使用波束形成天线的视频多播研究

【摘要】：无线多播是传播共享媒体及数据的有效技术,广泛的应用于移动TV、体育直播、视频会议、地域服务、软件升级以及网络管理等服务中。得益于无线传输介质的的共享特性,一次多播传输可以默认的覆盖所有有需求的用户,从而节约宝贵的无线系统资源。 为了进一步改善无线视频多播服务的质量,一些关键技术如可伸缩视频编码、自适应调制编码等被引入无线视频多播机制研究。但是基于无线多播的视频传输在使用传统的无线全向天线时,性能往往受制于多播组中信道质量最低最差的用户。波束形成天线时一种新兴的有效的物理层技术,它可以通过为天线的组成阵列元素设定不同的权值来生成特定的波束形成模式,把能量集中在特定方向上以加强部分用户接受到的信号SNR,改善多播组内用户的最差信道质量。因而,波束形成天线可以被用来改进无线视频多播传输。然而,把能量集中在一个或几个方向上显然会减少其他方向的信号覆盖距离从而限制了无线多播的“广播优势”。有鉴于此,考虑到多播和波束形成之间与生俱来的冲突特性,无线多播传输需要灵活高效的波束形成模式调度机制。本文中主要研究的是使用波束形成天线的无线视频多播机制,包括一下三个方面的内容: (1)验证波束形成天线(模式)的理论模式。波束形成天线有两个重要的理论模型:重叠模型和非重叠模型。本文中通过室内和室外环境下的实验对理论模型进行了验证。试验中测量出的用户在不同模式下的信号值证明了重叠模型和非重叠模型的正确性和有效性。 (2)优化重叠模型下的视频多播。本文分别建立了视频时延优化问题和视频效用优化问题的数学模型,并证明了两个问题都是NP-hard问题。对于视频时延优化问题,我们提出了一个近似度log(C)的贪心算法,其中C是多播组中的用户数量。对视频效用优化问题,我们分别为多解决方案编码视频流模型和可伸缩视频编码视频流模型提出了一个带参数的近似算法,参数控制了算法的复杂度和近似度。 (3)优化非重叠模型下的视频多播。对于非重叠模型,本文提出了使用复合波束形成模式的多播传输机制。首先分别为视频时延优化问题和视频效用优化问题建立了严密的数学模型,接着证明了问题同样都是NP-hard问题。最后我们提出了用来解决视频时延优化问题的低复杂度的近似算法,至于视频效用优化问题,我们分别提出了一个适用于较少模式数系统的最优算法和一个适用于任意系统的此优算法。