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(lái)越多的手機(jī)用戶(hù)會(huì)通過(guò)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(guò)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中采用用戶(hù)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(hù)，通過(guò)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(wú)線通信 合作中繼選擇 認(rèn)知無(wú)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(jí)無(wú)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(hù)高清視頻通話亟待解決的問(wèn)題。

為了保證高清視頻的無(wú)線上行傳輸速率，可以在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中采用用戶(hù)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(hù)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(kāi)銷(xiāo)下合理的分配中繼用戶(hù)，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(jiǎn)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(hù)端，一個(gè)主接受用戶(hù)端及多個(gè)次級(jí)用戶(hù)中繼組成。為了模擬高清視頻的傳輸過(guò)程，我們將主發(fā)送用戶(hù)設(shè)為ps，將主接收用戶(hù)設(shè)為pr，并將次級(jí)用戶(hù)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(jí)用戶(hù)我們稱(chēng)為候選中繼。在這n個(gè)候選中繼中，主發(fā)送用戶(hù)通過(guò)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(hù)對(duì)選取的次級(jí)用戶(hù)中繼稱(chēng)為合作中繼。

在上述的傳輸模型下，主發(fā)送用戶(hù)需要尋找多個(gè)合作中繼，這導(dǎo)致主發(fā)送用戶(hù)對(duì)需要停止多次來(lái)探測(cè)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(hù)選擇次級(jí)中繼的時(shí)間表示為T(mén)S，將主發(fā)送用戶(hù)向各個(gè)次級(jí)中繼傳輸數(shù)據(jù)的總數(shù)據(jù)表示為T(mén)Sr，而Trd表示m個(gè)合作中繼用戶(hù)向主接收用戶(hù)傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間。將選擇一個(gè)次級(jí)用戶(hù)作為合作中繼的時(shí)間設(shè)為τ，并對(duì)不同的主用戶(hù)和不同的傳輸時(shí)隙完全獨(dú)立。

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

在一個(gè)傳輸時(shí)隙的開(kāi)始，主發(fā)送用戶(hù)Pt照用戶(hù)序列S的順序觀察每一個(gè)次級(jí)用戶(hù)，當(dāng)一個(gè)次級(jí)中繼用戶(hù)滿足作為合作中繼的條件時(shí)，就停止本次探測(cè)，繼續(xù)下一次主發(fā)送用戶(hù)的探測(cè)，直到選定m個(gè)合作中繼，整個(gè)探測(cè)時(shí)間的和即為T(mén)S。

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(hù)與合作中繼之間的傳輸速率。

進(jìn)而我們可以得出：

（2）

通過(guò)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(hù)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(hù)對(duì)次級(jí)中繼用戶(hù)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(hù)個(gè)數(shù)m大致為：

（3）

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

二、最佳多重停止傳輸策略

2.1 問(wèn)題描述

在本篇文章中，我們將合作傳輸問(wèn)題規(guī)劃為在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的多跳問(wèn)題。為了選擇m個(gè)合作中繼用于合作傳輸，主發(fā)送用戶(hù)需要從觀察序列中一個(gè)一個(gè)觀察候選次級(jí)用戶(hù)。在與一個(gè)候選中繼建立連接后，主發(fā)送用戶(hù)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(hù)選擇完m個(gè)合作中繼，停止觀察行為。

主發(fā)送用戶(hù)對(duì)于候選中繼的選擇取決于候選中繼能帶來(lái)的收益。如果主用戶(hù)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(lái)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(hù)沒(méi)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(hù)將做一次停止，反之亦然。

為了在我們的合作中繼選擇問(wèn)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(hào)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(hào)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(jí)候選中繼的信道在狀態(tài)u。當(dāng)主用戶(hù)對(duì)觀察次級(jí)用戶(hù)中繼的信道時(shí)，次級(jí)用戶(hù)對(duì)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(wèn)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(hù)對(duì)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(guò)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(hù)對(duì)需要它與次級(jí)候選用戶(hù)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(guò)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(guò)有效傳輸速率及觀察步驟的序號(hào)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(hù)對(duì)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(guò)程的效率越低。

同樣定義dl為主用戶(hù)對(duì)已經(jīng)選擇了l個(gè)次級(jí)中繼的比例因子，即：

（9）

其中m代表整個(gè)觀察過(guò)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(hù)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(guò)程的效率越高。

綜上，主用戶(hù)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(guò)最優(yōu)化方程解決多重停止問(wèn)題，得到最優(yōu)的多重停止規(guī)則。

由上一小節(jié)可知，對(duì)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(wèn)題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問(wèn)題求解。

定義Fi為主用戶(hù)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(hù)對(duì)探測(cè)到第k個(gè)次級(jí)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(lái)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(guò)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(hù)對(duì)停止一次并選擇當(dāng)前次級(jí)用戶(hù)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(hù)對(duì)探測(cè)完第k個(gè)次級(jí)用戶(hù)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(hù)對(duì)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(hù)對(duì)的第l次停止會(huì)發(fā)生在探測(cè)過(guò)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(jí)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(guò)觀察第i個(gè)中繼獲得的可達(dá)的傳輸速率ri；

10： 通過(guò)公式（15）計(jì)算總和收益Zil

11： 通過(guò)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(jí)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(píng)估

在本節(jié)中，我們將通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)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(jí)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(hù)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?cè)O(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(duì)可用協(xié)同傳輸率和實(shí)際協(xié)同傳輸率的影響。我們?cè)O(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(hù)具有更高的概率選擇性能更好的次級(jí)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(wèn)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(hù)對(duì)在中繼選擇過(guò)程中每次探測(cè)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(guò)仿真深入研究了信道平均信噪比、探測(cè)時(shí)間對(duì)算法性能的影響。