無線通信網(wǎng)絡(luò)中基于跨層優(yōu)化的多媒體傳輸技術(shù)研究.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和移動智能終端的廣泛普及，無線網(wǎng)絡(luò)所承載的業(yè)務(wù)形態(tài)也日趨豐富，傳統(tǒng)以消息、語音為主的業(yè)務(wù)形態(tài)將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐砸苿右曨l為主的新型無線多媒體業(yè)務(wù)。移動視頻業(yè)務(wù)的流量呈現(xiàn)指數(shù)級增長趨勢，對無線通信網(wǎng)絡(luò)帶寬和能量的需求也日益劇增。如何在有限的頻譜和功率資源上滿足爆炸式增長的多媒體業(yè)務(wù)需求，成為無線通信技術(shù)發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)。多媒體通信涉及到無線通信協(xié)議棧的應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層等多個協(xié)議層，基于傳統(tǒng)分層協(xié)議架構(gòu)的方法由于

2、缺乏有效的層間聯(lián)合優(yōu)化機制而無法滿足上述通信需求。目前，克服層間約束的跨層設(shè)計方法具備同時提高整個無線通信系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率的雙重優(yōu)勢，可從根本上應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，因此具有重要的理論研究和應(yīng)用價值。
　　本文立足于構(gòu)建能夠滿足用戶服務(wù)質(zhì)量需求和提升用戶體驗的多媒體傳輸機制這一基本目標(biāo)，從提高無線資源利用效率的研究思路出發(fā)，采用“跨層設(shè)計”這一重要的技術(shù)手段，針對未來無線通信網(wǎng)絡(luò)中具有低時延、高可靠多媒體通信需求的典型應(yīng)用場景，重

3、點研究了多用戶無線視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)中的資源優(yōu)化方法、分布式自組織網(wǎng)絡(luò)中的跨層視頻傳輸機制、干擾受限無線網(wǎng)絡(luò)中的媒體接入策略三部分內(nèi)容。在研究方法上，本文以無線視頻業(yè)務(wù)為典型案例，運用信息論、排隊論、博弈論、凸優(yōu)化理論以及隨機幾何理論等數(shù)學(xué)工具進行理論分析與數(shù)學(xué)建模、算法設(shè)計以及性能評估，通過研究提出了跨層無線資源優(yōu)化方法、設(shè)計了無線多媒體傳輸機制，并提出了最優(yōu)的媒體接入策略。本文的主要貢獻與創(chuàng)新點總結(jié)如下:
　　1)針對多用戶無線視頻

4、傳輸網(wǎng)絡(luò)，研究了如何在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量要求的前提下最大化網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸質(zhì)量這一關(guān)鍵問題，搭建了聯(lián)合物理層傳輸功率、MAC層隊列時延以及應(yīng)用層視頻編碼速率的跨層視頻傳輸框架，提出了聯(lián)合控制物理層傳輸功率和應(yīng)用層視頻編碼速率的跨層資源優(yōu)化方法。該方法通過對用戶傳輸功率和編碼速率的聯(lián)合優(yōu)化有效地解決了視頻端的編碼方案與無線信道的有效容量不匹配的問題，大幅提升了視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量。此外，綜合分析了視頻編碼速率、隊列時延以及傳輸功率對用戶視頻失真的影響

5、，將最大化網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸質(zhì)量問題等效建模為最小化網(wǎng)絡(luò)中所有用戶視頻失真之和的非線性非凸跨層優(yōu)化問題?？紤]到直接求解該問題的難度，本文提出了一種基于凸優(yōu)化理論與線性放松技術(shù)的全局優(yōu)化算法，利用該算法獲得了用戶的最優(yōu)傳輸功率和視頻編碼速率。最后，通過仿真對所提出的跨層視頻傳輸框架與全局優(yōu)化算法的性能進行了分析和驗證，并與已有的分層框架和人工蜂群優(yōu)化算法進行了對比，結(jié)果表明本文提出的跨層框架和優(yōu)化算法在提高整個網(wǎng)絡(luò)的視頻傳輸質(zhì)量方面的性能最優(yōu)。

6、此外，仿真結(jié)果還表明在鏈路狀態(tài)給定的情況下，視頻編碼速率的較小變化將會對視頻失真造成相對較大的影響，也就是說視頻失真對視頻編碼速率這一系統(tǒng)參數(shù)較為敏感。
　　上述創(chuàng)新點對應(yīng)論文第二章的內(nèi)容和發(fā)表論文列表中的3和5。
　　2)針對無線自組織網(wǎng)絡(luò)，研究了分布式視頻傳輸機制的設(shè)計問題，構(gòu)建并提出了基于干擾感知的分布式跨層視頻傳輸機制。該傳輸機制的核心思想是讓網(wǎng)絡(luò)中的每一個用戶（即一對信源-信宿節(jié)點）根據(jù)特定的傳輸準(zhǔn)則讓其僅基于自身

7、觀測到的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息（如業(yè)務(wù)負(fù)載、干擾狀況以及信道狀態(tài)信息）和隊列狀態(tài)信息（如業(yè)務(wù)到達速率、排隊等待時延）來決定選擇哪個信道來發(fā)送視頻包，并決定是立即發(fā)送隊列中到達的數(shù)據(jù)包還是將其存入隊列緩沖器中。主要創(chuàng)新點概括如下:
　?、偬岢隽艘环N基于信道增益閾值的視頻傳輸策略，解決了用戶在給定的時隙內(nèi)如何選擇頻率信道以及如何決策是否發(fā)送視頻數(shù)據(jù)包的問題。
　　②基于閾值傳輸策略并考慮到網(wǎng)絡(luò)中用戶的分布特性，提出了采用對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)來

8、估計干擾分布的方法，并通過蒙特卡洛仿真驗證了所提出的干擾分布模型的準(zhǔn)確性。
　?、刍谂抨犝摚槍Ψ植际揭曨l傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用M/M/1隊列模型對用戶MAC層排隊過程進行了建模，推導(dǎo)出了用戶隊列時延違約概率的閉式表達式。
　?、芙⒘烁蓴_感知的分布式跨層視頻傳輸機制，在此基礎(chǔ)上通過綜合考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、用戶業(yè)務(wù)狀況、時延約束、傳輸策略及信道狀態(tài)等因素，采用跨層設(shè)計的方法將最大化整個網(wǎng)絡(luò)的平均視頻傳輸質(zhì)量問題建模為一個優(yōu)化問題。針對該

9、優(yōu)化問題的非線性非凸特性以及網(wǎng)絡(luò)通信場景的分布式特性，提出了一種基于凸優(yōu)化理論和博弈理論的分布式跨層優(yōu)化算法，并通過理論分析和仿真驗證了該算法的性能。
　　⑤理論分析和仿真結(jié)果表明本文提出的分布式算法在提高網(wǎng)絡(luò)平均視頻傳輸質(zhì)量方面具有明顯的性能優(yōu)勢并具有良好的收斂性能。此外，研究表明本文所提出的分布式跨層傳輸機制在實際通信場景中不僅可以有效降低計算復(fù)雜度，還可以減少用戶間的信令交互。因此，該機制可為未來5G網(wǎng)絡(luò)中具有低時延、高可靠

10、通信需求的多媒體傳輸機制的設(shè)計提供重要的理論參考與應(yīng)用指導(dǎo)。
　　上述創(chuàng)新點對應(yīng)論文第三章的內(nèi)容和發(fā)表論文列表中的1和4。
　　3)針對干擾受限無線網(wǎng)絡(luò)，研究了具有時延QoS約束的最優(yōu)媒體接入問題，提出了具有時延QoS保障的最優(yōu)媒體接入策略，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)吞吐量的最大化。主要創(chuàng)新點包括:
　　①基于隨機SINR物理模型，設(shè)計了一種具有時延QoS保證的隨機接入?yún)f(xié)議。基于該協(xié)議，利用隨機幾何理論分析并獲得了用戶聚合干擾的分布具

11、有拖尾(heavy-tailed)特性這一重要結(jié)論;在此基礎(chǔ)上提出了利用對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)（log-normal distribution）對用戶隨機干擾的分布特性進行建模的方法，推導(dǎo)出了對數(shù)正態(tài)分布的相關(guān)參數(shù)的閉式表達式并通過蒙特卡洛仿真驗證了該干擾分布模型的準(zhǔn)確性。
　?、诨谔岢龅碾S機接入?yún)f(xié)議，針對干擾受限網(wǎng)絡(luò)場景，采用M/G/1隊列模型對隊列時延進行了建模，推導(dǎo)出了用戶時延和數(shù)據(jù)包成功傳輸概率的閉式表達式;通過綜合考慮應(yīng)用層

12、的用戶業(yè)務(wù)特征、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?、MAC層隊列狀態(tài)、物理層信道狀態(tài)及干擾分布特性，將最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量問題建模為一個具有時延QoS約束的聯(lián)合優(yōu)化所有用戶的媒體接入概率問題。
　?、坩槍嶋H網(wǎng)絡(luò)中可能存在的兩種用戶業(yè)務(wù)狀況（同構(gòu)用戶業(yè)務(wù)狀況和異構(gòu)用戶業(yè)務(wù)狀況），分別提出了不同的求解最優(yōu)媒體接入概率的方法。針對網(wǎng)絡(luò)同構(gòu)用戶業(yè)務(wù)情況，基于凸優(yōu)化理論推導(dǎo)并獲得了用戶最優(yōu)媒體接入概率的閉式表達式，設(shè)計了一種具有低復(fù)雜度的最優(yōu)化算法。
　　④

13、針對網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)用戶業(yè)務(wù)狀況，考慮到待求解的優(yōu)化問題具有非線性非凸特性，提出了一種基于優(yōu)化理論、分支定界框架以及線性變形放松技術(shù)的全局優(yōu)化算法。仿真結(jié)果表明本文提出的全局優(yōu)化算法在實際應(yīng)用中不僅可以獲得良好的網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能，而且可以在一個有限的迭代次數(shù)內(nèi)以任意高的精度獲得問題的最優(yōu)解。因此，本文提出的隨機接入?yún)f(xié)議和全局優(yōu)化算法可為未來干擾受限無線通信場景下的協(xié)議和算法設(shè)計提供理論指導(dǎo)與性能參考。
　　上述創(chuàng)新點對應(yīng)論文第四章的內(nèi)容和發(fā)