CN113055679B - 基于毫米波的分级视频传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于毫米波的分级视频传输方法，包括：步骤1，根据用户传输的导频信息获取毫米波信道信息；步骤2，将用户所需的视频进行SVC视频编码；步骤3，将原始信号矩阵进行预编码，预编码后的信号经过离散透镜天线阵列进行波束成形，根据传输速率的贡献选择波束作为承载发射信号的波束；步骤4，对基站覆盖范围内的用户进行发射视频的功率分配和分级视频的层数分配。本发明所述基于毫米波的分级视频传输方法，通过选取了对系统的信息传输速率影响最大的波束的集合，从而减少了系统中需要的射频链路，降低了系统的功耗和成本。

Description

基于毫米波的分级视频传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信传输技术领域，具体涉及一种基于毫米波的分级视频传输方法。

背景技术

通常将30～300GHz的频域(波长为1～10毫米)的电磁波称毫米波，它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼有两种波谱的特点，随着社会经济不断发展，智能手机等用户设备数量呈现指数型增长，需要传输的数据量越来越大，然而现有低频段十分拥挤，用户之间干扰严重，未来无线通信势必向着毫米波频段开发新的频带，毫米波通信具有充裕的频带资源，系统带宽可达500MHz甚至高达2GHz，可以支持很高的通信传输速率；另外，大规模多输入多输出(Massive Multiple Input Multiple Output,Massive MIMO)技术至少需要部署成千上万根天线，经常受到有限空间的制约，而毫米波的波长在1-10毫米之间，天线尺寸与波长成正比，在相同物理空间内，毫米波可以支持更多的天线元件，这使得Massive MIMO技术在毫米波频段得到实现，并且，在相同天线尺寸下，毫米波可以形成更窄的波束，使得波束的指向性更强。

由于在无线通信中需要传输的多媒体内容增多，而且信道环境受到终端、网络类型等多重因素影响不断变化，同时确保信道容量和维持服务质量变得越来越具有挑战性，而可分级视频编码(Scalable Video Code,SVC)的出现可以很好的解决这一问题，SVC在时间、空间或频率上对视频进行分级，分为一个基础层和一个或多个增强层，不同的层数的组合可以对应不同质量的视频版本，因此，可以根据信道的实时状况选择适当的视频层数，当信道容量低时可以选择只传输基础层；当信道容量变大时，传输增强层以提高视频的质量，以此得到自适应性，分级视频由于其灵活性和自适应性，在移动通信的多媒体服务中得到了广泛的应用。

在传统毫米波MIMO系统中，一根天线需要配置一条射频链，发射机需要大量的射频链，导致硬件成本高，电路能耗高，因此引入了透镜天线阵，透镜天线阵就像一个模拟波束形成器，它可以将信号从空间域转换到波束域，透镜天线可以形成很窄的波束，获得较高的天线增益和指向性，而性能损失可以忽略不计，并且毫米波信道具有稀疏性，在透镜天线系统中每个波束代表一个天线，因此只需少量的天线就可以达到传统毫米波Massive MIMO系统的性能，从而可以显著地减少射频链的数量，从而降低系统的功耗和成本。

在波束选择时，性能最好的算法是穷举法，但是复杂度太高，但是目前波束选择方案的算法迭代中首先存在着矩阵求逆操作，算法复杂度比较高，因此考虑一种既性能好且复杂度低的波束选择算法亟待解决，其次是在制定功率分配方案时，基站没有考虑到用户对视频质量的个体需求差异，比如说某些用户可能需要更高的视频质量，因此当基站给用户发送视频时，综合考虑一种既能降低系统功耗又能考虑用户个体差异的功率分配方案。

基于现有技术存在的如上技术问题，本发明一种基于毫米波的分级视频传输方法。

发明内容

为解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种基于毫米波的分级视频传输方法。

本发明所述基于毫米波的分级视频传输方法，包括：

步骤1，根据用户传输的导频信息获取毫米波信道信息；

步骤2，将用户所需的视频进行SVC视频编码，归一化之后形成原始信号矩阵如下式(1)：

上式(1)中，

表示矩阵s是K行1列的复矩阵；

步骤3，将原始信号矩阵进行预编码，预编码后的信号经过离散透镜天线阵列进行波束成形，根据传输速率的贡献选择K个波束作为承载发射信号的波束；

步骤4，对基站覆盖范围内的用户进行发射视频的功率分配和分级视频的层数分配。

进一步地，步骤1中，基站根据用户传输的导频信息估计用户到基站的信道h_k，(k＝1,2,…,K)，进而利用时分双工系统的信道互易性得到基站到用户的信道信息

则下行信道矩阵为下式(2)：

H^H＝[h₁,h₂,…,h_k]^H……(2)，

上式(2)中，(·)^H代表矩阵的复共轭转置。

进一步地，步骤2中，SVC视频被编码分成五层，其中，第一层为基础层，其余是增强层。

进一步地，步骤3中，通过迫零算法进行预编码，预编码矩阵

为下式(3)：

V＝H(H^HH)^-1α……(3)，

上式(3)中，α＝diag(α₁,α₂,…,α_K)是功率控制因子矩阵，满足下式(4)：

上式(4)中，[·]_kk表示矩阵的第k行第k列个元素。

进一步地，步骤3中，离散透镜天线阵列利用离散傅里叶变换将信号从空间域转化到波束域，波束成形矩阵包含了覆盖范围内的整个空间的N_T个正交方向的阵列方向矢量，波束成形矩阵表示为下式(5)：

上式(5)中，N_T为发射天线数目，列矩阵

表示为下式(6)-(8)：

τ(N_T)＝{l-(N_T-1)/2,l＝0,1,…,N_T-1}……(8)，

上式(6)-(8)中，

表示的波束成形矩阵U的第n列的方向角度，τ(N_T)表示的是列矩阵

中m的取值组成的集合，l是指τ(N_T)中元素的序号。

进一步地，步骤3中，波束选择的过程如下：

步骤3-1，总波束集合为

波束的选择集合F为空集，待挑选波束集合W＝I，丢弃波束的集合A为空集；

步骤3-2，对于待挑选波束集合W中的每一个波束e_i，依次计算参数

和

其中，

将当前波束对视频传输速率的影响参数n最大的波束放入波束集合F中，去掉当前波束的剩余波束对传输功率的影响参数m最大的波束放入丢弃波束集合A中，并在待挑选波束集合W中去掉波束集合F与波束集合A；

步骤3-3，若波束选择集合F中元素个数为K个，则波束选择结束，波束选择集合为F；若丢弃波束的集合A中元素个数为(N_T-K)个，则波束选择结束，波束选择集合为I-A；否则，继续步骤3-2和步骤3-3。

进一步地，步骤4中，通过质功比对用户进行功率分配和层数分配，其中，质功比为下式(9)：

上式(9)中，q_k表示视频的质量，P_Tk表示传输视频所需的平均总功率，P_Tk表示为下式(10)：

上式(10)中，P_k是分配给用户的发射功率，P_BB表示基带的功率消耗，P_H是系统硬件消耗的功率。

进一步地，步骤4中还包括计算每个用户的质功比

传输功率P_k与质功比η_k之间满足下式(11)：

上式(11)简化为下式(12)：

P_k＝g(η_k)……(12)，

上式(12)中，B是信道带宽，

是信道中高斯白噪声的方差，h(x)的表达式如下式(13)所示：

上式(13)中，W₀是Lambert W函数；

按照下式(14)定义参考函数：

J(P_k,η_k)＝f(P_k)-(P_k+a)η_k……(14)，

上式(14)表示的是传输速率P_k与质功比η_k的满足的关系式，并且a＝(P_BB+P_H)/K，f(P_k)的表达式如下式(15)：

上式(15)，是视频质量q＝f(P_k)与传输功率P_k之间满足的关系式。

进一步地，计算每个用户的质功比

包括：

步骤41-1，定义质功比下界为η₁、上界为η₂，算法精确度为e；

步骤41-2，令η₃＝(η₁+η₂)/2，计算P_k＝g(η₃)；

步骤41-3，若J(P_k,η₃)＞0，则令η₁＝η₃；若J(P_k,η₃)≤0，则令η₂＝η₃；

步骤41-4，若η₂-η₁＞e，继续步骤41-2至步骤41-4；若η₂-η₁≤e，则

进一步地，步骤4中包括计算传输功率及进行功率分配的步骤：

步骤42-1，将质功比

带入P_k＝g(η_k)，求出传输功率

其中，传输速率r_k与传输功率P_k之间满足下式(16)：

将

带入上式(16)，求出传输速率

步骤42-2，根据传输速率

求出传输层数l_k和l_k+1，其中，传输层数l_k和传输功率P_k之间满足下式(17)：

上式(17)中，m(l_k)是指分级视频层数与所需最低传输速率r_k之间满足的关系式；

将上式(17)简化为下式(18)：

P_k＝p(l_k)……(18)，

由传输层数l_k和l_k+1计算出对应的传输功率

和

步骤42-3，根据传输层数l_k和l_k+1，求出对应层数的视频质量

和

步骤42-4，将传输功率

和

以及视频质量

和

分别带入质功比的公式，计算出η₁和η₂；

步骤42-5，若η₁＞η₂，最优传输功率

最优层数l_ok＝l_k，最优质功比η_ok＝η₁，次优传输功率

次优传输参数l_ok′＝l_k+1，次优质功比η_ok′＝η₂；若η₁≤η₂，最优传输功率

最优层数l_ok＝l_k+1，最优质功比η_ok＝η₂，次优传输功率

次优层数l_ok′＝l_k，次优质功比η_ok′＝η₁；

步骤42-6，将每个用户的最优传输功率P_ok进行加和，并与总传输功率P_M进行比较：

若最优传输功率总和小于等于总传输功率，即

表明全部用户可以取到最优层，则每个用户的传输功率为P_ok，传输层数为l_ok；

若最优传输功率总和大于总传输功率，即

将次优传输功率P_ok′进行加和，并与总传输功率P_M比较大小：

若次优传输功率总和小于等于总传输功率，即

表明部分用户取到最优传输功率，剩余用户取到次优传输功率；

若次优传输功率总和大于总传输功率，即

表明全部用户都取不到次优传输功率。

与现有技术相比，本发明的优越效果在于：

1、本发明所述的基于毫米波的分级视频传输方法，根据毫米波信道稀疏性的特点，选取了对系统的信息传输速率影响最大的波束的集合，从而减少了系统中需要的射频链路，降低了系统的功耗和成本；

2、本发明所述的基于毫米波的分级视频传输方法，充分考虑了总传输功率的约束，在保证不同用户间获取功率和视频层数公平性下，可以联合优化传输功率和视频质量。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例

在本实施例中提出了一种基于毫米波的分级视频传输方法，设置一个配置有根发射天线和根射频链路的采用透镜天线阵列的基站，基站使用毫米波给覆盖范围内的个单天线用户发送分级视频，首先是将用户所需的视频进行SVC视频编码，共编码为5层，其中第1层装载的是视频的基础信息，其余4层是增强信息；其次，是将信号通过透镜天线转成波束发给对应的用户，由于毫米波信道具有稀疏性的特点，因此需要选择出对系统性能影响最大的主要波束的集合，用主导波束给用户发射信号；最后，需要给发射信号分配发射功率，由于信号的总发射功率是一定的，并且存在多个用户，需要考虑公平性问题，因此需要设计最优的功率分配方案。

所述基于毫米波的分级视频传输方法包括：

1、信道信息获取和SVC视频编码

1.1、毫米波信道信息获取：基站根据用户传输的导频信息估计用户到基站的信道h_k，(k＝1,2,…,K)，进而利用时分双工系统的信道互易性得到基站到用户的信道信息

则下行信道矩阵为：H^H＝[h₁,h₂,…,h_k]^H；

1.2、SVC视频编码：将用户所需的视频进行SVC视频编码，归一化之后形成的原始信号矩阵

SVC视频一共被编码成五层，第一层是基础层，其余层是增强层，每层所需的最低传输速率和每层对应视频质量如表1所示：

层数	传输速率/kbps	视频质量PSNR/dB
			1	74.468	28.1406
2	93.576	30.6066
			3	297.652	37.2694
4	552.244	38.5445
			5	710.404	39.2136

表1

如表1所示，视频质量q与传输速率r之间能够拟合成连续函数：

q＝-774.5r^-0.9601+40.51，

层数l_k与所需的最低传输速率r_k之间的关系式为：

2、天线选择

2.1、对原始信号矩阵s进行预编码：为消除不同信道之间的干扰，需要对原始信号矩阵s进行预编码，预编码采用迫零算法，预编码矩阵

为：

V＝H(H^HH)^-1α，其中，α＝diag(α₁,α₂,…,α_K)是功率控制因子矩阵，满足：

其中，[·]_kk表示矩阵的第k行第k列个元素；

2.2、波束成形：离散透镜天线阵列利用离散傅里叶变换将信号从空间域转化到波束域，波束成形矩阵包含了覆盖范围内的整个空间的N_T个正交方向的阵列方向矢量，波束成形矩阵为：

其中N_T为发射天线数目，列矩阵

为

τ(N_T)＝{l-(N_T-1)/2,l＝0,1,…,N_T-1}，

其中，

表示的波束成形矩阵U的第n列的方向角度，τ(N_T)表示的是列矩阵

中m的取值组成的集合，l是指τ(N_T)中元素的序号；

2.3、波束选择：毫米波信号具有稀疏性，为节省功率，选择出系统的传输速率贡献最大的K个波束，波束选择的具体过程如下：

2.31、总波束集合

波束的选择集合F为空集，待挑选波束集合W＝I，丢弃波束的集合A为空集；

2.32、对于待挑选波束集合W中的每一个波束e_i，依次计算参数

和

其中

把使当前波束对视频传输速率的影响参数n最大的波束放入波束集合F中，使得去掉当前波束的剩余波束对传输功率的影响参数m最大的波束放入丢弃波束集合A中，并且在待挑选波束集合W中去掉这两个波束；

2.33、若波束选择集合F中元素个数为K个，则波束选择结束，波束选择集合为F；若丢弃波束的集合A中元素个数为(N_T-K)个，则波束选择结束，波束选择集合为I-A；否则，继续第2.32、2.33步。

3、功率分配和视频层数分配

为联合优化发射功率和视频质量，引入质功比进行优化：

其中q_k表示视频的质量，P_Tk表示传输视频所需的平均总功率，P_Tk表示为：

其中P_k是分配给用户k的发射功率，P_BB表示基带的功率消耗，P_H是系统硬件消耗的功率；

考虑到不同用户之间的公平性问题，基站给用户分配发送功率和视频层数的方案的流程如下：

3.1、计算每个用户的最优传输方案

3.1.1、计算每个用户的最优质功比

传输功率P_k与质功比η_k之间满足：

将上述关系式简化成：

P_k＝g(η_k)，

其中，B是信道带宽，

是信道中高斯白噪声的方差，h(x)的表达式如下所示：

其中，W₀是Lambert W函数；

定义参考函数：

J(P_k,η_k)＝f(P_k)-(P_k+a)η_k，

其中，上式表示的是传输速率P_k与质功比η_k的满足的关系式，a＝(P_BB+P_H)/K，f(P_k)的表达式为：

计算用户k的最优质功比

的步骤包括：

a)设置功速比下界为η₁、上界为η₂，以及算法精确度为e；

b)令η₃＝(η₁+η₂)/2，计算P_k＝g(η₃)；

c)若J(P_k,η₃)＞0，则令η₁＝η₃；若J(P_k,η₃)≤0，则令η₂＝η₃；

d)若η₂-η₁＞e，继续第b)、c)、d)步；若η₂-η₁≤e，则

3.1.2计算最优和次优传输方案

a)将3.1.1求出的最优质功比

带入P_k＝g(η_k)，求出最优传输功率

b)传输速率r_k与传输功率P_k之间满足以下关系式：

将

带入，求出传输速率

c)由表1根据传输速率

求出传输层数l_k和l_k+1；

d)传输层数和传输功率之间满足：

将上述公式简化为以下形式：

P_k＝p(l_k)，

由传输层数l_k和l_k+1计算出对应的传输功率

和

e)根据传输层数l_k和l_k+1，由表1求出对应层数的视频质量

和

f)将传输功率

和

以及视频质量

和

分别带入质功比的公式，计算出η₁和η₂；

g)若η₁＞η₂，最优传输功率

最优层数l_ok＝l_k，最优质功比η_ok＝η₁，次优传输功率

次优传输参数l_ok′＝l_k+1，次优质功比η_ok′＝η₂；若η₁≤η₂，最优传输功率

最优层数l_ok＝l_k+1，最优质功比η_ok＝η₂，次优传输功率

次优层数l_ok′＝l_k，次优质功比η_ok′＝η₁；

3.1、计算每个用户的最优传输方案，将每个用户的最优传输功率P_ok进行加和，并且与总传输功率P_M进行比较：

若最优传输功率总和小于等于总传输功率(即

)，说明全部用户可以取到最优层，则每个用户的传输功率为P_ok，传输层数为l_ok；

若最优传输功率总和大于总传输功率(即

)，将次优传输功率P_ok′进行加和，并与总传输功率P_M比较大小：

若次优传输功率总和小于等于总传输功率(即

)，说明部分用户可以取到最优传输功率，剩余用户可以取到次优传输功率，用以下步骤计算可以取到最优传输功率的用户数目J：

a)将用户按照最优质功比η_ok从小到大的顺序进行排序；

b)初始化i＝1；

c)

d)若P＞P_M，则令i＝i+1，继续第c)、d)步；若P≤P_M，则J＝i；

在上述情况下的传输方案为：用户按照η_ok从小到大的顺序进行排序后，前J个用户的传输功率为P_ok，传输层数为l_ok，后(K-J)个用户的传输功率为P_ok′，传输层数为l_ok′；

若次优传输功率总和大于总传输功率(即

)，说明全部用户都取不到次优传输功率，则采用以下步骤计算此情况下的分配方案：

a)初始化：l_k＝l_ok；

b)令l_k＝l_k-1，P_k＝p_k(l_k)，η_k＝f_k(P_k)，

c)若P＞P_M，则继续进行第b)、c)步；若P≤P_M，则将用户按照η_k从小到大的顺序进行排序；

d)初始化i＝1，l_ok＝l_k+1，P_ok＝p_k(l_ok)，l_ok′＝l_k，P_ok′＝P_k；

e)

f)若P＞P_M，则令i＝i+1，继续进行第d)、e)步；若P≤P_M，则J＝i；

在上述情况下的传输方案为：用户按照η_k从小到大的顺序进行排序后，前J个用户的传输功率为P_ok，传输层数为l_ok，后(K-J)个用户的传输功率为P_ok′，传输层数为l_ok′。

本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。

Claims (3)

1.一种基于毫米波的分级视频传输方法，其特征在于，包括：

步骤1，根据用户传输的导频信息获取毫米波信道信息；

步骤2，将用户所需的视频进行SVC视频编码，归一化之后形成原始信号矩阵：

其中，

表示的是矩阵s是K行1列的复矩阵；

步骤3，将原始信号矩阵进行预编码，预编码后的信号经过离散透镜天线阵列进行波束成形，根据传输速率的贡献选择K个波束作为承载发射信号的波束；

步骤4，对基站覆盖范围内的用户进行发射视频的功率分配和分级视频的层数分配。

2.根据权利要求1所述的基于毫米波的分级视频传输方法，其特征在于，步骤1中，基站根据用户传输的导频信息估计用户到基站的信道h_k，k＝1,2,…,K，进而利用时分双工系统的信道互易性得到基站到用户的信道信息

则下行信道矩阵为：

H^H＝[h₁,h₂,…,h_k]^H……(2)，

其中，(·)^H代表矩阵的复共轭转置。

3.根据权利要求1所述的基于毫米波的分级视频传输方法，其特征在于，步骤2中，SVC视频被编码分成五层，其中，第一层为基础层，其余是增强层。