CN112887937A - 一种基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传方法,利用车联网路侧设备没有能量限制、路侧设备与路侧设备/基站之间通信质量高等特点,通过车联网路侧设备充当中继节点,构建由车联网路侧设备与终端设备异构的信息协作上传网络。同时,引入终端设备视频信息源的压缩编码功率消耗,建立终端设备的能耗模型,并根据终端设备视频信息源的视频质量要求,通过调整视频编码码率、信息源传输速率,以及对终端设备多路径路由的选择,提供一种完全分布式的优化算法,提高网络资源利用率,保证单个终端设备能耗公平性,实现终端设备网络生命周期的最大化。

Description

一种基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传方法
技术领域
本发明涉及数据通信技术领域,尤其涉及一种基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传方法。
背景技术
目前,终端设备视频信息上传的基本工作方法为终端设备与地面基站直接建立无线通信链路,并进行视频信息数据的上行传输。然而,无线通信链路存在通信链路质量不稳定、通信带宽有限等问题,采用上述方法进行视频信息上传将极大程度地影响通信传输速率、传输可靠性、通信资源利用率、终端设备能耗等。
在终端设备视频信息上传过程中,终端设备在作为信息源的同时还可以充当信息中继节点。因此,离地面基站较远、与地面基站直接通信链路质量较差的终端设备可以利用中继节点,并通过多跳传输的方式进行视频信息数据的协作上传。在视频信息协作上传方法中,终端设备在中继其他节点数据的同时,还需要对自身的视频信息进行压缩编码、信息融合等处理,导致较高的处理、传输能耗。对于资源受限的终端设备(如分布式摄像机、移动视频手机等)而言,如何在协作上传过程中保证终端设备的公平性并延长终端设备网络的生命周期是一个重要的问题。例如,某个节点附近的节点都通过该节点进行中继,那么该节点成为中继热点导致传输能耗的上升,将很快耗尽自身能量。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传方法,利用车联网路侧设备没有能量限制、路侧设备与路侧设备/基站之间通信质量高等特点,构建由车联网路侧设备与终端设备异构的信息协作上传网络。同时,引入终端设备视频信息源的压缩编码功率消耗,建立终端设备的能耗模型,并根据终端设备视频信息源的视频质量要求,通过调整视频编码码率、信息源传输速率,以及对终端设备多路径路由的选择,提供一种完全分布式的优化算法,提高网络资源利用率,实现终端设备网络生命周期的最大化。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
一种基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传方法,方法包括如下步骤:
步骤一:构建由车联网路侧设备和终端设备异构的视频信息协作上传网络,其中,所述终端设备负责视频信息数据的采集、压缩编码和数据传输的中继,所述车联网路侧设备负责中继其他路侧设备或是终端设备的数据传输;该视频信息协作上传网络还包括基站,所述基站作为整个网络信息传输的终点,用于视频信息数据的接收汇聚;
路侧设备、终端设备和基站均为视频信息协作上传网络中的节点;终端设备与终端设备、路侧设备、基站之间通过无线通信链路进行数据传输,路侧设备与路侧设备或是基站之间通过专用有线通信链路进行数据传输;
步骤二:基于终端设备的视频信息数据采集,建立终端设备视频的率失真模型;
基于所述的率失真模型,得到视频压缩编码功率消耗,结合终端设备的视频信息数据传输功率消耗,建立终端设备的能耗模型;
基于所述的视频信息协作上传网络中,流出所述节点的数据信息流量等于流入该节点的数据信息流量与该节点产生的数据信息流量之和,构建网络流平衡模型;
步骤三:以所述的视频信息协作上传网络的网络生命周期最大化为优化目标,以网络流平衡模型、终端设备的能耗模型、终端设备失真大小必须小于预设目标值为约束条件,建立基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传网络的优化数学模型;
步骤四:利用终端设备节点在其初始能量下的归一化功率消耗变量对优化目标进行转换,并利用n次模近似转换后的优化目标,同时在优化目标方程中添加部分优化变量的二次正则化部分,使优化目标方程对优化变量具有严格凸性;
步骤五:利用拉格朗日松弛约束条件和原始-对偶算法,同时对原始变量和对偶变量进行迭代逐步更新,直到算法收敛。
进一步地,所述步骤二中,视频压缩编码功率消耗由信息源编码后数据速率、失真大小共同作用决定的率失真模型得出,表示为:
Figure BDA0002890904280000021
其中,
Figure BDA0002890904280000022
是终端设备i的视频压缩编码失真大小,σ2是平均视频输入方差,e为常量,γ为与编码效率相关的参数,R(i)是终端设备i的信息源编码后数据速率,
Figure BDA0002890904280000023
是终端设备i的视频压缩编码功率消耗;
所述终端设备的数据传输功率消耗包括发送数据功率消耗
Figure BDA0002890904280000024
以及接收数据功率消耗
Figure BDA0002890904280000025
分别表示为:
Figure BDA0002890904280000026
Figure BDA0002890904280000031
其中,
Figure BDA0002890904280000032
表示流出节点i的所有通信链路,
Figure BDA0002890904280000033
是终端设备无线传输链路l上单位流量的发送功率消耗,fl是终端设备无线传输链路l上的数据传输流量;
Figure BDA0002890904280000034
表示流入节点i的所有通信链路,cr是终端设备单位流量的接收功率消耗;
所述终端设备i的能耗模型表示为:
Figure BDA0002890904280000035
进一步地,所述步骤二中的网络流平衡模型表示为:
Figure BDA0002890904280000036
其中,
Figure BDA0002890904280000037
即,终端设备节点产生的数据信息流量为视频信息源编码后数据速率,路侧设备节点产生的数据信息流量为零;基站节点的数据信息流量为所有终端设备数据信息流量之和的负数。
进一步地,所述网络生命周期Tnet为从网络部署开始,到网络中第一个终端设备耗尽能量的时间,表示为:
Figure BDA0002890904280000038
其中,Ti表示终端设备i的生命周期,E(i)表示终端设备i的初始能量,P(i)表示终端设备i的能耗模型。
进一步地,所述步骤三中,基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传网络的优化数学模型为:
优化问题P1:
Figure BDA0002890904280000039
约束条件:
(1)
Figure BDA00028909042800000310
(2)
Figure BDA00028909042800000311
(3)
Figure BDA00028909042800000312
进一步地,所述步骤四中,使qi=1/Ti,其中qi的物理意义为终端节点i在初始能量E(i)下的归一化功率消耗变量,将优化目标变为
Figure BDA0002890904280000041
并利用n次模近似
Figure BDA0002890904280000042
则有
Figure BDA0002890904280000043
并在优化目标方程中添加针对优化变量R(i)和fl的二次正则化部分,从而使优化目标方程对于优化变量R(i)和fl具有非严格凸性,改动后的优化问题表示为:
优化问题P2:
Figure BDA0002890904280000044
约束条件:
(1)
Figure BDA0002890904280000045
(2)
Figure BDA0002890904280000046
(3)
Figure BDA0002890904280000047
其中,
Figure BDA0002890904280000048
Figure BDA0002890904280000049
分别是针对优化变量R(i)和fl的二次正则化部分,δ是正则因子,δ>0。
进一步地,采用完全分布式的优化算法求解改动后的优化问题,具体如下:
(1)初始化网络信息;
设置迭代次数k=0,设置节点和通信链路存储器中的变量初始值R(i)(0)、
Figure BDA00028909042800000410
qi(0)、fl(0)、λi(0)、θi(0)、μi(0)为任一非负值;其中,对于终端设备而言,其存储器中存储R(i)(k)、
Figure BDA00028909042800000411
qi(k)、λi(k)、θi(k)、μi(k);对于路侧设备而言,其存储器中存储λi(k);对于通信链路l,其存储器中存储fl(k);
(2)针对通信链路l,根据其流出节点
Figure BDA00028909042800000412
以及流入节点
Figure BDA00028909042800000413
中存储的
Figure BDA00028909042800000414
Figure BDA00028909042800000415
的值,以及本地存储器中的fl(k)、
Figure BDA00028909042800000416
的值,更新原始变量fl(k);
其中,若通信链路l为无线通信链路,即通信链路l的流出节点
Figure BDA00028909042800000417
为终端设备,
Figure BDA00028909042800000418
根据
Figure BDA00028909042800000419
Figure BDA00028909042800000420
更新原始变量fl(k);若通信链路l为有线通信链路,即通信链路l的流出节点
Figure BDA00028909042800000421
为路侧设备,
Figure BDA00028909042800000422
根据
Figure BDA00028909042800000423
Figure BDA00028909042800000424
更新原始变量fl(k);
(3)针对终端设备
Figure BDA0002890904280000051
根据其作为流出节点或流入节点的通信链路l的fl(k)值,以及其存储器中存储的λi(k)、μi(k)、θi(k)的值,更新原始变量R(i)(k)、
Figure BDA0002890904280000052
qi(k):
Figure BDA0002890904280000053
Figure BDA0002890904280000054
Figure BDA0002890904280000055
针对终端设备
Figure BDA0002890904280000056
根据其作为流出节点或流入节点的通信链路l的fl(k)的值,以及其存储器中存储的R(i)(k)、
Figure BDA0002890904280000057
qi(k)、
Figure BDA0002890904280000058
的值,更新对偶变量λi(k)、θi(k)、μi(k):
Figure BDA0002890904280000059
Figure BDA00028909042800000510
Figure BDA00028909042800000511
针对路侧设备
Figure BDA00028909042800000512
根据其作为流出节点或流入节点的通信链路l的fl(k)的值,更新对偶变量λi(k):
Figure BDA00028909042800000513
(4)终端设备、路侧设备和通信链路完成原始变量、对偶变量的更新之后,通信链路l将更新后的fl(k+1)广播给其对应的流出、流入节点;终端设备将更新后的
Figure BDA00028909042800000514
Figure BDA00028909042800000515
广播给相应的通信链路;终端设备将更新后的
Figure BDA00028909042800000516
广播给相应的通信链路;迭代次数更新为k=k+1;重复步骤(2)、(3)、(4),直到算法收敛。
本发明的有益效果如下:
本发明充分利用车联网路侧设备没有能量限制、路侧设备与路侧设备/基站之间通信质量高等特点,构建由车联网路侧设备与终端设备异构的信息协作上传网络。本发明提供一种完全分布式的优化算法,只需要节点与周围通信范围内的节点进行少量信息交互,减少通信开销,降低算法的复杂度。同时,在保证不同终端设备的不同视频质量的要求下,通过对视频编码处理和传输的联合优化,有效提高网络资源利用率,保障终端设备的公平性,并且实现终端设备网络生命周期的最大化。
附图说明
图1是基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传网络示例图;
图2是给定参数下(σ2=3500,γ=55.54)率失真模型示例图;
图3是分布式优化算法的执行方式程序框图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明,本发明的目的和效果将变得更加明白,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。
车联网通过通信接入技术让道路上安装了车载设备的车辆可以与行人、相邻的智能网联汽车、路侧设备或者基站等实体便捷地进行各种信息的交换和传播。在车联网通信中,路侧设备与路侧设备、基站之间通过专用有线通信链路(如以太网电缆)进行信息交互。相较于无线通信链路,专用有线通信链路具有链路通信质量高、传输可靠性强等特点。同时,相较于资源受限的终端设备中继节点,路侧设备中继节点没有能量限制。因此,可以利用车联网路侧设备充当中继节点,从而保证单个终端设备能耗公平性,并大幅提升终端设备网络的生命周期。
如图1所示,本发明的基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传方法,分为以下几个部分:
1.构建网络模型
图1是由车联网路侧设备与终端设备异构的信息协作上传网络示例图,其中终端设备负责视频信息数据的采集、压缩编码和数据传输的中继,用
Figure BDA0002890904280000061
表示终端设备的集和,|W|为终端设备的总数量;路侧设备负责中继其他路侧设备或是终端设备的数据传输,用
Figure BDA0002890904280000062
表示路侧设备的集和,|r|为路侧设备的总数量;该网络中还有一个基站,是整个网络信息传输的终点,用于视频信息数据的接收汇聚,用S进行表示。
此外,终端设备与终端设备、路侧设备、基站之间通过无线通信链路进行数据传输。路侧设备与路侧设备或是基站之间通过专用有线通信链路进行数据传输。LW用于表示无线通信链路的数量,Lr用于表示专用有线通信链路的数量。
Figure BDA0002890904280000063
用于表示所有无线通信链路的集和,
Figure BDA0002890904280000064
用于表示所有专用有线通信链路的集和,
Figure BDA0002890904280000065
表示该网络中所有的通信链路。另外,用
Figure BDA0002890904280000066
表示第l条无线通信链路;用
Figure BDA0002890904280000067
表示第l条专用有线通信链路;用
Figure BDA0002890904280000068
表示第l条无线/专用有线通信链路,具体来说,该通信链路从发送节点i到接收节点j,并可以表示为(i,j)。
Figure BDA0002890904280000069
Figure BDA00028909042800000610
分别用于表示流出节点i和流入节点i的通信链路。
2、建立终端设备的能耗模型
终端设备的能耗模型包括视频压缩编码功率消耗和数据传输功率消耗两部分,其中,视频压缩编码功率消耗可以根据由信息源编码后数据速率、失真大小共同作用决定的率失真模型得出,数学上可表示为:
Figure BDA0002890904280000071
其中,
Figure BDA0002890904280000072
是终端设备i的视频压缩编码失真大小,σ2是平均视频输入方差,e为常量,γ为与编码效率相关的参数,R(i)是终端设备i的信息源编码后数据速率,
Figure BDA0002890904280000073
是终端设备i的视频压缩编码功率消耗。根据率失真模型,如图2所示,视频编码码率越高,则视频质量(表示为失真大小)越好,同时处理能耗越大;传输速率越大,则视频质量越好,同时传输能耗越大。
终端设备的数据传输功率消耗包括发送数据功率消耗以及接收数据功率消耗。用
Figure BDA0002890904280000074
表示终端设备发送数据功率消耗,数学上可以表示为:
Figure BDA0002890904280000075
其中,
Figure BDA0002890904280000076
表示流出节点i的所有通信链路(节点i作为发送节点的通信链路),
Figure BDA0002890904280000077
是终端设备无线传输链路l上单位流量的发送功率消耗,fl是终端设备无线传输链路l上的数据传输流量。用
Figure BDA0002890904280000078
表示终端设备发送数据功率消耗,数学上可以表示为:
Figure BDA0002890904280000079
其中,
Figure BDA00028909042800000710
表示流入节点i的所有通信链路(节点i作为接收节点的通信链路),cr是终端设备单位流量的接收功率消耗。
利用上述数学模型,终端设备的能耗模型表示为:
Figure BDA00028909042800000711
3.建立网络流平衡模型
对于视频信息协作上传网络中的任一节点(终端设备、路侧设备、基站)而言,流出该节点的数据信息流量需等于流入该节点的数据信息流量与该节点产生的数据信息流量之和。因此,网络流平衡模型表示为:
Figure BDA00028909042800000712
对于终端设备而言,节点产生的数据信息流量为视频信息源编码后数据速率;对于路侧设备而言,节点产生的数据信息流量为零;对于基站而言,基站的数据信息流量为所有终端设备数据信息流量之和的负数。因此,终端设备i的信息源编码后数据速率R(i)表示为:
Figure BDA0002890904280000081
4.建立优化问题
优化问题包括优化目标以及约束条件。优化目标为网络生命周期最大化,是指最大化从网络部署开始工作开始,到网络中第一个终端设备耗尽能量的时间。将终端设备i的初始能量记为E(i),根据终端设备i的能耗模型P(i),终端设备i的生命周期Ti表示为:
Figure BDA0002890904280000082
根据网络生命周期Tnet的定义,表示为:
Figure BDA0002890904280000083
因此,优化问题P1建立如下:
优化目标:
Figure BDA0002890904280000084
约束条件:
(1)
Figure BDA0002890904280000085
(2)
Figure BDA0002890904280000086
(3)
Figure BDA0002890904280000087
对上述三个约束条件的解释如下:
(1)规定了网络流平衡条件;
(2)给出了终端设备的能耗大小P(i)与其初始能量记为E(i)和生命周期Ti的关系式;
(3)规定了率失真模型中,由视频压缩编码功率消耗、信息源编码后数据速率决定的失真大小必须小于预设目标值
Figure BDA0002890904280000088
5.建立分布式优化算法
上述优化问题P1并非凸优化问题,直接对其求解较为困难,使qi=1/Ti,qi的物理意义为终端节点i在初始能量E(i)下的归一化功率消耗变量。因此,优化目标变为
Figure BDA0002890904280000089
利用n次模近似
Figure BDA00028909042800000810
则有
Figure BDA00028909042800000811
另外,上述优化目标方程对于优化变量R(i)和fl具有非严格凸性,因此在优化目标方程中添加针对优化变量R(i)和fl的二次正则化部分。
经过上述改动,优化问题P1可以改写为优化问题P2:
优化目标:
Figure BDA0002890904280000091
约束条件:
(1)
Figure BDA0002890904280000092
(2)
Figure BDA0002890904280000093
(3)
Figure BDA0002890904280000094
其中,
Figure BDA0002890904280000095
Figure BDA0002890904280000096
分别是针对优化变量R(i)和fl的二次正则化部分,δ(δ>0)是正则因子。
上述优化问题P2是凸优化问题,本发明提供一种完全分布式的优化算法。本发明利用拉格朗日松弛约束条件,得到优化问题P2的拉格朗日对偶函数:
Figure BDA0002890904280000097
其中,λi、θi和μi是拉格朗日乘子或对偶变量;R、f、Pc和q是原始变量。
利用原始-对偶算法,同时对原始变量和对偶变量进行迭代逐步更新达到最优。用k表示迭代次数,α(k)表示迭代步长,则原始变量的更新公式为:
Figure BDA0002890904280000098
Figure BDA0002890904280000099
Figure BDA0002890904280000101
Figure BDA0002890904280000102
对于终端设备
Figure BDA0002890904280000103
fl(k)的更新公式为:
Figure BDA0002890904280000104
对于路侧设备
Figure BDA0002890904280000105
fl(k)的更新公式为:
Figure BDA0002890904280000106
其中{·}+表示取正值运算,
Figure BDA0002890904280000107
表示通信链路l或通信链路(i,j)的流出节点i,
Figure BDA0002890904280000108
表示通信链路l或通信链路(i,j)的流入节点j。
相应的,对偶变量的更新公式为:
Figure BDA0002890904280000109
Figure BDA00028909042800001010
对于终端设备
Figure BDA00028909042800001011
λi(k)的更新公式为:
Figure BDA00028909042800001012
对于路侧设备
Figure BDA00028909042800001013
λi(k)的更新公式为:
Figure BDA00028909042800001014
6.分布式优化算法的执行方式
步骤1:初始化网络信息:设置迭代次数k=0,设置节点和通信链路存储器中的变量初始值R(i)(0)、
Figure BDA00028909042800001015
qi(0)、fl(0)、λi(0)、θi(0)、μi(0)为任一非负值。其中对于终端设备而言,其存储器中存储R(i)(k)、
Figure BDA0002890904280000111
qi(k)、λi(k)、θi(k)、μi(k);对于路侧设备而言,其存储器中存储λi(k)。对于通信链路l或通信链路(i,j)而言,其存储器中存储fl(k)。
步骤2:针对通信链路l或通信链路(i,j),根据其流出节点
Figure BDA0002890904280000112
或i以及流入节点
Figure BDA0002890904280000113
或j中存储的
Figure BDA0002890904280000114
的值,以及本地存储器中的fl(k)、
Figure BDA0002890904280000115
的值,更新原始变量fl(k)。
其中,若通信链路l为无线通信链路,则通信链路l的流出节点
Figure BDA0002890904280000116
为终端设备,
Figure BDA0002890904280000117
根据
Figure BDA0002890904280000118
Figure BDA0002890904280000119
更新原始变量fl(k);若通信链路l为有线通信链路,则通信链路l的流出节点
Figure BDA00028909042800001110
为路侧设备,
Figure BDA00028909042800001111
根据
Figure BDA00028909042800001112
Figure BDA00028909042800001113
更新原始变量fl(k)。
步骤3:针对终端设备
Figure BDA00028909042800001114
根据其作为流出节点或流入节点的通信链路l的fl(k)值,以及其存储器中存储的λi(k)、μi(k)、θi(k)的值,更新原始变量R(i)(k)、
Figure BDA00028909042800001115
qi(k):
Figure BDA00028909042800001116
Figure BDA00028909042800001117
Figure BDA00028909042800001118
针对终端设备
Figure BDA00028909042800001119
根据其作为流出节点或流入节点的通信链路l的fl(k)的值,以及其存储器中存储的R(i)(k)、
Figure BDA00028909042800001120
qi(k)、
Figure BDA00028909042800001121
的值,更新对偶变量λi(k)、θi(k)、μi(k):
Figure BDA00028909042800001122
Figure BDA00028909042800001123
Figure BDA00028909042800001124
针对路侧设备
Figure BDA00028909042800001125
根据其作为流出节点或流入节点的通信链路l的fl(k)的值,更新对偶变量λi(k):
Figure BDA00028909042800001126
步骤4:终端设备、路侧设备和通信链路完成原始变量、对偶变量的更新之后,通信链路l将更新后的fl(k+1)广播给其对应的流出、流入节点;终端设备将更新后的
Figure BDA0002890904280000121
Figure BDA0002890904280000122
广播给相应的通信链路;终端设备将更新后的
Figure BDA0002890904280000123
Figure BDA0002890904280000124
广播给相应的通信链路;迭代次数更新为k=k+1;重复步骤2、3、4,直到算法收敛。
整个分布式优化算法的执行方式程序框图如图3所示。
本领域普通技术人员可以理解,以上所述仅为发明的优选实例而已,并不用于限制发明,尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内,所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
步骤一:构建由车联网路侧设备和终端设备异构的视频信息协作上传网络,其中,所述终端设备负责视频信息数据的采集、压缩编码和数据传输的中继,所述车联网路侧设备负责中继其他路侧设备或是终端设备的数据传输;该视频信息协作上传网络还包括基站,所述基站作为整个网络信息传输的终点,用于视频信息数据的接收汇聚。
路侧设备、终端设备和基站均为视频信息协作上传网络中的节点;终端设备与终端设备、路侧设备、基站之间通过无线通信链路进行数据传输,路侧设备与路侧设备或是基站之间通过专用有线通信链路进行数据传输;
步骤二:基于终端设备的视频信息数据采集,建立终端设备视频的率失真模型;
基于所述的率失真模型,得到视频压缩编码功率消耗,结合终端设备的视频信息数据传输功率消耗,建立终端设备的能耗模型;
基于所述的视频信息协作上传网络中,流出所述节点的数据信息流量等于流入该节点的数据信息流量与该节点产生的数据信息流量之和,构建网络流平衡模型;
步骤三:以所述的视频信息协作上传网络的网络生命周期最大化为优化目标,以网络流平衡模型、终端设备的能耗模型、终端设备失真大小必须小于预设目标值为约束条件,建立基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传网络的优化数学模型;
步骤四:利用终端设备节点在其初始能量下的归一化功率消耗变量对优化目标进行转换,并利用n次模近似转换后的优化目标,同时在优化目标方程中添加部分优化变量的二次正则化部分,使优化目标方程对优化变量具有严格凸性;
步骤五:利用拉格朗日松弛约束条件和原始-对偶算法,同时对原始变量和对偶变量进行迭代逐步更新,直到算法收敛。
2.根据权利要求1所述的基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传方法,其特征在于,所述步骤二中,视频压缩编码功率消耗由信息源编码后数据速率、失真大小共同作用决定的率失真模型得出,表示为:
Figure FDA0002890904270000011
其中,
Figure FDA0002890904270000012
是终端设备i的视频压缩编码失真大小,σ2是平均视频输入方差,e为常量,γ为与编码效率相关的参数,R(i)是终端设备i的信息源编码后数据速率,
Figure FDA0002890904270000021
是终端设备i的视频压缩编码功率消耗;
所述终端设备的数据传输功率消耗包括发送数据功率消耗
Figure FDA0002890904270000022
以及接收数据功率消耗
Figure FDA0002890904270000023
分别表示为:
Figure FDA0002890904270000024
Figure FDA0002890904270000025
其中,
Figure FDA0002890904270000026
表示流出节点i的所有通信链路,
Figure FDA0002890904270000027
是终端设备无线传输链路l上单位流量的发送功率消耗,fl是终端设备无线传输链路l上的数据传输流量;
Figure FDA0002890904270000028
表示流入节点i的所有通信链路,cr是终端设备单位流量的接收功率消耗;
所述终端设备i的能耗模型表示为:
Figure FDA0002890904270000029
3.根据权利要求2所述的基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传方法,其特征在于,所述步骤二中的网络流平衡模型表示为:
Figure FDA00028909042700000210
其中,
Figure FDA00028909042700000211
即,终端设备节点产生的数据信息流量为视频信息源编码后数据速率,路侧设备节点产生的数据信息流量为零;基站节点的数据信息流量为所有终端设备数据信息流量之和的负数。
4.根据权利要求1所述的基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传方法,其特征在于,所述网络生命周期Tnet为从网络部署开始,到网络中第一个终端设备耗尽能量的时间,表示为:
Figure FDA00028909042700000212
其中,Ti表示终端设备i的生命周期,E(i)表示终端设备i的初始能量,P(i)表示终端设备i的能耗模型。
5.根据权利要求1所述的基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传方法,其特征在于,所述步骤三中,基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传网络的优化数学模型为:
优化问题P1:
Figure FDA0002890904270000031
约束条件:
(1)
Figure FDA0002890904270000032
(2)
Figure FDA0002890904270000033
(3)
Figure FDA0002890904270000034
6.根据权利要求5所述的基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传方法,其特征在于,所述步骤四中,使qi=1/Ti,其中qi的物理意义为终端节点i在初始能量E(i)下的归一化功率消耗变量,将优化目标变为
Figure FDA0002890904270000035
并利用n次模近似
Figure FDA0002890904270000036
则有
Figure FDA0002890904270000037
并在优化目标方程中添加针对优化变量R(i)和fl的二次正则化部分,从而使优化目标方程对于优化变量R(i)和fl具有非严格凸性,改动后的优化问题表示为:
优化问题P2:
Figure FDA0002890904270000038
约束条件:
(1)
Figure FDA0002890904270000039
(2)
Figure FDA00028909042700000310
(3)
Figure FDA00028909042700000311
其中,
Figure FDA00028909042700000312
Figure FDA00028909042700000313
分别是针对优化变量R(i)和fl的二次正则化部分,δ是正则因子,δ>0。
7.根据权利要求6所述的基于路侧设备辅助的终端设备视频信息协作上传方法,其特征在于,采用完全分布式的优化算法求解改动后的优化问题,具体如下:
(1)初始化网络信息;
设置迭代次数k=0,设置节点和通信链路存储器中的变量初始值R(i)(0)、
Figure FDA00028909042700000314
qi(0)、fl(0)、λi(0)、θi(0)、μi(0)为任一非负值;其中,对于终端设备而言,其存储器中存储R(i)(k)、
Figure FDA00028909042700000315
qi(k)、λi(k)、θi(k)、μi(k);对于路侧设备而言,其存储器中存储λi(k);对于通信链路l,其存储器中存储fl(k);
(2)针对通信链路l,根据其流出节点
Figure FDA0002890904270000041
以及流入节点
Figure FDA0002890904270000042
中存储的
Figure FDA0002890904270000043
Figure FDA0002890904270000044
的值,以及本地存储器中的fl(k)、
Figure FDA0002890904270000045
的值,更新原始变量fl(k);
其中,若通信链路l为无线通信链路,即通信链路l的流出节点
Figure FDA0002890904270000046
为终端设备,
Figure FDA0002890904270000047
根据
Figure FDA0002890904270000048
Figure FDA0002890904270000049
更新原始变量fl(k);若通信链路l为有线通信链路,即通信链路l的流出节点
Figure FDA00028909042700000410
为路侧设备,
Figure FDA00028909042700000411
根据
Figure FDA00028909042700000412
Figure FDA00028909042700000413
更新原始变量fl(k);
(3)针对终端设备
Figure FDA00028909042700000414
根据其作为流出节点或流入节点的通信链路l的fl(k)值,以及其存储器中存储的λi(k)、μi(k)、θi(k)的值,更新原始变量R(i)(k)、
Figure FDA00028909042700000415
qi(k):
Figure FDA00028909042700000416
Figure FDA00028909042700000417
Figure FDA00028909042700000418
针对终端设备
Figure FDA00028909042700000419
限据其作为流出节点或流入节点的通信链路l的fl(k)的值,以及其存储器中存储的R(i)(k)、
Figure FDA00028909042700000420
qi(k)、
Figure FDA00028909042700000421
的值,更新对偶变量λi(k)、θi(k)、μi(k):
Figure FDA00028909042700000422
Figure FDA00028909042700000423
Figure FDA00028909042700000424
Figure FDA00028909042700000425
针对路侧设备
Figure FDA00028909042700000426
根据其作为流出节点或流入节点的通信链路l的fl(k)的值,更新对偶变量λi(k):
Figure FDA00028909042700000427
(4)终端设备、路侧设备和通信链路完成原始变量、对偶变量的更新之后,通信链路l将更新后的fl(k+1)广播给其对应的流出、流入节点;终端设备将更新后的
Figure FDA00028909042700000428
Figure FDA00028909042700000429
广播给相应的通信链路;终端设备将更新后的
Figure FDA00028909042700000430
广播给相应的通信链路;迭代次数更新为k=k+1;重复步骤(2)、(3)、(4),直到算法收敛。
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