JP7008998B2 - Live video broadcasting system based on two-layer drive interference coordination and its realization method - Google Patents

Live video broadcasting system based on two-layer drive interference coordination and its realization method Download PDF

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Description

本発明は、ソフトウェア無線情報伝送技術に属し、具体的に、2層駆動干渉コーディネーションに基づく映像実況放送システム及びその実現方法に関する。 The present invention belongs to software defined radio information transmission technology, and specifically relates to a live video broadcasting system based on two-layer drive interference coordination and a method for realizing the same.

近年、映像実況放送は、最も流行っているマルチメディア形式である。映像実況放送と従来の映像伝送との区別として、映像実況放送には、高いリアルタイム性が必要とされており、完全な映像リソースをダウンロードし終えてから後(オフラインで)再生するのではなく、ダウンロードしながら再生する(ダウンロードすると同時に再生する)オンラインマルチメディア伝送になっている。そのため、映像実況放送では、高速度、低遅延及び低ビット誤り率のブロードバンド伝送環境を伝送ネットワークによって提供できることが必要となる。しかし、携帯電話等のモバイルクライアントで映像実況放送を視聴する若者がますます多くなっている中、様々な干渉による影響を受けることがよくある。このような伝送環境では、多くの場合、映像実況放送に必要な高性能伝送要求を満たすことが困難である。したがって、伝送干渉の問題は、有効に解決しなければならない。 In recent years, live video broadcasting has become the most popular multimedia format. The distinction between live video broadcasts and traditional video transmissions is that live video broadcasts require high real-time performance, rather than playing back (offline) after the complete video resource has been downloaded. It is an online multimedia transmission that plays while downloading (plays at the same time as downloading). Therefore, in live video broadcasting, it is necessary to be able to provide a broadband transmission environment with high speed, low delay, and low bit error rate by a transmission network. However, as more and more young people watch live video broadcasts on mobile clients such as mobile phones, they are often affected by various types of interference. In such a transmission environment, it is often difficult to meet the high-performance transmission requirements required for live video broadcasting. Therefore, the problem of transmission interference must be effectively solved.

コグニティブ無線技術は、時間及び空間的に空きスペクトルを十分に活用して、干渉コーディネーションを実現することにより、伝送中に干渉が発生する可能性を低減する。コグニティブ無線は、スマートなスペクトル共有技術であり、周囲の無線環境を感知し、環境データに対する分析を通じて、要求を満たすスペクトルを得ることができ、更に、スペクトルリソースの合理的な利用を実現している。そのため、複雑な伝送環境では、コグニティブ無線技術を用いて、映像実況放送のための空きスペクトルを選択すれば、伝送干渉の問題を有効に解決することができる。 Cognitive radio technology makes full use of the free spectrum in time and space to achieve interference coordination, thereby reducing the possibility of interference during transmission. Cognitive radio is a smart spectrum sharing technology that can sense the surrounding radio environment and analyze the environmental data to obtain a spectrum that meets the requirements, and also realizes rational use of spectrum resources. .. Therefore, in a complicated transmission environment, the problem of transmission interference can be effectively solved by selecting an empty spectrum for live video broadcasting using cognitive radio technology.

ユーザ体感品質(Quality of Experience、QoE)とは、デバイス、ネットワーク及びシステム、アプリケーションや業務の品質及び性能に対するユーザの主観的な体験を指し、ユーザが感じた過程全体の完了難易度である。映像実況放送のリアルタイム性のため、測定されたパラメータの一部は、ユーザが映像実況放送を利用する際のQoE、及び、映像実況放送が強い干渉を受けているかを、ある程度で反映することができる。 User experience quality (Quality of Experience, QoE) refers to the user's subjective experience of the quality and performance of devices, networks and systems, applications and operations, and is the degree of difficulty of completing the entire process felt by the user. Due to the real-time nature of live video broadcasting, some of the measured parameters may reflect to some extent the QoE when the user uses live video broadcasting and whether the live video broadcasting is strongly interfered with. can.

ソフトウェア無線技術(Software Defined Radio、SDR)は、コグニティブ無線等の通信技術の研究及びテストによく使用される技術手段の1つである。ソフトウェア無線技術とは、汎用、標準及びモジュール化で且つ固定不変のハードウェアプラットフォームを採用して、様々な無線通信機能(例えば、動作周波数帯域、変復調タイプ、データフォーマット、通信プロトコル等)をソフトウェアプログラミング方式で実現すること、及び、柔軟で多様な通信体制及び通信機能の無線システムをソフトウェアのリファクタリングで実現することを指す。USRP RIOは、近年の比較的に成熟したソフトウェア無線プラットフォームの1つであり、同じタイプの他の機器に比べて、良好なハードウェア処理能力、便利な操作、可視化グラフィック言語といった利点を持つとともに、その調整可能なハードウェアパラメータがより広く、数値がより精確である。 Software defined radio (SDR) is one of the technical means often used for research and testing of communication technologies such as cognitive radio. Software defined radio technology employs general-purpose, standard and modular, fixed and immutable hardware platforms to program various wireless communication functions (eg, operating frequency band, modulation / demodulation type, data format, communication protocol, etc.). It refers to the realization of a method and the realization of a flexible and diverse communication system and wireless system with communication functions by software refactoring. USRP RIO is one of the relatively mature software defined radio platforms in recent years, with advantages such as better hardware processing power, convenient operation, and visualization graphic language compared to other devices of the same type. Its adjustable hardware parameters are wider and the numbers are more accurate.

ホーム基地局は、小型基地局に似た物理デバイスであり、モバイル通信信号のカバレッジを拡張するために用いられることが多い。ホーム基地局を屋内に置いて有効にすれば、ユーザは、屋内でも高品質の信号を受信することができる。しかし、ホーム基地局の導入後、ホーム基地局と基地局の動作環境には、マクロセル基地局とホーム基地局との間の干渉、マクロセル基地局とホーム基地局のユーザとの間の干渉、マクロセルユーザとホーム基地局との間の干渉、マクロセルのユーザとホーム基地局のユーザとの間の干渉、及び、ホーム基地局とホーム基地局との間の干渉といった新しい干渉が現れている。これらの干渉は、正常に動作しているホーム基地局に深刻な影響を与えてしまう。 Home base stations are physical devices that resemble small base stations and are often used to extend the coverage of mobile communication signals. If the home base station is placed indoors and enabled, the user can receive high quality signals even indoors. However, after the introduction of the home base station, the operating environment of the home base station and the base station includes interference between the macrocell base station and the home base station, interference between the macrocell base station and the user of the home base station, and macrocell. New interferences are emerging, such as interference between the user and the home base station, interference between the macrocell user and the home base station user, and interference between the home base station and the home base station. These interferences have a serious impact on a home base station that is operating normally.

つまり、コグニティブ無線技術を使用した後の従来の干渉コーディネーションは、通常、感知精確度及び感知正確率を如何に向上させる研究に限られている。しかし、エラーの発生を感知して意図しないチャネルスペクトルリソースを使用することに起因して、通信サービスの品質が低下してしまうと、従来の方法では、エラーをタイムリーに修正することができない。映像実況放送といったサービスにとっては、このようのエラーが発生すると、映像実況放送が影響を受け、最悪の場合、映像実況放送のデータストリームが中断されてしまう。 That is, conventional coherence coordination after the use of cognitive radio technology is usually limited to studies of how to improve sensing accuracy and sensing accuracy. However, if the quality of the communication service deteriorates due to the detection of the occurrence of an error and the use of unintended channel spectrum resources, the error cannot be corrected in a timely manner by the conventional method. For services such as live video broadcasting, when such an error occurs, the live video broadcasting is affected, and in the worst case, the data stream of the live video broadcasting is interrupted.

従って、本発明者らは、USRP RIOソフトウェア無線プラットフォームに基づいて構築したホーム基地局システム用のテスト環境を通じて、2層駆動干渉コーディネーションに基づく映像実況放送の技術性能を検証すると考えている。 Therefore, we believe that we will verify the technical performance of live video broadcasting based on two-layer drive interference coordination through a test environment for home base station systems built on the USRP RIO software defined radio platform.

発明の目的:本発明の目的は、従来技術に存在している欠点を解決した2層駆動干渉コーディネーションに基づく映像実況放送システム及びその実現方法を提供することにあり、本発明は、USRP RIOソフトウェア無線プラットフォームを実験プラットフォームとして使用し、ホーム基地局を構築して2層駆動干渉コーディネーションの映像実況放送の技術性能をテスト及び検証するものであり、映像実況放送の前に、コグニティブ無線技術を用いて物理層でスペクトルエネルギーを検出し、異なる感知ノードから提供された同一スペクトルのデータを分析してスペクトル状態を識別し、干渉を避け、次に、映像実況放送中に、QoE性能により判別してスペクトルリソースの再割当を決定し、クロスレイヤー干渉コーディネーションを通じて、無干渉及び低ビット誤り率の効果を達成し、最終的に、低遅延、高速度の映像実況放送を得る。 Purpose of the Invention: An object of the present invention is to provide a live video broadcasting system based on two-layer drive interference coordination that solves the shortcomings existing in the prior art, and a method for realizing the same, and the present invention is the USRP RIO software. Using the wireless platform as an experimental platform, a home base station is constructed to test and verify the technical performance of live video broadcasting of two-layer drive interference coordination. Before live video broadcasting, cognitive radio technology is used. Spectral energy is detected in the physical layer, data of the same spectrum provided by different sensing nodes is analyzed to identify the spectral state, avoid interference, and then discriminated by QoE performance during live video broadcasting. Determine resource reallocation, achieve non-interference and low bit error rate effects through cross-layer interference coordination, and finally obtain low-latency, high-speed live video broadcasts.

技術案:本発明に係る2層駆動干渉コーディネーションに基づく映像実況放送システムは、いくつかのユーザモジュール、ホーム基地局FAP、情報融合センターFC、及び、ユーザに対応する感知ノードを含み、上記ユーザモジュールは、具体的には、ユーザに使用されるスマートモバイルデバイス(例えば携帯電話及びIPad等)を指し、且つデータ送受信機能を持ち、上記ホーム基地局FAPは、限られた範囲内で、ネットワークアクセス機能を提供するものであり、ユーザは、FAPを通じてネットワークにアクセスし、低遅延、高速度の無線ネットワークサービスを得て、ホーム基地局FAPとユーザとの間は、無線通信を採用し、ホーム基地局FAPと情報融合センターFCとの間は、有線通信を採用し、有線通信は、両者の間の通信の高効率及び無干渉を保証可能であり、上記感知ノードは、付近の無線環境情報を感知して、感知された情報を保存する機能ノードであり、データを送信する機能も持ち、感知ノードと情報融合センターFCとの間は、有線接続方式を採用してデータ交換し、上記情報融合センターFCは、サービス範囲内の全てのホーム基地局、感知ノード、及び、感知ノードにより収集された無線環境情報を統合管理するものであり、無線環境データ情報を分析することで、サービスを提供可能なスペクトルリソース、及び、サービスを提供不能なスペクトルリソースを得て、もしスペクトルリソースの使用が必要となるユーザが有ると、情報融合センターFCは、サービスを提供可能なスペクトルリソースの中から、該当のリソースを選別して割り当ててホーム基地局FAP及びユーザによる使用に供する。上記のように無線リソースを集中管理することで、干渉コーディネーションが有効に行われる。 Technical proposal: The video live broadcasting system based on the two-layer drive interference coordination according to the present invention includes several user modules, a home base station FAP, an information fusion center FC, and a sensing node corresponding to the user, and the above user module. Specifically refers to a smart mobile device (for example, a mobile phone and an IPad) used by a user, and has a data transmission / reception function. The home base station FAP has a network access function within a limited range. The user accesses the network through FAP to obtain low-latency, high-speed wireless network service, and adopts wireless communication between the home base station FAP and the user, and the home base station. Wired communication is adopted between the FAP and the information fusion center FC, and the wired communication can guarantee high efficiency and no interference of communication between the two, and the above-mentioned sensing node senses nearby wireless environment information. It is a functional node that saves the sensed information, and also has a function to send data. The information fusion center is located between the sensing node and the information fusion center FC by adopting a wired connection method to exchange data. FC integrates and manages all home base stations, sensing nodes, and wireless environment information collected by sensing nodes within the service range, and can provide services by analyzing wireless environment data information. If there is a user who has obtained a spectrum resource and a spectrum resource that cannot be serviced and needs to use the spectrum resource, the Information Fusion Center FC will select the corresponding resource from the spectrum resources that can be serviced. Is selected and assigned for use by the home base station FAP and the user. Interference coordination is effectively performed by centrally managing radio resources as described above.

感知ノードは、付近の無線環境情報を感知して、感知された情報を保存する機能ノードを指す。 The sensing node refers to a functional node that senses nearby wireless environment information and stores the sensed information.

本発明は、2層駆動干渉コーディネーションに基づく映像実況放送実現方法を更に開示しており、この映像実況放送実現方法は、ステップ1~4を含む。
ステップ1は、感知ノードが付近の無線環境のスペクトル情報を周期的に収集して、最新のデータ情報を情報融合センターFCに送信するステップであり、感知ノードの数が多く、スペクトル情報の感知のスパンが大きいため、情報を送信する前に、送信データを該当のデータフォーマットに従ってカプセル化する必要がある。
ステップ2は、情報融合センターFCが感知データを受け取った後、融合戦略を用いて、使用可能スペクトルリソースリストを得て、アクセスをリクエストしたユーザが有ると、情報融合センターFCが、該当のスペクトルリソース(例えば空きスペクトル、即ち良好な通信品質を提供可能なスペクトル)を割り当ててユーザ及びホーム基地局FAPによる使用に供し、もし適切な使用可能リソースがなければ、その旨のメッセージをホーム基地局FAPに返して該ユーザのリクエストをサービス待ちキューに入れ、空きリソースが出たら、サービス待ちキュー内のユーザに優先的にリソースを割り当て、リソースの割当と同時に、情報融合センターFCがスペクトル使用状況を記録し、ユーザが次回にアクセスをリクエストした時に、ユーザの重複したネットワークアクセス又はスペクトルリソースの重複した使用が回避されるように使用記録を対比するステップである。
ステップ3は、ユーザがスペクトルリソースを占有すると同時に、一連のユーザ体感品質パラメータ(例えば、ビット誤り率や速度等)をフィードバックする必要があり、その後、これらのユーザ体感品質QoEを監視及び分析することで、スペクトルリソースを再割当するかを決定し、もしユーザ体感品質QoEがサービス需要よりも低ければ、情報融合センターFCが、使用可能なスペクトルリソースをユーザ及び該当のホーム基地局FAPに再割当するステップである。
ステップ4は、サービス終了後、情報融合センターFCが該当のリソースを解放するステップである。
The present invention further discloses a method for realizing live video broadcasting based on two-layer drive interference coordination, and this method for realizing live video broadcasting includes steps 1 to 4.
Step 1 is a step in which the sensing node periodically collects the spectral information of the nearby wireless environment and transmits the latest data information to the information fusion center FC. The number of sensing nodes is large, and the spectral information is sensed. Due to the large span, the transmitted data must be encapsulated according to the appropriate data format before transmitting the information.
In step 2, after the information fusion center FC receives the sensing data, the fusion strategy is used to obtain a list of available spectral resources, and if there is a user who has requested access, the information fusion center FC determines the corresponding spectral resource. Allocate a free spectrum (eg, a spectrum capable of providing good communication quality) for use by the user and the home base station FAP, and if there is no suitable available resource, send a message to that effect to the home base station FAP. In return, the request of the user is put in the service waiting queue, and when free resources are available, the resources are preferentially allocated to the users in the service waiting queue, and at the same time as the resource allocation, the information fusion center FC records the spectrum usage status. , A step of comparing usage records to avoid duplicate network access or duplicate use of spectral resources by the user the next time the user requests access.
Step 3 requires that the user occupy the spectral resource and at the same time feed back a set of user experience quality parameters (eg, bit error rate, speed, etc.), and then monitor and analyze these user experience quality QoEs. Determines whether to reallocate the spectral resources, and if the user experience quality QoE is lower than the service demand, the Information Fusion Center FC reallocates the available spectral resources to the user and the corresponding home base station FAP. It's a step.
Step 4 is a step in which the information fusion center FC releases the corresponding resource after the service ends.

上記の2層駆動干渉コーディネーションに基づく映像実況放送実現方法では、映像実況放送を行う前に、物理層でコグニティブ無線技術を用いて空きチャネルを選択してデータ伝送を行い、周囲の無線環境を感知することで無線環境内のスペクトルデータを収集し、同一スペクトルの異なる感知ノードにより感知されたスペクトルエネルギーデータを分析して、空きチャネルを選択して映像実況放送のデータ伝送を行い、映像実況放送中に、アプリケーション層でQoE性能を周期的に検出し、QoE性能がプリセット値よりも低くなったら、新しいスペクトルリソースを再割当して、ユーザが通信サービスの使用中に干渉の影響を受けないことを保証し、情報伝送の安定性を向上させ、映像の品質及び映像実況放送のスムーズさを保証する。 In the above-mentioned method for realizing live video broadcasting based on two-layer drive interference coordination, data transmission is performed by selecting an empty channel in the physical layer using cognitive wireless technology before performing live video broadcasting, and the surrounding wireless environment is sensed. By doing so, spectrum data in the wireless environment is collected, spectral energy data sensed by different sensing nodes of the same spectrum is analyzed, an empty channel is selected, and data transmission of live video broadcasting is performed, and live video broadcasting is in progress. In addition, the QoE performance is periodically detected in the application layer, and when the QoE performance becomes lower than the preset value, a new spectral resource is reassigned so that the user is not affected by interference while using the communication service. Guarantee, improve the stability of information transmission, guarantee the quality of video and the smoothness of live video broadcasting.

従って、ステップ3において、QoE性能を周期的に検出して判別する必要があり、こうすれば、類似な感知エラーをタイムリーに見つけ、候補となる残りの空きチャネルを選択してデータ通信を行うことができる。 Therefore, in step 3, it is necessary to periodically detect and determine the QoE performance, thereby finding similar detection errors in a timely manner, selecting the remaining free channels as candidates, and performing data communication. be able to.

さらに、上記ステップ2における融合戦略の具体的な過程としては、
情報融合センターFCが各感知ノードから送られたデータを受け取ると、まず全てのデータに対してサンプリング処理を行い、サンプリングレートをMとし(Mの大小は、システム性能によって決まる)、サンプリング処理が完了した後、異なる感知ノードの同一周波数帯域の能力検出データについて平均Kを取り、iは、異なる感知ノードを表し、下記の硬判定式によってスペクトルが空いているかを判断し、

Figure 0007008998000001
Nは、感知ノードの数であり、H及びHは、それぞれ空きリソース及び非空きリソースを判断する硬判定閾値であり、Fは、判定結果を表し、
判定結果F=0の場合、該スペクトルリソースは、空きリソースであり、判定結果F=1の場合、該スペクトルリソースは、非空きリソースであり、判定結果F=2の場合、該スペクトルリソースは、正確に判断できないリソースとなり、二次判定を行い、
二次判定方式について、投票メカニズムが採用され、即ち、全てのK<H又はK>Hの数を統計し、感知ノードの投票数が半分を超える(即ち、全ての感知ノードから提交されたデータのうち、半分以上のノードデータが空き又は非空きとされる)と、それを空き又は非空きリソースであると判定し、二次判定を経ても結果となるリソースが得られない場合、当意思決定ラウンドでそれを破棄し、次の新しい意思決定ラウンドの開始まで待って判定を再び行う。 Furthermore, as a specific process of the fusion strategy in step 2 above,
When the Information Fusion Center FC receives the data sent from each sensing node, it first performs sampling processing on all the data, sets the sampling rate to M (the magnitude of M is determined by the system performance), and the sampling processing is completed. After that, the average Ki is taken for the capability detection data of the same frequency band of different sensing nodes, i represents different sensing nodes, and it is judged whether the spectrum is open by the following rigid determination formula.
Figure 0007008998000001
N is the number of sensing nodes, H 0 and H 1 are hard judgment thresholds for judging free resources and non-free resources, respectively, and F represents the judgment result.
When the determination result F = 0, the spectrum resource is a free resource, when the determination result F = 1, the spectrum resource is a non-free resource, and when the determination result F = 2, the spectrum resource is. It becomes a resource that cannot be judged accurately, so a secondary judgment is made and
For the secondary decision method, a voting mechanism is adopted, that is, the number of all Ki <H 0 or Ki > H 1 is statistic, and the number of votes of the sensing node exceeds half (that is, from all sensing nodes). Of the submitted data, more than half of the node data is free or non-free), it is judged as a free or non-free resource, and the resulting resource cannot be obtained even after the secondary judgment. If so, discard it in this decision round, wait until the start of the next new decision round, and make the decision again.

さらに、上記ステップ2における融合戦略がシステム内dにて一定の時間周期で実行され、且つ該時間周期がシステム感知機能の優劣と密接に関連しており、融合戦略の実行周期が、調整可能なパラメータとして設定され、後続のデバッグ及び使用中に、リアルタイムに変更され、融合戦略の理論的な時間オーバーヘッドは、O(n)であり、そのため、サイクル周期の設定は、融合過程が完了できることを保証すればよい。 Further, the fusion strategy in step 2 is executed in the system d at a fixed time cycle, and the time cycle is closely related to the superiority or inferiority of the system sensing function, and the execution cycle of the fusion strategy can be adjusted. Set as a parameter and changed in real time during subsequent debugging and use, the theoretical time overhead of the fusion strategy is O (n), so the cycle cycle setting ensures that the fusion process can be completed. do it.

さらに、上記ステップ3におけるスペクトルリソースを再割当する過程は、リソース最適化段階となり、具体的な操作方式として、まずユーザ体感品質QoEの検出を監視及び分析し、もしユーザ体感品質がプリセット閾値よりも低ければ(ここで、閾値は、ユーザが使用する具体的サービスによって決まり、例えば、閾値を0に設定してもよく、即ち、ビット誤りが有ったら、スペクトルリソースが不良であるとし、新しいスペクトルリソースに取り換える必要がある)、情報融合センターFCが、リソースの割当時に保存したユーザリソース対応表を参照して、Aタイプのイベント又はBタイプのイベントが発生したかを判別し、Aタイプのイベントが発生した場合、ホーム基地局FAPのサービス範囲内で、2つの通信リンクが互に干渉して、ユーザ体感品質QoEが低下していることを示すため、情報融合センターFCが、チャネル占有時間が短い方のユーザにリソースを再割当し、Bタイプのイベントが発生した場合、このユーザに占有されるチャネルが、マクロセル基地局、マクロセルユーザ又は他の干渉を受けて、ユーザ体感品質QoEが低下していることを示すため、情報融合センターFCが、ユーザにスペクトルリソースを再割当し、上述したAタイプのイベント及びBタイプのイベントは、それぞれ、異なる干渉状況を表しており、Aタイプのイベントは、異なるホーム基地局FAPとユーザとの間の通信による相互の干渉を指し、Bタイプのイベントは、マクロ基地局及びマクロ基地局のユーザの通信によるチャネル占有又は強い干渉に起因して、ホーム基地局FAPのユーザが干渉を受ける状況を指す。 Further, the process of reallocating the spectrum resource in step 3 is a resource optimization stage, and as a specific operation method, first, the detection of the user experience quality QoE is monitored and analyzed, and if the user experience quality is higher than the preset threshold value. If low (where the threshold is determined by the specific service used by the user, for example the threshold may be set to 0, ie if there is a bit error, the spectral resource is bad and the new spectrum (Need to be replaced with a resource), the Information Fusion Center FC refers to the user resource correspondence table saved at the time of resource allocation, determines whether an A-type event or a B-type event has occurred, and determines whether an A-type event or a B-type event has occurred. When the above occurs, the information fusion center FC determines the channel occupancy time in order to indicate that the two communication links interfere with each other within the service range of the home base station FAP and the user experience quality QoE is deteriorated. When a resource is reassigned to the shorter user and a B-type event occurs, the channel occupied by this user is subject to interference from the macrocell base station, macrocell user, or other interference, and the user experience quality QoE deteriorates. In order to show that the information fusion center FC reallocates the spectrum resource to the user, the above-mentioned A type event and B type event each represent different interference situations, and the A type event is Refers to mutual interference due to communication between different home base station FAPs and users, and B type events are due to channel occupancy or strong interference due to communication between macro base stations and users of macro base stations. Refers to a situation in which a user of a station FAP is interfered with.

有益な効果:本発明は、屋内環境に好適に使用され、USRP RIOプラットフォーム及びLabViewを用いて一連のシステム設計及び実験を行い、本技術案が屋内環境で無損失の映像実況放送を実現するとともにスペクトルリソースを活用し、スペクトル利用率を向上させ、干渉コーディネーションを最適化することができることを有効に検証した。具体的には、以下の利点がある。 Beneficial Effect: The present invention is suitably used in an indoor environment, and a series of system design and experiments are carried out using the USRP RIO platform and LabVIEW, and the present technology proposal realizes lossless live video broadcasting in an indoor environment. It was effectively verified that the spectral resources can be utilized, the spectral utilization rate can be improved, and the interference coordination can be optimized. Specifically, it has the following advantages.

(1)無干渉、低ビット誤り率の映像実況放送を実現した。2層駆動干渉コーディネーション技術は、物理層及びアプリケーション層の両方にクロスレイヤーの干渉コーディネーションを実現している。映像実況放送を行う前に、スペクトルチャネルを選別して、無干渉のチャネルを選んでデータ通信を行い、映像実況放送中に、QoE性能を周期的に検出し、QoEが深刻に低下した場合、スペクトルリソースを再割当する。従って、映像実況放送前に選ばれた伝送チャネルであっても、映像実況放送中に使用された伝送チャネルであっても、無干渉、低ビット誤り率の効果を保証することができる。 (1) Realized live video broadcasting with no interference and low bit error rate. The two-layer drive interference coordination technology realizes cross-layer interference coordination in both the physical layer and the application layer. If the spectral channel is selected before the live video broadcast, the non-interfering channel is selected for data communication, the QoE performance is periodically detected during the live video broadcast, and the QoE deteriorates seriously. Reallocate spectral resources. Therefore, it is possible to guarantee the effect of no interference and low bit error rate regardless of whether the transmission channel is selected before the live video broadcast or the transmission channel used during the live video broadcast.

(2)伝送速度が高い。無干渉のチャネルでデータ通信を行うため、伝送速度が高く、且つ、実際のシステムでテストにより得られたデータと、理論的に計算したデータとが非常に近い。 (2) The transmission speed is high. Since the data communication is performed on the non-interference channel, the transmission speed is high, and the data obtained by the test in the actual system and the theoretically calculated data are very close to each other.

(3)システムリスポンスが速く、遅延が低い。テストシステムでは、ユーザ及びホーム基地局がサービスチャネルリソースを切り替える必要がある場合、この過程を完了するのに一定の時間オーバーヘッドが必要となる。ユーザ体感品質QoE性能が深刻に低下したことを発見してから、チャネルの取り換えが完了するまで、過程全体の時間オーバーヘッドは、主に、システムの固有時間オーバーヘッドと、スペクトルリソース情報の選択及び配布とに分類される。実際のシステムの測定によれば、再配置して新しい無線周波数(RF)情報を使用するには、システムの固有時間オーバーヘッドは約30msである。この時間オーバーヘッドは、実際に使用されるハードウェアに関連している。スペクトルリソース情報の選択及び配布といった過程の理論的な時間複雑度は、O(1)であり、システム内で必要な時間が1msよりも遥かに小さい。従って、リスポンス過程全体の時間オーバーヘッドが30msであり、且つこの時間がハードウェアの性能に関連していることが分かり、システムリスポンスが速いと言える。一方で、映像の伝送時は、ユーザ体感品質の低下に起因して映像のカクつき又は画面崩れが発生するため、この場合、サービスチャネルリソース切替の30msとなる時間オーバーヘッドは、許容できるものである。 (3) System response is fast and delay is low. In the test system, if the user and home base station need to switch service channel resources, a certain amount of overhead is required to complete this process. User experience quality From the discovery of a serious degradation in QoE performance to the completion of channel replacement, the time overhead of the entire process is primarily the system's proper time overhead and the selection and distribution of spectral resource information. are categorized. According to actual system measurements, the system's proper time overhead is about 30 ms to relocate and use the new radio frequency (RF) information. This time overhead is related to the hardware actually used. The theoretical time complexity of the process, such as the selection and distribution of spectral resource information, is O (1), and the time required in the system is much less than 1 ms. Therefore, it can be seen that the time overhead of the entire response process is 30 ms, and this time is related to the performance of the hardware, and it can be said that the system response is fast. On the other hand, when the video is transmitted, the video is stuttered or the screen is distorted due to the deterioration of the user's perceived quality. Therefore, in this case, the time overhead of 30 ms for switching the service channel resource is acceptable. ..

本発明のシステムアーキテクチャ図である。It is a system architecture diagram of this invention. 本発明の実現フローチャートである。It is a realization flowchart of this invention. 本発明におけるデータカプセル化の図である。It is a figure of the data encapsulation in this invention. 本発明のリソース最適化段階の図である。It is a figure of the resource optimization stage of this invention. 実施例における実験展開図である。It is an experimental development figure in an Example. 本発明の感知ノードの機能概略図である。It is a functional schematic diagram of the sensing node of this invention. 本発明のユーザ側の機能概略図である。It is a functional schematic diagram on the user side of this invention. 本発明のホーム基地局の機能概略図である。It is a functional schematic diagram of the home base station of this invention. 本発明の情報融合センターの機能概略図である。It is a functional schematic diagram of the information fusion center of this invention. 実施例におけるユーザ側のRFパラメータ設定図である。It is a user side RF parameter setting diagram in an Example. 実施例におけるホーム基地局のRFパラメータ設定図である。It is a RF parameter setting diagram of the home base station in an Example. 実施例における送信側の映像再生のスクリーンショットである。It is a screenshot of the video reproduction of the transmitting side in an Example. 実施例における受信側の映像再生のスクリーンショットである。It is a screenshot of the image reproduction of the receiving side in an Example. 実施例における映像データの正常伝送のコンスタレーション図である。It is a constellation diagram of the normal transmission of video data in an Example. 実施例における正常伝送のビット誤り率である。It is a bit error rate of normal transmission in an Example. 実施例における映像データ伝送時のエネルギースペクトルである。It is an energy spectrum at the time of video data transmission in an Example. 実施例における調整後のユーザ側のRFパラメータ図である。It is a RF parameter diagram on the user side after adjustment in an Example. 実施例における調整後のホーム基地局のRFパラメータ図である。It is an RF parameter diagram of the home base station after adjustment in an Example. 実施例における調整後のコンスタレーション図である。It is a constellation diagram after adjustment in an Example.

以下、本発明の技術案を詳しく説明するが、本発明の保護範囲は、下記の実施例に限定されない。 Hereinafter, the technical proposal of the present invention will be described in detail, but the scope of protection of the present invention is not limited to the following examples.

図1に示すように、本発明に係る2層駆動干渉コーディネーションに基づく映像実況放送システムは、いくつかのユーザモジュール、ホーム基地局FAP、情報融合センターFC、及び、ユーザに対応する感知ノードを含み、ユーザモジュールは、具体的には、ユーザ使用のスマートモバイルデバイス(例えばスマートモバイル携帯電話及びIPad等)を指し、且つデータ送受信機能を持ち、上記ホーム基地局FAPは、限られた範囲内で、ネットワークアクセス機能を提供するものである。ユーザは、FAPを通じてネットワークにアクセスし、低遅延、高速度の無線ネットワークサービスを得て、ホーム基地局FAPとユーザとの間は、無線通信を採用し、ホーム基地局FAPと情報融合センターFCとの間は、有線通信を採用し、有線通信は、両者の間の通信の高効率及び無干渉を保証可能であり、感知ノードは、付近の無線環境情報を感知して保存する機能ノードであり、データを送信する機能も持ち、感知ノードと情報融合センターFCとの間は、有線接続方式を採用してデータ交換し、情報融合センターFCは、サービス範囲内の全てのホーム基地局、感知ノード、及び、感知ノードにより収集された無線環境情報を統合管理するものであり、無線環境データ情報を分析することで、サービスを提供可能なスペクトルリソース、及び、サービスを提供不能なスペクトルリソースを得て、もしスペクトルリソースの使用が必要となるユーザが有ると、情報融合センターFCは、サービスを提供可能なスペクトルリソースの中から、該当のリソースを選別して割り当ててホーム基地局FAP及びユーザによる使用に供する。上記のように無線リソースを集中管理することで、干渉コーディネーションが有効に行われる。 As shown in FIG. 1, the live video broadcasting system based on the two-layer drive interference coordination according to the present invention includes several user modules, a home base station FAP, an information fusion center FC, and a sensing node corresponding to the user. , The user module specifically refers to a smart mobile device used by the user (for example, a smart mobile mobile phone and an IPad) and has a data transmission / reception function, and the home base station FAP is limited to a limited range. It provides a network access function. The user accesses the network through the FAP, obtains a low-latency, high-speed wireless network service, adopts wireless communication between the home base station FAP and the user, and uses the home base station FAP and the information fusion center FC. During the period, wired communication is adopted, wired communication can guarantee high efficiency and no interference between the two, and the sensing node is a functional node that senses and stores nearby wireless environment information. , It also has a function to transmit data, and data is exchanged between the sensing node and the information fusion center FC by adopting a wired connection method, and the information fusion center FC is all home base stations and sensing nodes within the service range. , And, the wireless environment information collected by the sensing node is integratedly managed, and by analyzing the wireless environment data information, spectrum resources that can provide services and spectrum resources that cannot provide services can be obtained. If there is a user who needs to use the spectrum resource, the Information Fusion Center FC selects and allocates the corresponding resource from the spectrum resources that can provide the service for use by the home base station FAP and the user. To serve. Interference coordination is effectively performed by centrally managing radio resources as described above.

図2に示すように、本発明に係る2層駆動干渉コーディネーションに基づく映像実況放送実現方法は、ステップ1~4を含む。
ステップ1は、感知ノードが付近の無線環境のスペクトル情報を周期的に収集して、最新のデータ情報を情報融合センターFCに送信するステップであり、感知ノードの数が多く、スペクトル情報の感知のスパンが大きいため、情報を送信する前に、送信データを一定のデータフォーマットに従ってカプセル化する必要があり、カプセル化用のフォーマットは、例えば説明図3に示すようなものである。
ステップ2は、情報融合センターFCが感知データを受け取った後、融合戦略を用いて、使用可能スペクトルリソースリストを得て、アクセスをリクエストしたユーザが有ると、情報融合センターFCが、適切なスペクトルリソースを割り当ててユーザ及びホーム基地局FAPによる使用に供し、もし適切な使用可能リソースがなければ、その旨のメッセージをホーム基地局FAPに返して該ユーザのリクエストをサービス待ちキューに入れ、空きリソースが出たら、サービス待ちキュー内のユーザに優先的にリソースを割り当て、リソースの割当と同時に、情報融合センターFCがスペクトル使用状況を記録し、ユーザが次回にアクセスをリクエストした時に、ユーザの重複したネットワークアクセス又はスペクトルリソースの重複した使用が回避されるように使用記録を対比するステップである。
ステップ3は、ユーザスペクトルリソースを占有すると同時に、一連のユーザ体感品質パラメータ(例えばビット誤り率や速度等)をフィードバックする必要があり、その後、これらのユーザ体感品質QoEを監視及び分析することで、スペクトルリソースを再割当するかを決定し、もしユーザ体感品質QoEがサービス需要よりも低ければ、情報融合センターFCが、使用可能なスペクトルリソースをユーザ及び該当のホーム基地局FAPに再割当するステップである。
図4に示すように、まずユーザ体感品質QoEの検出を監視及び分析し、もしユーザ体感品質がプリセット閾値よりも低ければ、情報融合センターFCが、リソースの割当時に保存したユーザリソース対応表を参照して、Aタイプのイベント又はBタイプのイベントが発生したかを判別し、Aタイプのイベントが発生した場合、ホーム基地局FAPのサービス範囲内で、2つの通信リンクが互に干渉して、ユーザ体感品質QoEが低下していることを示すため、情報融合センターFCが、チャネル占有時間が短い方のユーザにリソースを再割当し、Bタイプのイベントが発生した場合、このユーザに占有されるチャネルが、マクロセル基地局、マクロセルユーザ又は他の干渉を受けて、ユーザ体感品質QoEが低下していることを示すため、情報融合センターFCが、ユーザにスペクトルリソースを再割当し、上述したAタイプのイベント及びBタイプのイベントは、それぞれ、異なる干渉状況を表しており、Aタイプのイベントは、異なるホーム基地局FAPとユーザとの間の通信による相互の干渉を指し、Bタイプのイベントは、マクロ基地局及びマクロ基地局のユーザの通信によるチャネル占有又は強い干渉に起因して、ホーム基地局FAPのユーザが干渉を受ける状況を指す。
ステップ4は、サービス終了後、情報融合センターFCが該当のリソースを解放するステップである。
As shown in FIG. 2, the method for realizing live video broadcasting based on the two-layer drive interference coordination according to the present invention includes steps 1 to 4.
Step 1 is a step in which the sensing node periodically collects the spectral information of the nearby wireless environment and transmits the latest data information to the information fusion center FC. The number of sensing nodes is large and the spectral information is sensed. Due to the large span, it is necessary to encapsulate the transmitted data according to a certain data format before transmitting the information, and the format for encapsulation is, for example, as shown in FIG.
In step 2, after the information fusion center FC receives the sensing data, the fusion strategy is used to obtain a list of available spectral resources, and if there is a user who has requested access, the information fusion center FC will use the appropriate spectral resources. Is assigned for use by the user and the home base station FAP, and if there is no appropriate available resource, a message to that effect is returned to the home base station FAP and the user's request is put in the service waiting queue, and free resources are available. When it comes out, resources are preferentially allocated to users in the service waiting queue, and at the same time as resource allocation, the information fusion center FC records the spectrum usage status, and the next time the user requests access, the user's duplicate network It is a step of comparing usage records to avoid duplicate use of access or spectral resources.
Step 3 needs to occupy the user spectrum resource and at the same time feed back a set of user experience quality parameters (eg bit error rate, speed, etc.), and then monitor and analyze these user experience quality QoEs. In the step of deciding whether to reallocate the spectrum resource and if the user experience quality QoE is lower than the service demand, the Information Fusion Center FC reallocates the available spectrum resource to the user and the corresponding home base station FAP. be.
As shown in FIG. 4, first, the detection of the user experience quality QoE is monitored and analyzed, and if the user experience quality is lower than the preset threshold value, the information fusion center FC refers to the user resource correspondence table saved at the time of resource allocation. Then, it is determined whether an A type event or a B type event has occurred, and when the A type event occurs, the two communication links interfere with each other within the service range of the home base station FAP, and the two communication links interfere with each other. In order to show that the user experience quality QoE is deteriorated, the information fusion center FC reallocates the resource to the user with the shorter channel occupancy time, and when the B type event occurs, it is occupied by this user. In order to show that the channel has deteriorated the user experience quality QoE due to the interference of the macrocell base station, the macrocell user or other, the information fusion center FC reallocates the spectrum resource to the user and the above-mentioned A type. The event of type B and the event of type B each represent different interference situations, the event of type A refers to mutual interference due to communication between different home base station FAPs and the user, and the event of type B refers to mutual interference. Refers to a situation in which a user of a home base station FAP is interfered with due to channel occupancy or strong interference due to communication of a macro base station and a user of the macro base station.
Step 4 is a step in which the information fusion center FC releases the corresponding resource after the service ends.

上記の実現方法は、主に、融合戦略とスケジューリング戦略との2つの過程を含む。 The above implementation method mainly involves two processes, a fusion strategy and a scheduling strategy.

A、融合戦略
情報融合センターが各感知ノードから送られたデータを受け取ると、まず全てのデータに対してサンプリング処理を行い、サンプリングレートをMとする(Mの大小は、システム性能によって決まる)。サンプリング処理が完了した後、異なる感知ノードの同一周波数帯域の能力検出データについて平均Kを取り、iは、異なる感知ノードを表し、下記の硬判定式によって、スペクトルが空いているかを判断する。

Figure 0007008998000002
Nは、感知ノードの数であり、H及びHは、それぞれ空きリソース及び非空きリソースを判断する硬判定閾値であり、Fは、判定結果を表す。
判定結果F=0の場合、該スペクトルリソースは、空きリソースであり、判定結果F=1の場合、該スペクトルリソースは、非空きリソースであり、判定結果F=2の場合、該スペクトルリソースは、正確に判断できないリソースとなり、二次判定を行い、二次判定方式について、投票メカニズムが採用され、即ち、全てのK<H又はK>Hの数を統計し、投票数が半分を超えると、それを空き又は非空きリソースであると判定し、二次判定を経ても結果となるリソースが得られない場合、当意思決定ラウンドでそれを破棄し、次の新しい意思決定ラウンドの開始まで待って判定を再び行う。
融合戦略は、システム内で一定の時間周期が実行される。該時間周期は、システム感知機能の優劣と密接に関連している。融合戦略の実行周期が、調整可能なパラメータとして設定され、後続のデバッグ及び使用中に、リアルタイムに変更可能である。融合戦略の理論的な時間オーバーヘッドは、O(n)であり、そのため、サイクル周期の設定は、融合過程が完了できることを保証すればよい。 A, Fusion strategy When the information fusion center receives the data sent from each sensing node, it first performs sampling processing on all the data and sets the sampling rate to M (the magnitude of M is determined by the system performance). After the sampling process is completed, the average Ki is taken for the capability detection data of the same frequency band of different sensing nodes, i represents the different sensing nodes, and it is determined whether or not the spectrum is open by the following rigid determination formula.
Figure 0007008998000002
N is the number of sensing nodes, H 0 and H 1 are hard judgment thresholds for judging free resources and non-free resources, respectively, and F represents the judgment result.
When the determination result F = 0, the spectrum resource is a free resource, when the determination result F = 1, the spectrum resource is a non-free resource, and when the determination result F = 2, the spectrum resource is. It becomes a resource that cannot be judged accurately, and a secondary judgment is made, and a voting mechanism is adopted for the secondary judgment method, that is, the number of all Ki <H 0 or Ki > H 1 is statistic, and the number of votes is halved. If it exceeds, it is judged as a free or non-free resource, and if the resulting resource is not obtained even after the secondary judgment, it is discarded in this decision-making round and the next new decision-making round. Wait until the start and make the decision again.
The fusion strategy runs a fixed time cycle within the system. The time cycle is closely related to the superiority or inferiority of the system sensing function. The execution cycle of the fusion strategy is set as an adjustable parameter and can be changed in real time during subsequent debugging and use. The theoretical time overhead of the fusion strategy is O (n), so setting the cycle period may ensure that the fusion process is complete.

B、スケジューリング戦略
スケジューリング戦略は、リソース割当段階と、リソース最適化段階との2部分に分けられる。リソース割当段階では、システムは、ネットワークに新規アクセスしたユーザに使用可能リソースを速やかに割り当て、このユーザがなるべく短い時間内で使用可能リソースを得ることを可能にする。リソース最適化段階では、システムは、得られたリソースの使用後にユーザからフィードバックされた一連のユーザ体感品質パラメータに基づいて分析を行い、ユーザ体感品質がよくない場合、システムは、割り当てられたリソースを調整して、ユーザ体感品質を改善させる。
B. Scheduling strategy The scheduling strategy is divided into two parts: the resource allocation stage and the resource optimization stage. During the resource allocation phase, the system promptly allocates available resources to new users of the network, allowing this user to obtain available resources in the shortest possible time. In the resource optimization stage, the system analyzes based on a set of user experience quality parameters fed back from the user after using the obtained resources, and if the user experience quality is not good, the system uses the allocated resources. Adjust to improve user experience quality.

スケジューリング戦略の完全な手順は、次の通りである。 The complete procedure for the scheduling strategy is as follows:

(a)ユーザがネットワークにアクセスした際、初めてリソースを割り当てるようシステムにリクエストすると、リソース割当段階に入る。該段階では、システムは、候補となる使用可能スペクトルリソースの中から、使用可能なスペクトルリソースをランダムに1つ選び取ってユーザに割り当て、ユーザが最短時間内で使用可能リソースを得られることを保証し、データ伝送を開始する。それと同時に、情報融合センターは、割り当てられたリソース情報と該当のユーザ情報とをユーザリソース対応表に保存して、スペクトルリソースの管理を容易にする。 (A) When a user accesses the network and requests the system to allocate resources for the first time, the resource allocation stage is entered. At this stage, the system randomly selects one available spectral resource from the candidate available spectral resources and assigns it to the user, ensuring that the user can obtain the available resource in the shortest possible time. And start data transmission. At the same time, the information fusion center stores the allocated resource information and the corresponding user information in the user resource correspondence table to facilitate the management of spectral resources.

(b)ユーザが使用可能スペクトルリソースを得ると、リソース割当段階が完了し、リソース最適化段階に入る。最適化段階の継続範囲は、ユーザがリソースを使用する過程全体に亘り、ユーザがネットワークから離脱すると、最適化段階が終わり、サービスから離脱する。リソース最適化段階全体において、ユーザ体感品質QoEを元に、一定の時間周期(実際の環境及び需要に応じて調整される)に従ってサービスに対する検出を行う。ユーザ体感品質QoEの指標がプリセット閾値(サービスの需要に応じて設定される)よりも低い場合、システムは、該ユーザ及びその使用するスペクトルリソースを調整し、他の使用可能なスペクトルリソースを該ユーザに割り当てる。 (B) When the user obtains the available spectrum resource, the resource allocation stage is completed and the resource optimization stage is entered. The continuation range of the optimization stage is the entire process in which the user uses the resource, and when the user leaves the network, the optimization stage ends and the user leaves the service. In the entire resource optimization stage, the service is detected according to a fixed time cycle (adjusted according to the actual environment and demand) based on the user experience quality QoE. If the user experience quality QoE index is lower than the preset threshold (set according to the demand for the service), the system adjusts the user and the spectral resources used by the user, and other available spectral resources for the user. Assign to.

実施例:
1、実験プラットフォーム
Example:
1. Experimental platform

ソフトウェア無線では、基本的な周波数変換、A/D変換、D/A変換及びRF駆動がハードウェアプラットフォームであるUSRP RIO 2943Rによって実現される以外、残りの機能がすべてソフトウェア的な設計によって遂行される。通信過程全体において、基本的な送受信機能を除き、ほぼ全ての拡張機能は、自主設計及びプログラミングが必要となる。 In software defined radio, all remaining functions are performed by software-defined design, except that basic frequency conversion, A / D conversion, D / A conversion and RF drive are realized by the hardware platform USRP RIO 2943R. .. In the entire communication process, almost all extended functions, except for basic transmission / reception functions, require self-design and programming.

NI USRP RIO 2943Rの一連の物理パラメータについて、調整可能な周波数範囲が1.2GHz~6GHzで、リアルタイム帯域幅が40MHzで、PCIex4バス速度が800MB/sで、チップがKintex7 FPGAである。 For a series of physical parameters of the NI USRP RIO 2943R, the adjustable frequency range is 1.2GHz to 6GHz, the real-time bandwidth is 40MHz, the PCIex4 bus speed is 800MB / s, and the chip is a Kintex7 FPGA.

実験のソフトウェア部分としては、Labview2015を用いて設計及びプログラムのデバッグを行う。ソフトウェア自身によって提供されるRF送受信駆動に加え、本発明が必要とする一連の機能を拡張することで、発明全体が実現される。 As the software part of the experiment, Labview 2015 will be used for designing and debugging the program. In addition to the RF transmission / reception drive provided by the software itself, the entire invention is realized by extending a series of functions required by the present invention.

2、実験環境の設定
実験のアレンジメントについて、図5に示すように、テストシステム内で具体的に展開する。実験環境には、2つのユーザ及び該当のホーム基地局と、1つの情報融合センターと、いくつかの感知ノードとを設置している。実験中に、2つのユーザは、互に干渉源となることが可能であるため、余計な人為的干渉項を設置する必要がない。
2. Setting the experimental environment As shown in Fig. 5, the experimental arrangement will be specifically developed in the test system. In the experimental environment, two users, the corresponding home base station, one information fusion center, and several sensing nodes are installed. During the experiment, the two users can be sources of interference with each other, so there is no need to install extra human interference terms.

ユーザとホーム基地局との間の通信方式は、無線通信であり、ホーム基地局と情報融合センターとの間の通信方式は、有線通信であり、光ファイバー接続を使用し、感知ノードと情報融合センターとの間も、同様に、光ファイバーによって接続される。このような設定方式によれば、システム側の全ての通信の信頼性を確保しながら、ユーザによる使用時の実際の効果を有効にテストすることができる。 The communication method between the user and the home base station is wireless communication, and the communication method between the home base station and the information fusion center is wired communication, using an optical fiber connection, and the sensing node and the information fusion center. Is also connected by an optical fiber. According to such a setting method, it is possible to effectively test the actual effect at the time of use by the user while ensuring the reliability of all communication on the system side.

本実施例は、主に、情報融合センター、ユーザとホーム基地局、及び、感知ノードの3部分を含む。 This embodiment mainly includes three parts, an information fusion center, a user and a home base station, and a sensing node.

感知ノードの展開の難易度を下げるために、感知ノード部分のプログラムの設定は、比較的簡単であり、その理由として、周囲の無線環境データを感知して、データをパッケージ化して情報融合センターに送信すればよいからである。USRPプラットフォームは、同一時刻で狭い帯域幅内のデータしか感知できないため、周波数掃引機能をそれに追加して、設定された帯域幅範囲内で、各セクションのスペクトル上のデータを順次に走査する必要がある。具体的な感知ノード機能プログラムの概略図を図6に示す。設定されたRF送受信データのパラメータを入力した後に、プログラムを起動すると、データを感知し始め、その後、感知されたデータを図3のデータフォーマットに従ってカプセル化してから、UDP方式で情報融合センターに送る。周波数掃引機能モジュールの制御下で、上記の感知フローが、隙間なく異なる周波数帯域で行われる。プリセット感知範囲のタスクを完了したら、次の感知タスクが再開される。1.2GHz~6GHzの範囲が多すぎて、実験時にデバッグ及び結果の観測が容易ではないため、本実施例では、テストの際、2.2GHz~2.8GHzの範囲内のいくつかの周波数帯域を選び取ってテストを行い、実験速度を加速しながら、実験結果の信頼性を保証している。 In order to reduce the difficulty of deploying the sensing node, the setting of the program of the sensing node part is relatively easy, because it senses the surrounding wireless environment data, packages the data and puts it in the information fusion center. This is because it should be sent. Since the USRP platform can only detect data within a narrow bandwidth at the same time, it is necessary to add a frequency sweep function to it to sequentially scan the data on the spectrum of each section within the configured bandwidth range. be. A schematic diagram of a specific sensing node function program is shown in FIG. When the program is started after inputting the parameters of the set RF transmission / reception data, the data starts to be sensed, and then the sensed data is encapsulated according to the data format shown in FIG. 3 and then sent to the information fusion center by the UDP method. .. Under the control of the frequency sweep function module, the above sensing flow is performed in different frequency bands without gaps. After completing a task in the preset sensing range, the next sensing task will resume. Since the range of 1.2 GHz to 6 GHz is too large to be easy to debug and observe the results during the experiment, in this example, some frequency bands within the range of 2.2 GHz to 2.8 GHz are used during the test. The reliability of the experimental results is guaranteed while accelerating the experimental speed by selecting and testing.

ユーザとホーム基地局の実験設定:
ユーザとホーム基地局は、実験中に、主にデータ通信、映像の伝送と伝送結果表示、及び、データの統計を担当するため、1台のUSRP RIOデバイスに2つのシングルアンテナユーザを配置可能であるという特性を利用して、ユーザとホーム基地局を同一USRP RIOデバイスに配置する。両者は、物理的に同一デバイスに位置するが、両者の間のデータ通信が無線チャネルによって遂行され、こうして、映像を無線伝送する機能を有効にテストすることができる。ユーザがデータをホーム基地局に送信する場合を例にすると、図7は、ユーザ側の機能概略図であり、図8は、ホーム基地局の機能概略図である。
User and home base station experiment settings:
Users and home base stations are primarily responsible for data communication, video transmission and transmission result display, and data statistics during the experiment, so two single-antenna users can be placed on a single USRP RIO device. Utilizing the characteristic of being, the user and the home base station are placed in the same USRP RIO device. Although both are physically located on the same device, data communication between them is carried out by wireless channels, thus effectively testing the ability to wirelessly transmit video. Taking the case where the user transmits data to the home base station as an example, FIG. 7 is a schematic function diagram on the user side, and FIG. 8 is a schematic function diagram of the home base station.

図7から分かるように、ユーザ側では、ソースから始まり、QAM変調、ガードインターバルの挿入、フレーミング等の操作を経てから、RF送信モジュールによって無線チャネルに送信される。RF送信モジュールには、送信パラメータ変更モジュールから呼び出すための外部拡張インタフェースが備えられており、例えば送信の中心周波数、局部発振やゲイン等の送信のRFパラメータをリアルタイムに変更することができる。システムテスト時に使用されるのが映像データであるため、ソースでは、VLCソフトウェアによって処理されたデータパケットとなる。 As can be seen from FIG. 7, on the user side, it starts from the source, undergoes operations such as QAM modulation, guard interval insertion, and framing, and then is transmitted to the radio channel by the RF transmission module. The RF transmission module is provided with an external extended interface for calling from the transmission parameter change module, and can change transmission RF parameters such as transmission center frequency, local oscillation and gain in real time, for example. Since video data is used during system testing, the source is a data packet processed by VLC software.

図8から分かるように、ホーム基地局内で、機能的には、主に、ユーザとのデータ交換、及び、情報融合センターとのデータ交換の2部分に分けられる。ユーザとの交換データ部分については、データの受信を例とする。アンテナから無線情報を受信し、RF受信モジュールを経てから、フレーム同期、フレーム解析、チャネル均衡化、及びQAM復調を行い、最終的には、シンクに到達する。シンクは、VLCソフトウェアであり、データを得た後、VLCは、内部デコードを通じて、映像を再生しながら再生品質を観測することが可能である。 As can be seen from FIG. 8, functionally, the home base station is functionally divided into two parts: data exchange with the user and data exchange with the information fusion center. For the data part exchanged with the user, data reception is taken as an example. It receives radio information from the antenna, passes through the RF receiver module, performs frame synchronization, frame analysis, channel balancing, and QAM demodulation, and finally reaches the sink. The sink is VLC software, and after obtaining the data, VLC can observe the playback quality while playing back the video through internal decoding.

情報融合センターの実験設定:
情報融合センターについて、遂行する必要のある機能としては、融合戦略と、ユーザ体感品質の監視及び調整と、スペクトルリソースの管理及び割当とが含まれる。実験テストでは、独立した情報融合センターを設置してテストを行った。
Information Fusion Center Experimental Settings:
For the Information Fusion Center, the functions that need to be performed include fusion strategies, monitoring and coordination of user experience quality, and management and allocation of spectral resources. In the experimental test, an independent information fusion center was set up and the test was conducted.

図9は、情報融合センターの簡略化された機能図である。情報融合センターのUDP受信モジュールは、ホーム基地局から送られたデータと、感知ノードから送られたデータとの2部分のデータを受信する必要がある。従って、受信されたデータの送信元が異なれば、データ処理のモジュールも異なる。ホーム基地局からのデータを受け取った場合、データは、ユーザ体感品質監視モジュールに入り、サービス品質要求を満たしているかを判定され、要求を満たしていなければ、ストレージモジュールから新しい使用可能スペクトルリソースを選び取って、UDP送信モジュールを介してホーム基地局にスペクトルリソースを変えるよう通知する。感知ノードからのデータを受け取った場合、データは、融合戦略モジュールに入り、データ処理をされた後、使用可能スペクトルリソース群が得られ、ストレージモジュールに格納されて使用に供する。異なるデータソースについて、UDP通信時に、異なるUDPポート番号が使用されるため、異なるデータソースを容易に識別できる。 FIG. 9 is a simplified functional diagram of the information fusion center. The UDP receiving module of the information fusion center needs to receive two parts of data, the data sent from the home base station and the data sent from the sensing node. Therefore, if the source of the received data is different, the module of data processing is also different. When data is received from the home base station, the data enters the user experience quality monitoring module, is determined to meet the quality of service requirements, and if not, selects a new available spectrum resource from the storage module. It informs the home base station to change the spectral resource via the UDP transmission module. When the data is received from the sensing node, the data enters the fusion strategy module, is processed, and then the available spectral resources are obtained, stored in the storage module and used. For different data sources, different UDP port numbers are used during UDP communication, so different data sources can be easily identified.

3、実験フロー
ステップ1)プリセットパラメータを設定する。全てのプログラムを起動する前に、一連のプリセットパラメータを設定する必要がある。ユーザ、ホーム基地局の初期RFパラメータ、及び、感知ノードのRFパラメータ設定を説明図10及び説明図11に示す。図10は、ユーザ側のRFパラメータの設定状況であり、初期中心周波数が2.4GHz、局部発振周波数が-1Hz、送信ゲインが0dBmである。図11は、対応するホーム基地局側のRFパラメータの設定であり、受信周波数の中心周波数が2.4GHzであり、局部発振周波数が-1Hz、受信ゲインが0dBmである。
3. Experimental flow Step 1) Set preset parameters. A set of preset parameters must be set before launching any program. The initial RF parameters of the user, the home base station, and the RF parameter settings of the sensing node are shown in Explanatory FIGS. 10 and 11. FIG. 10 shows the setting status of the RF parameter on the user side, in which the initial center frequency is 2.4 GHz, the local oscillation frequency is -1 Hz, and the transmission gain is 0 dBm. FIG. 11 shows the settings of the RF parameters on the corresponding home base station side, the center frequency of the reception frequency is 2.4 GHz, the local oscillation frequency is -1 Hz, and the reception gain is 0 dBm.

ステップ2)プログラムを実行して、データ通信を開始する。次に、VLCスクリプトファイルを開いて、映像ソースデータの生成、及び、受信された映像ソースデータの再生を開始する。送受信される映像の画像を図12及び図13に示す。図14は、受信側のコンスタレーション図であり、BPSKの変調方式を使用しており、且つコンスタレーション図が鮮明であることが分かる。図15は、平均ビット誤り率と時間の図であり、安定した伝送中は、ビット誤り率がほぼゼロである。図16は映像データ伝送時の周波数エネルギースペクトルであり、中心周波数を中点として、両側が帯域幅を半分ずつ占有し、合計で3MHzの伝送帯域幅になっていることがはっきりと分かる。 Step 2) Execute the program and start data communication. Next, the VLC script file is opened to start the generation of the video source data and the reproduction of the received video source data. Images of transmitted and received images are shown in FIGS. 12 and 13. FIG. 14 is a constellation diagram on the receiving side, and it can be seen that the BPSK modulation method is used and the constellation diagram is clear. FIG. 15 is a diagram of the average bit error rate and time, and the bit error rate is almost zero during stable transmission. FIG. 16 is a frequency energy spectrum at the time of video data transmission, and it can be clearly seen that the center frequency is the midpoint and both sides occupy half of the bandwidth, resulting in a total transmission bandwidth of 3 MHz.

ステップ3)一方のユーザが使用する周波数帯域を手動で変え、2つのユーザが同一周波数帯域でデータを伝送するようにして、干渉現象を引き起こす。システム内のスケジューリング戦略が本来の機能を果たしているかをテストする。 Step 3) Manually change the frequency band used by one user so that the two users transmit data in the same frequency band, causing an interference phenomenon. Test whether the scheduling strategy in your system is performing its intended function.

ステップ4)システムは、干渉の発生したユーザに新しいリソースを再割当して、映像伝送が正常に戻る。図17及び図18は、人為的に干渉を付加した後、一方のユーザとホーム基地局が、スケジューリング戦略の制御下で、使用する周波数を調整した場合であり、調整後、その占有する中心周波数が2.7GHzとなる。図19は、2.7GHzの周波数を占有するユーザとホーム基地局のコンスタレーション図である。 Step 4) The system reallocates new resources to the user who has the interference, and the video transmission returns to normal. 17 and 18 show the case where one user and the home base station adjust the frequency to be used under the control of the scheduling strategy after artificially adding interference, and after the adjustment, the occupied center frequency thereof. Is 2.7 GHz. FIG. 19 is a constellation diagram of a user occupying a frequency of 2.7 GHz and a home base station.

実験中において、理論的な分析及び計算により、以下の計算がある。1フレームのデータ長は、(1+1+706)×(16+64)=56640Samplesであり、LTFシーケンス、SIGシーケンス及びデータを含み、インターバル長が16、データ長が64である。実際のデータが706×64=45184bit、速度が45184bit÷16ms/1s=2.824M/s、伝送速度が56640÷16ms/1s=3.54M/sである。無干渉のチャネルでデータ通信を行うため、本発明の伝送速度が高い。上記実施例からさらに分かるように、本発明は、映像実況放送を行う前に、スペクトルチャネルを選別して、無干渉のチャネルを選んでデータ通信を行い、映像実況放送中に、QoE性能を周期的に検出し、QoEが深刻に低下した場合、スペクトルリソースを再割当する。従って、映像実況放送前に選ばれた伝送チャネルであっても、映像実況放送中に使用された伝送チャネルであっても、無干渉、低ビット誤り率の効果を保証することができ、且つ伝送速度が高い。 During the experiment, by theoretical analysis and calculation, there are the following calculations. The data length of one frame is (1 + 1 + 706) × (16 + 64) = 56640 Samples, including the LTF sequence, the SIG sequence and the data, the interval length is 16 and the data length is 64. The actual data is 706 × 64 = 45184 bits, the speed is 45184 bits ÷ 16 ms / 1s = 2.824 M / s, and the transmission speed is 56640 ÷ 16 ms / 1 s = 3.54 M / s. Since data communication is performed on a non-interference channel, the transmission speed of the present invention is high. As can be further understood from the above embodiment, the present invention selects spectral channels, selects non-interfering channels for data communication, and cycles QoE performance during live video broadcasting. If the QoE drops seriously, the spectral resources are reassigned. Therefore, regardless of whether the transmission channel is selected before the live video broadcast or the transmission channel used during the live video broadcast, the effect of no interference and low bit error rate can be guaranteed, and the transmission can be performed. The speed is high.

Claims (5)

2層駆動干渉コーディネーションに基づく映像実況放送実現方法であって、
感知ノードが付近の無線環境のスペクトル情報を周期的に収集して、最新のデータ情報を情報融合センターFCに送信するステップであって、情報を送信する前に、送信データを該当のデータフォーマットに従ってカプセル化するステップ1と、
情報融合センターFCが感知データを受け取った後、融合戦略を用いて、使用可能スペクトルリソースリストを得て、アクセスをリクエストしたユーザが有ると、情報融合センターFCが、該当のスペクトルリソースを割り当ててユーザ及びホーム基地局FAPによる使用に供し、もし適切な使用可能リソースがなければ、その旨のメッセージをホーム基地局FAPに返して該ユーザのリクエストをサービス待ちキューに入れ、空きリソースが出たら、サービス待ちキュー内のユーザに優先的にリソースを割り当て、リソースの割当と同時に、情報融合センターFCがスペクトル使用状況を記録し、ユーザが次回にアクセスをリクエストした際、ユーザの重複したネットワークアクセス又はスペクトルリソースの重複した使用が回避されるように使用記録を対比するステップ2と、
ユーザがスペクトルリソースを占有すると同時に該当のユーザ体感品質パラメータをフィードバックする必要があり、その後、ユーザ体感品質QoEを監視及び分析することで、スペクトルリソースを再割当するかを決定し、もしユーザ体感品質QoEがサービス需要よりも低ければ、情報融合センターFCが、使用可能なスペクトルリソースをユーザ及び該当のホーム基地局FAPに再割当するステップ3と、
サービス終了後、情報融合センターFCが該当のスペクトルリソースを解放するステップ4と、を含む
ことを特徴とする2層駆動干渉コーディネーションに基づく映像実況放送実現方法。
It is a method of realizing live video broadcasting based on two-layer drive interference coordination.
It is a step in which the sensing node periodically collects the spectral information of the nearby wireless environment and transmits the latest data information to the information fusion center FC, and before transmitting the information, the transmitted data is transmitted according to the corresponding data format. Step 1 of encapsulation and
After the Information Fusion Center FC receives the sensing data, the Fusion Strategy is used to obtain a list of available spectral resources, and if there is a user requesting access, the Information Fusion Center FC allocates the corresponding spectral resource to the user. And for use by the home base station FAP, if there are no suitable available resources, a message to that effect is returned to the home base station FAP and the user's request is put in the service waiting queue, and when free resources are available, the service is available. Resources are preferentially allocated to users in the wait queue, and at the same time as the resources are allocated, the information fusion center FC records the spectrum usage status, and the next time the user requests access, the user's duplicate network access or spectrum resource Step 2 to compare usage records to avoid duplicate use of
It is necessary for the user to occupy the spectral resource and at the same time feed back the corresponding user experience quality parameter, and then by monitoring and analyzing the user experience quality QoE, it is decided whether to reallocate the spectrum resource, and if the user experience quality If the QoE is lower than the service demand, the Information Fusion Center FC reallocates the available spectral resources to the user and the corresponding home base station FAP, and step 3.
A method for realizing live video broadcasting based on two-layer drive interference coordination, which includes step 4 in which the information fusion center FC releases the corresponding spectral resource after the end of the service.
上記ステップ2における融合戦略の具体的な過程としては、情報融合センターFCが各感知ノードから送られたデータを受け取ると、まず全てのデータに対してサンプリング処理を行い、サンプリングレートをMとし、サンプリング処理が完了した後、異なる感知ノードの同一周波数帯域の能力検出データについて平均Kを取り、iは、異なる感知ノードを表し、下記の硬判定式によってスペクトルが空いているかを判断し、

Figure 0007008998000003
Nは、感知ノードの数であり、H及びHは、それぞれ空きリソース及び非空きリソースを判断する硬判定閾値であり、Fは、判定結果を表し、
判定結果F=0の場合、該スペクトルリソースは、空きリソースであり、判定結果F=1の場合、該スペクトルリソースは、非空きリソースであり、判定結果F=2の場合、該スペクトルリソースは、正確に判断できないリソースとなり、二次判定を行い、
二次判定が投票メカニズムによって行われ、即ち、全てのK<H又はK>Hの数を統計し、感知ノードの投票数が半分を超えると、それを空き又は非空きリソースであると判定し、二次判定を経ても結果となるリソースが得られない場合、当意思決定ラウンドでそれを破棄し、次の新しい意思決定ラウンドの開始まで待って判定を再び行う
ことを特徴とする請求項に記載の2層駆動干渉コーディネーションに基づく映像実況放送実現方法。
As a specific process of the fusion strategy in step 2, when the information fusion center FC receives the data sent from each sensing node, it first performs sampling processing on all the data, sets the sampling rate to M, and samples. After the processing is completed, the average Ki is taken for the capability detection data of the same frequency band of different sensing nodes, i represents the different sensing nodes, and it is determined whether the spectrum is open by the following rigid determination formula.

Figure 0007008998000003
N is the number of sensing nodes, H 0 and H 1 are hard judgment thresholds for judging free resources and non-free resources, respectively, and F represents the judgment result.
When the determination result F = 0, the spectrum resource is a free resource, when the determination result F = 1, the spectrum resource is a non-free resource, and when the determination result F = 2, the spectrum resource is. It becomes a resource that cannot be judged accurately, so a secondary judgment is made and
The secondary decision is made by the voting mechanism, i.e., statistics the number of all Ki <H 0 or Ki > H 1 , and if the number of votes of the sensing node exceeds half, it is free or non-free resource. If it is determined that there is, and the resulting resource is not obtained after the secondary decision, it is discarded in this decision-making round, and the decision is made again after waiting until the start of the next new decision-making round. The method for realizing live video broadcasting based on the two-layer drive interference coordination according to claim 1 .
上記ステップ2における融合戦略がシステム内にて該当の周期で実行され、融合戦略の実行周期が、調整可能なパラメータとして設定され、後続のデバッグ及び使用中に、リアルタイムに変更され、融合戦略の理論的な時間オーバーヘッドは、O(n)である
ことを特徴とする請求項に記載の2層駆動干渉コーディネーションに基づく映像実況放送実現方法。
The fusion strategy in step 2 above is executed in the system at the corresponding cycle, the execution cycle of the fusion strategy is set as an adjustable parameter and is changed in real time during subsequent debugging and use, the theory of fusion strategy. The method for realizing live video broadcasting based on the two-layer drive interference coordination according to claim 1 , wherein the time overhead is O (n).
上記ステップ3におけるスペクトルリソースを再割当する過程は、リソース最適化段階となり、具体的な操作方式として、
まずユーザ体感品質QoEの検出を監視及び分析し、もしユーザ体感品質がプリセット閾値よりも低ければ、情報融合センターFCが、リソースの割当時に保存したユーザリソース対応表を参照して、Aタイプのイベント又はBタイプのイベントが発生したかを判別し、Aタイプのイベントが発生した場合、ホーム基地局FAPのサービス範囲内で、2つの通信リンクが互に干渉して、ユーザ体感品質QoEが低下していることを示すため、情報融合センターFCが、チャネル占有時間が短い方のユーザにリソースを再割当し、Bタイプのイベントが発生した場合、このユーザに占有されるチャネルが、マクロセル基地局、マクロセルユーザ又は他の干渉を受けて、ユーザ体感品質QoEが低下していることを示すため、情報融合センターFCが、ユーザにスペクトルリソースを再割当し、
上述したAタイプのイベント及びBタイプのイベントは、それぞれ、異なる干渉状況を表しており、Aタイプのイベントは、異なるホーム基地局FAPとユーザとの間の通信による相互の干渉を指し、Bタイプのイベントは、マクロ基地局及びマクロ基地局のユーザの通信によるチャネル占有又は強い干渉に起因して、ホーム基地局FAPのユーザが干渉を受ける状況を指す
ことを特徴とする請求項に記載の2層駆動干渉コーディネーションに基づく映像実況放送実現方法。
The process of reallocating spectral resources in step 3 above is a resource optimization stage, and as a specific operation method,
First, the detection of the user experience quality QoE is monitored and analyzed, and if the user experience quality is lower than the preset threshold value, the information fusion center FC refers to the user resource correspondence table saved at the time of resource allocation, and causes an A type event. Or, it is determined whether a B type event has occurred, and if an A type event occurs, the two communication links interfere with each other within the service range of the home base station FAP, and the user experience quality QoE deteriorates. When the Information Fusion Center FC reallocates the resource to the user with the shorter channel occupancy time and a B type event occurs, the channel occupied by this user is the macrocell base station. The Information Fusion Center FC reallocates spectrum resources to the user to indicate that the user experience quality QoE has deteriorated due to the interference of the macrocell user or others.
The above-mentioned A type event and B type event represent different interference situations, respectively, and the A type event refers to mutual interference due to communication between different home base station FAPs and the user, and B type. The event according to claim 1 , wherein the event refers to a situation in which the user of the home base station FAP is interfered with due to channel occupancy or strong interference due to the communication of the macro base station and the user of the macro base station. A method for realizing live video broadcasting based on two-layer drive interference coordination.
請求項1-4のいずれか一項に記載の2層駆動干渉コーディネーションに基づく映像実況放送実現方法を用いる2層駆動干渉コーディネーションに基づく映像実況放送システムであって、いくつかのユーザモジュール、ホーム基地局FAP、情報融合センターFC、及び、ユーザに対応する感知ノードを含み、
上記ユーザモジュールは、具体的には、ユーザに使用されるスマートモバイルデバイスを指し、且つデータ送受信機能を持ち、
上記ホーム基地局FAPは、ネットワークアクセスを提供するものであり、ユーザは、ホーム基地局FAPを通じてネットワークにアクセスし、ホーム基地局FAPとユーザとの間は、無線通信を採用し、ホーム基地局FAPと情報融合センターFCとの間は、有線通信を採用し、
上記感知ノードは、付近の無線環境情報を感知して、感知された情報を保存すると同時に、データを情報融合センターFCに送信する機能ノードであり、感知ノードと情報融合センターFCとの間は、有線接続方式を採用してデータ交換し、
上記情報融合センターFCは、サービス範囲内の全てのホーム基地局、感知ノード、及び、感知ノードにより収集された無線環境情報を統合管理するものであり、無線環境データ情報を分析することで、サービスを提供可能なスペクトルリソース、及び、サービスを提供不能なスペクトルリソースを得て、もしスペクトルリソースの使用が必要となるユーザが有ると、情報融合センターFCは、サービスを提供可能なスペクトルリソースの中から、該当のリソースを選別して割り当ててホーム基地局FAP及びユーザによる使用に供する
ことを特徴とする2層駆動干渉コーディネーションに基づく映像実況放送システム。
A video live broadcasting system based on two-layer drive interference coordination using the method for realizing video live broadcasting based on the two-layer drive interference coordination according to any one of claims 1-4, wherein some user modules and home bases are used. Includes station FAP, information fusion center FC, and sensing nodes corresponding to the user.
Specifically, the above user module refers to a smart mobile device used by a user, and has a data transmission / reception function.
The home base station FAP provides network access, the user accesses the network through the home base station FAP, and wireless communication is adopted between the home base station FAP and the user, and the home base station FAP is used. Wired communication is adopted between the information fusion center FC and the information fusion center FC.
The sensing node is a functional node that senses nearby wireless environment information, stores the sensed information, and at the same time sends data to the information fusion center FC, and between the sensing node and the information fusion center FC, Uses a wired connection method to exchange data and
The information fusion center FC integrates and manages all home base stations, sensing nodes, and wireless environment information collected by the sensing nodes within the service range, and provides services by analyzing the wireless environment data information. If there is a user who needs to use the spectrum resource after obtaining the spectrum resource that can provide the service and the spectrum resource that cannot provide the service, the Information Fusion Center FC will select the spectrum resource that can provide the service. A live video broadcasting system based on two-layer drive interference coordination, characterized in that the relevant resources are selected and allocated for use by the home base station FAP and users.
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