,包括遍历基础层和不同增强层;
S3、根据蜂窝用户和D2D用户传输的视频层数分别得到所需的最小传输速率要求,从而分别计算出蜂窝用户和D2D用户传输不同数目的视频层所需的最小发送功率;
S4、计算出所有满足最小发送功率限制的D2D用户复用蜂窝用户频谱的收益和,进而得到最大收益和及此时的功率分配;
S5、将蜂窝用户的最大增益与D2D用户复用蜂窝用户频谱二者产生的最大收益和进行比较,删除不能提供有效增益的复用;
S6、根据D2D用户复用蜂窝用户频谱二者产生的最大收益及D2D用户未复用时单纯蜂窝用户的最大收益来计算增益形成增益矩阵;
S7、采用KM算法对所述增益矩阵进行求解,使得D2D用户获得最优的频谱分配及功率分配。
本发明的有益效果:
在蜂窝用户和D2D用户可伸缩视频时,在不同的信道条件下都可以充分利用信道资源,选择最优的视频层进行传输,提升整体视频质量。
附图说明
图1为本发明的通信系统的结构示意图;
图2为本发明一个实施例的适用于可伸缩视频的D2D资源分配方法流程图;
图3为本发明的一个优选实施例的适用于可伸缩视频的D2D资源分配方法流程图;
图4为本发明约束限制及视频层组合对应的功率分配示意图。
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。
下面将结合附图,对本发明的优选实例进行详细的描述。本发明提供的一种适用于可伸缩视频的D2D资源分配方法。如图1所示,系统中包括一个基站、多个蜂窝用户和多个D2D用户共存,其中蜂窝用户一对一的使用了所有的频谱,D2D用户通过一对一的复用蜂窝用户频谱进行通信。当蜂窝用户和D2D用户共享频谱资源时,需要保证蜂窝用户和D2D用户的最小SINR要求以及最大发送功率限制。蜂窝用户和D2D用户上传输可伸缩视频,我们对频谱和功率等资源进行分配以获得最大吞吐量或者最好的视频质量;其中,D2D用户是以D2D用户对的形式存在。
在一个实施例中,本发明提出的一种适用于可伸缩视频的D2D资源分配方法,如图2所示,该方法包括以下步骤:
步骤1)对D2D用户进行接入筛选;
步骤2)为D2D用户和蜂窝用户分配传送功率和视频层进行视频流数据传输;
步骤3)删除不能提供增益的蜂窝用户;
步骤4)建立出蜂窝用户和D2D用户的增益矩阵;
步骤5)使用KM算法分配频谱。
在另一个实施例中,本发明提出的另一种适用于可伸缩视频的D2D资源分配方法,如图3所示,该实施例主要包括以下步骤:
S1、根据蜂窝用户和D2D用户的最小SINR要求和功率限制,筛选出满足接入条件能够复用蜂窝用户频谱的D2D用户;
S2、对于满足接入条件的蜂窝用户和D2D用户的组合,组合内的蜂窝用户和D2D用户均遍历所有视频层,包括遍历基础层和不同增强层;
S3、根据蜂窝用户和D2D用户传输的视频层数分别得到所需的最小传输速率要求,从而分别计算出蜂窝用户和D2D用户传输不同数目的视频层所需的最小发送功率;
S4、计算出所有满足最小发送功率限制的D2D用户复用蜂窝用户频谱的收益和,进而得到最大收益和及此时的功率分配;
S5、将蜂窝用户的最大增益与D2D用户复用蜂窝用户频谱二者产生的最大收益和进行比较,删除不能提供有效增益的复用;
S6、根据D2D用户复用蜂窝用户频谱二者产生的最大收益及D2D用户未复用时单纯蜂窝用户的最大收益来计算增益形成增益矩阵;
S7、采用KM算法对所述增益矩阵进行求解,使得D2D用户获得最优的频谱分配及功率分配。
所述步骤S1中满足接入条件能够复用蜂窝用户频谱的D2D用户包括:
S11、根据蜂窝用户和D2D用户的最小SINR要求,分别计算出满足SINR要求的蜂窝用户和D2D用户最小发送功率,
S12、判断满足最小SINR要求的蜂窝用户和D2D用户的最小发送功率是否满足功率限制;
S13、若满足功率限制,则D2D用户具备复用蜂窝用户频谱的可能性,即该D2D用户满足接入条件能够复用蜂窝用户频谱;否则该D2D用户不能复用蜂窝用户频谱。
步骤S1中满足条件的蜂窝用户和D2D用户最小发送功率的公式包括:
其中,表示蜂窝用户的最小SINR要求;表示D2D用户的最小SINR要求,表示满足SINR要求的蜂窝用户i的最小发送功率,表示满足SINR要求的D2D用户j的发送功率,N0表示噪声功率,hj,j′表示D2D用户j发送端到接收端的信道增益,hj,B表示D2D用户j发送端到基站的信道增益,hi,B表示蜂窝用户i到基站的信道增益,hi,j′蜂窝用户到D2D用户j的接收端的信道增益,为0表示不存在满足最小SINR要求的功率分配,D2D用户j不能复用蜂窝用户i的频谱接入网络。
所述步骤S1中蜂窝用户和D2D用户的功率限制表示为:
具体的,表示为:
如果上式成立,则D2D用户有复用蜂窝用户频谱的可能性,如图4所示,直线Lc及其右下方表示满足蜂窝用户最小SINR的功率分配,直线Ld及其左上方表示满足D2D用户最小SINR的功率分配,同时考虑功率限制,矩形区域内为满足功率约束的范围,综合来看阴影部分表示可行域,如果上式不成立,则图4中的点Q落在矩形外,不存在可行域,则D2D用户不能复用蜂窝用户频谱。
步骤2)针对单个D2D用户复用单个蜂窝用户频谱的情况,对D2D用户和蜂窝用户分配功率和所需传输的视频层。
进一步,所述步骤S2中:
视频层按照顺序,从基础层到增强层、从低层到高层依次叠加,每叠加一层视频都具有不同的收益,该收益是叠加到该层的视频质量或者是传输速率;
计算蜂窝用户传输x层视频层,D2D用户传输y层视频层,所需的最小发送功率,1≤x,y≤k,其中k为总视频层数,包括基础层和增强层;
当传输视频层所需的最小发送功率满足约束条件,则计算蜂窝用户传输x层视频以及D2D用户传输y层视频的收益之和;
若当前的收益之和大于最大收益和,则将当前的收益之和替换最大收益和,并保存当前的功率分配情况;
遍历x,y的所有可能取值的组合,得出最优的收益及功率分配。
由于收益随视频层数递增,也是随传输速率递增。
本实施例采用剪枝算法依次减小传输视频层的遍历。
假设视频分k层,蜂窝用户传输x层视频层,D2D用户传输y层视频层,用(x,y)进行表示。
则对于任意(x,y)满足约束条件,则对于任意(x,y′),其中,y′<y,对应的收益小于(x,y)对应的收益,则不需要再遍历计算,可以对其进行剪枝。
若(x,y)对应的收益大于(x-1,k)对应的收益,则任意的(x′,y′),其中,x′<x,1≤y′≤k;则不需要再遍历计算,可以对其进行剪枝。
不同数目的视频层所需的传输速率不同,视频质量不同,收益也不同,所以遍历所有情况得到最优的综合收益,不是所有情况一定满足发送功率要求,因此,步骤S3中分别计算出蜂窝用户和D2D用户传输不同数目的视频层所需的最小发送功率,公式为:
其中,表示蜂窝用户i传输x层视频层所需的发送功率,表示D2D用户j传输y层视频层所需的发送功率;W表示一个蜂窝用户的频谱带宽;ri x表示蜂窝用户i传输从基础层到第x层视频所需的最小传输速率,表示D2D用户j传输从基础层到第y层视频所需的最小传输速率,其中可能有一些特殊情况,某些ri x或者小于最小SINR对应的速率,本发明需要对其进行调整使其大于或等于最小SINR对应的速率。
对上式得到的功率判断是否满足功率限制,在步骤S4中,如图4所示,可以得到视频层组合的功率分配,计算所有满足功率限制的情况的收益和,进而得到最大收益和;对于蜂窝用户i,传输的视频从基础层到每一视频层所需的最小传输速率集合为每一层对应的视频质量作为收益为对于D2D用户j;传输的视频从基础层到每一视频层所需的最小传输速率集合为每一层对应的视频质量作为收益为收益和即为蜂窝用户i在第x视频层的收益与D2D用户j在第y视频层的收益的收益之和;ri x表示蜂窝用户i传输从基础层到第x视频层所需的最小传输速率要求;表示蜂窝用户i传输从基础层到第x视频层的收益;表示D2D用户j传输从基础层到第y视频层所需的最小传输速率要求;表示D2D用户j传输从基础层到第y视频层的收益;x,y∈{1,2,...,k};k表示视频层层数。
在步骤S5中,对不能提供有效增益的复用进行删除,显然,不是所有的复用都能提供有效增益,假设D2D用户j复用蜂窝用户i的频谱二者的最大收益之和为当没有D2D用户复用蜂窝用户i的频谱时,其最大收益为Ti max,如果则复用该蜂窝用户不能提供有效增益,D2D用户j不应复用蜂窝用户i的频谱,则删除该蜂窝用户i。
进一步,在步骤S6中所涉及的收益与视频层数的对应关系需要满足:
收益与随视频层数递增,本发明可以将每个用户的最大收益设置为1,可以采用传输视频层所需的传输速率或者对视频层视频质量的主观评分等参数,进行归一化后作为收益,也可以直接采用传输视频层所需的传输速率作为收益获得最大吞吐量。
在步骤S6中的增益矩阵表示为:
在步骤S7中,为了使得D2D用户获得最优的频谱分配,本发明采用Kuhn-Munkres算法进行运算;最终得到频谱和功率联合的最优资源分配。
对增益矩阵中进行调整,若M和N相等,则蜂窝用户和D2D用户分别代表二部图的两部分,增益即为边权,直接运行Kuhn-Munkres算法,若M和N不等,则添加虚拟用户使蜂窝用户总数与D2D用户总数相等,即对增益矩阵补零使其成为方阵,然后运行Kuhn-Munkres算法,求解出最优的频谱分配,步骤S2中已经计算出每一种复用的功率分配,综合可以得到最优的功率分配。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成,该程序可以存储于一计算机可读存储介质中,存储介质可以包括:ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例,对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明,所应理解的是,以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种适用于可伸缩视频的D2D资源分配方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
S1、根据蜂窝用户和D2D用户的最小SINR要求和功率限制,筛选出满足接入条件能够复用蜂窝用户频谱的D2D用户;
S2、对于满足接入条件的蜂窝用户和D2D用户的组合,组合内的蜂窝用户和D2D用户均遍历所有视频层,包括遍历基础层和不同增强层;
S3、根据蜂窝用户和D2D用户传输的视频层数分别得到所需的最小传输速率要求,从而分别计算出蜂窝用户和D2D用户传输不同数目的视频层所需的最小发送功率表示为:
其中,表示蜂窝用户i传输x层视频层所需的发送功率,表示D2D用户j传输y层视频层所需的发送功率;ri x表示蜂窝用户i传输x层视频层所需的最小传输速率要求;表示D2D用户j传输y层视频层所需的最小传输速率要求;N0表示噪声功率;W表示一个蜂窝用户的频谱带宽;hj,j′表示D2D用户j发送端到接收端的信道增益,hj,B表示D2D用户j发送端到基站的信道增益,hi,B表示蜂窝用户i到基站的信道增益,hi,j′蜂窝用户到D2D用户j的接收端的信道增益;
S4、计算出所有满足最小发送功率限制的D2D用户复用蜂窝用户频谱的收益和,进而得到最大收益和及此时的功率分配;
S5、将蜂窝用户的最大增益与D2D用户复用蜂窝用户频谱二者产生的最大收益和进行比较,删除不能提供有效增益的复用;
S6、根据D2D用户复用蜂窝用户频谱二者产生的最大收益及D2D用户未复用时单纯蜂窝用户的最大收益来计算增益形成增益矩阵;
S7、采用KM算法对所述增益矩阵进行求解,使得D2D用户获得最优的频谱分配及功率分配。
2.根据要求1所述的一种适用于可伸缩视频的D2D资源分配方法,其特征在于:所述步骤S1中满足接入条件能够复用蜂窝用户频谱的D2D用户包括:
S11、根据蜂窝用户和D2D用户的最小SINR要求,分别计算出满足SINR要求的蜂窝用户和D2D用户最小发送功率;
S12、判断满足SINR要求的蜂窝用户和D2D用户的最小发送功率是否满足功率限制;
S13、若满足功率限制,则D2D用户具备复用蜂窝用户频谱的可能性,即该D2D用户满足接入条件能够复用蜂窝用户频谱;否则该D2D用户不能复用蜂窝用户频谱。
3.根据要求2所述的一种适用于可伸缩视频的D2D资源分配方法,其特征在于:所述步骤S1中满足SINR要求的蜂窝用户和D2D用户最小发送功率的公式包括:
5.根据要求1所述的一种适用于可伸缩视频的D2D资源分配方法,其特征在于:所述步骤S2中遍历基础层和不同增强层的具体过程包括:
将视频流数据划分为一个基础层和多个增强层;
视频层按照顺序,从基础层到增强层、从低层到高层依次叠加,每叠加一层视频都具有不同的收益,该收益为叠加到该层的视频质量或者传输速率;
计算蜂窝用户传输x层视频层,D2D用户传输y层视频层,所需的最小发送功率,1≤x,y≤k,其中k为总视频层数,包括基础层和增强层;
当传输视频层所需的最小发送功率满足约束条件,则计算蜂窝用户传输x层视频以及D2D用户传输y层视频的收益之和;
若当前的收益之和大于最大收益和,则将当前的收益之和替换最大收益和,并保存当前的功率分配情况;
遍历x,y的所有可能取值的组合,得出最优的收益及功率分配。
6.根据要求1所述的一种适用于可伸缩视频的D2D资源分配方法,其特征在于:所述步骤S4中最大收益和的计算方式包括计算所有满足功率限制的情况的收益和,进而得到最大收益和;对于蜂窝用户i,传输的视频从基础层到每一视频层所需的最小传输速率集合为R{ri 1,ri 2…ri k},每一层对应的视频质量作为收益为对于D2D用户j,传输的视频从基础层到每一视频层所需的最小传输速率集合为每一层对应的视频质量作为收益为收益和即为蜂窝用户i在x视频层的收益与D2D用户j在y视频层的收益的收益之和;ri x表示蜂窝用户i传输从基础层到x视频层所需的最小传输速率要求;表示蜂窝用户i传输从基础层到=x视频层的收益;表示D2D用户j传输从基础层到y视频层所需的最小传输速率要求;表示D2D用户j传输从基础层到y视频层的收益;x,y∈{1,2,...,k};k表示视频层层数。
9.根据要求8所述的一种适用于可伸缩视频的D2D资源分配方法,其特征在于:所述步骤S7中采用Kuhn-Munkres算法对所述增益矩阵进行求解包括:对增益矩阵中进行调整,若M和N相等,则蜂窝用户和D2D用户分别代表二部图的两部分,增益即为边权,直接运行Kuhn-Munkres算法,若M和N不等,则添加虚拟用户使蜂窝用户总数与D2D用户总数相等,即对增益矩阵补零使其成为方阵,然后运行Kuhn-Munkres算法,求解出最优的频谱分配。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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