用于高清視頻通話的合作中繼算法的研究

王廓等

【摘要】 智能手機(jī)已經(jīng)普遍安裝了高清攝像頭，因此越來越多的手機(jī)用戶會(huì)通過視頻與人溝通。但現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，由于其較低的上行傳輸速率，滿足不了高清視頻通話的需求。為了克服這樣的限制，本文提出了通過認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中采用用戶合作模式完成上行鏈路傳輸。將視頻流根據(jù)H.264/SVC協(xié)議分成若干子流，并根據(jù)文章提出的多重停止選擇策略選擇合適的中繼用戶，通過合作中繼，完成視頻流的傳輸。仿真結(jié)果證明文章提出的策略可以滿足720P視頻通話的傳輸需求。

【關(guān)鍵字】 無線通信 合作中繼選擇 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前，智能手機(jī)普遍安裝了高清攝像頭，這些攝像頭可以滿足人們拍攝高清的視頻（如720P或1080P），并催生了進(jìn)行高清視頻通話的需求，但傳輸這些視頻需要至少6Mbps到12Mbps的網(wǎng)絡(luò)速率[1]。目前，基于3G/4G的網(wǎng)絡(luò)下，最大下行傳輸速率只有0.45Mbps 到1.93Mb，而一般的上行速率更遠(yuǎn)小于下行速率，難以保證高清視頻的傳輸要求[2]。因此在不升級無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的前提下，如何提升視頻速率，是保證手機(jī)用戶高清視頻通話亟待解決的問題。

為了保證高清視頻的無線上行傳輸速率，可以在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中采用用戶合作模式提升視頻上行傳輸速率。但為了滿足視頻通話的實(shí)時(shí)性，如何高效的選取合適的合作中繼用戶成為上述想法的主要難點(diǎn)。因次，本文設(shè)計(jì)一種高效的合作中繼選擇算法及相應(yīng)的負(fù)載分配方案，可以在很小的網(wǎng)絡(luò)開銷下合理的分配中繼用戶，完成高清視頻的上行傳輸。

一、系統(tǒng)模型與分析

1.1系統(tǒng)模型

我們建立了一個(gè)簡單的時(shí)間間隙合作傳輸模型如圖1.1所示，它由一個(gè)主發(fā)送用戶端，一個(gè)主接受用戶端及多個(gè)次級用戶中繼組成。為了模擬高清視頻的傳輸過程，我們將主發(fā)送用戶設(shè)為ps，將主接收用戶設(shè)為pr，并將次級用戶用si表示，i=1，2，…，n，這些可以幫助主系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)包的次級用戶我們稱為候選中繼。在這n個(gè)候選中繼中，主發(fā)送用戶通過一定的選擇策略，選取其中的m個(gè)中繼，我們將這m個(gè)被主用戶對選取的次級用戶中繼稱為合作中繼。

在上述的傳輸模型下，主發(fā)送用戶需要尋找多個(gè)合作中繼，這導(dǎo)致主發(fā)送用戶對需要停止多次來探測候選中繼。基于這樣的考慮，我們修改了鏈路層傳輸協(xié)議，提出了合作傳輸協(xié)議如下圖2。

圖2 合作傳輸協(xié)議

1.2 系統(tǒng)模型分析

由圖2的合作傳輸協(xié)議中可以看出時(shí)隙T主要分成三個(gè)部分：TS，TSr ，Trd，其中將主發(fā)送用戶選擇次級中繼的時(shí)間表示為TS，將主發(fā)送用戶向各個(gè)次級中繼傳輸數(shù)據(jù)的總數(shù)據(jù)表示為TSr，而Trd表示m個(gè)合作中繼用戶向主接收用戶傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間。將選擇一個(gè)次級用戶作為合作中繼的時(shí)間設(shè)為τ，并對不同的主用戶和不同的傳輸時(shí)隙完全獨(dú)立。

使用S={S1，S2，…，Sn}表示次級用戶序列，序號{1，2，…，n}按一定規(guī)則排序。

在一個(gè)傳輸時(shí)隙的開始，主發(fā)送用戶Pt照用戶序列S的順序觀察每一個(gè)次級用戶，當(dāng)一個(gè)次級中繼用戶滿足作為合作中繼的條件時(shí)，就停止本次探測，繼續(xù)下一次主發(fā)送用戶的探測，直到選定m個(gè)合作中繼，整個(gè)探測時(shí)間的和即為TS。

如圖1.2可以得出：

，，

（1）

其中DHD表示需要傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)包的大小，RHD表示可以滿足傳輸高清視頻服務(wù)的傳輸速率，Rsr表示主發(fā)送用戶與合作中繼之間的傳輸速率。

進(jìn)而我們可以得出：

（2）

通過式（1），我們可以估算出合作中繼發(fā)送視頻數(shù)據(jù)包到主接受用戶的時(shí)間Trd，即如果有m個(gè)合作中繼，Trd=DHD/mRrd，其中Rrd表示單一合作中繼的發(fā)送視頻數(shù)據(jù)包的傳輸速率。并且，主發(fā)送用戶對次級中繼用戶的選擇時(shí)間TS必大于0，因此我們可以估算出需要的中繼用戶個(gè)數(shù)m大致為：

（3）

同時(shí)，相對于式（2）的TS=T*-Trd，可以確定序列S即潛在的次級用戶數(shù)n=TS /τ。

二、最佳多重停止傳輸策略

2.1 問題描述

在本篇文章中，我們將合作傳輸問題規(guī)劃為在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的多跳問題。為了選擇m個(gè)合作中繼用于合作傳輸，主發(fā)送用戶需要從觀察序列中一個(gè)一個(gè)觀察候選次級用戶。在與一個(gè)候選中繼建立連接后，主發(fā)送用戶決定是否將當(dāng)前中繼作為合作中繼并停止一次。當(dāng)主發(fā)送用戶選擇完m個(gè)合作中繼，停止觀察行為。

主發(fā)送用戶對于候選中繼的選擇取決于候選中繼能帶來的收益。如果主用戶已經(jīng)選取了l個(gè)合作中繼的情況下，觀察第i個(gè)中繼，可以用yi+Vim-l-1表示剩下即將選取的合作中繼的收益和，其中yi表示第i個(gè)中繼帶來的瞬時(shí)收益，而Vim-l-1表示從剩余的合作中繼選取的m-l-1個(gè)中繼的期望收益。如果主發(fā)送用戶沒有選取當(dāng)前中繼，可以得到剩下m個(gè)需要選擇的合作中繼的的期望收益和Vim。如果包括選擇當(dāng)前中繼的收益總和大于不包括的總和，那么主用戶將做一次停止，反之亦然。

為了在我們的合作中繼選擇問題中研究信道質(zhì)量，我們假設(shè)信道為平坦瑞利衰落信道。在平坦瑞利衰落信道中，瞬時(shí)信號干燥比（SNR）服從指數(shù)分布且概率密度分布函數(shù)（PDF）為，其中表示信道模型的平均信號干燥比（SNR）。平坦瑞利衰落信道可以用有限狀態(tài)馬爾科夫模型（FSMC）表示[3-4]。在FSMC模型中，我們將SNR分割到u個(gè)時(shí)隙中，并劃分到有限狀態(tài)空間中。用表示SNR的閾值，如果瞬時(shí)SNRг在區(qū)間中，則次級候選中繼的信道在狀態(tài)u。當(dāng)主用戶對觀察次級用戶中繼的信道時(shí)，次級用戶對于此信道在狀態(tài)Su的概率為：

（4）

在本文的合作中繼傳輸問題中，可達(dá)到的傳輸速率是信道質(zhì)量的衡量度量。

用rk表示主用戶對與候選傳輸中繼k的可達(dá)傳輸速率。根據(jù)香農(nóng)定理，rk可以通過如下公式計(jì)算：

（5）

其中W表示頻譜的帶寬，因此相應(yīng)的數(shù)據(jù)速率用R={r1，r2，…ru}表示，也可以體現(xiàn)傳輸速率，并在信道狀態(tài)上具有相同的分布：

（6）

主用戶對需要它與次級候選用戶中繼之間的可達(dá)傳輸速率作為合作中繼的選擇條件。觀察過程與遠(yuǎn)程終端系統(tǒng)（RTS）在802.11技術(shù)的進(jìn)入機(jī)制大致相同。我們定義Xk=Rk市在觀察的第k步的有限傳輸速率，Xk的分布可以用如下公式表示：

（7）

這樣，我們可以通過有效傳輸速率及觀察步驟的序號得到瞬時(shí)收益的方程，將其定義為Yk。首先，定義Ck為主用戶對停止在第k個(gè)候選中繼節(jié)點(diǎn)的比例因子，即：

（8）

從公式（9）中，可以發(fā)現(xiàn)k如果越大，則Ck越小。同樣表明了如果候選中繼節(jié)點(diǎn)越大，合作中繼的選擇過程的效率越低。

同樣定義dl為主用戶對已經(jīng)選擇了l個(gè)次級中繼的比例因子，即：

（9）

其中m代表整個(gè)觀察過程的總停止次數(shù)，l代表已經(jīng)停止的次數(shù)。

從公式（9）中，可以看出，主用戶已經(jīng)選擇的合作中繼越多，剩余的停止越少，某種程度上，合作中繼的選擇過程的效率越高。

綜上，主用戶在第k次觀察并已經(jīng)停止了l次的收益為：

（10）

2.2 最佳多重停止規(guī)則

本小節(jié)中，我們將通過最優(yōu)化方程解決多重停止問題，得到最優(yōu)的多重停止規(guī)則。

由上一小節(jié)可知，對于有限的回報(bào)收益序列Y1，Y2，…，Yn是獨(dú)立同分布的，因此可以將多重停止問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題求解。

定義Fi為主用戶進(jìn)行第i次觀察獲得的瞬時(shí)收益Yi的概率分布函數(shù)。使用Vim表示主用戶對探測到第k個(gè)次級候選中繼之后還需要選擇m個(gè)合作中繼所能獲得的期望收益，按照k=n-m，…，0的遞歸順序來推算收益期望：

（11）

（12）

（13）

其中公式（13）的表示取兩者的最大值。

從上述公式中，可以通過逆向歸納法計(jì)算出和因此我們可以計(jì)算出Vim如下：

（14）

其中

并且主用戶對停止一次并選擇當(dāng)前次級用戶作為合作中繼所能獲得的總和收益函數(shù)Zkl為：

（15）

公式中yk（x1，x2，…，xk）表示主用戶對探測完第k個(gè)次級用戶后能夠獲得的系統(tǒng)即時(shí)收益。

之后我們定義Tlm（i）表示最優(yōu)停止閾值，即主用戶對遵循提出的多重停止準(zhǔn)則而達(dá)到的第l次的停止時(shí)間：

（16）

（17）

其中1≤m≤n， 1≤i≤n-m。這意味著主用戶對的第l次停止會(huì)發(fā)生在探測過程中的第Tlm（i）步。

綜上，我們提出了最優(yōu)的多重停止規(guī)則：

1： 構(gòu)造觀察序列S={S1，S2，…，Sn}。

2： 決定 m的值，即次級中繼的個(gè)數(shù)。

3：用Sα，l分別表示合作中繼節(jié)點(diǎn)的集合及已經(jīng)被選取的個(gè)數(shù)。

4：for i←1to n-m do

5： if m-l =n-i|1 then

6： 選擇Sα∪{S1，S2，…，Sn} 作為輸出。

7： Break ；

8： else

9： 計(jì)算瞬時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)yi通過觀察第i個(gè)中繼獲得的可達(dá)的傳輸速率ri；

10： 通過公式（15）計(jì)算總和收益Zil

11： 通過公式（13）計(jì)算期望總和收益Vim-l+1

12： if Zil

13 ： Continue ；

14： else

15： 在當(dāng)前步停止并選擇第i個(gè)次級中繼作為合作中繼，Sα←Sα∪Si，l←l+1

16： if l

17： Continue ；

18： else

19： Break ；

三、性能評估

在本節(jié)中，我們將通過模擬實(shí)驗(yàn)來評估我們的協(xié)同高清視頻傳輸性能方案。此視頻流分成五個(gè)部分：一個(gè)基層的子流和四個(gè)增強(qiáng)層的子流。假設(shè)第k個(gè)次級候選中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸率rk在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)不會(huì)改變。我們把接收端接收的信噪比有限狀態(tài)空間分成U=30個(gè)間隔。帶寬W設(shè)定為1MHz。主用戶的傳輸速率設(shè)定為信道的平均速率。上述比例因子設(shè)定為50。我們設(shè)定720P高清視頻的傳輸速率是6Mbps。本節(jié)所述的數(shù)值結(jié)果是以平均100次以上運(yùn)行的。

我們調(diào)查在平均信噪比規(guī)律性變化的情況下，參數(shù)對可用協(xié)同傳輸率和實(shí)際協(xié)同傳輸率的影響。我們設(shè)定觀察期г是3us。傳輸時(shí)間T設(shè)定為0.5ms，0.6ms和0.7ms。

從圖3.1中可以看出可用合作傳輸率隨著平均信噪比的上升而增加。實(shí)際上，當(dāng)合作中繼的數(shù)量保持不變時(shí)，會(huì)有更高平均信噪比的原因在于有更多數(shù)量的候選中繼。隨著候選中繼數(shù)量的增加，主發(fā)送用戶具有更高的概率選擇性能更好的次級中繼。因此，獲得的合作傳輸速率增加。

四、結(jié)論

本文給出了一種最優(yōu)的多重停止策略去解決合作中繼的選擇問題，適用于手機(jī)高清視頻通信等傳輸系統(tǒng)中。最優(yōu)多重停止準(zhǔn)則規(guī)定了主用戶對在中繼選擇過程中每次探測之后是否停止一次需要遵循的判斷準(zhǔn)則；同時(shí)本文還證明了多重停止準(zhǔn)則在獲得的系統(tǒng)收益方面具有最優(yōu)性。最后通過仿真深入研究了信道平均信噪比、探測時(shí)間對算法性能的影響。