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面向稳健多媒体传输的资源分配机制研究

桂永强  
【摘要】:随着无线网络的广泛部署以及智能终端设备的普及,体育赛事转播、网络直播、云游戏等多媒体应用蓬勃发展,以图像视频为主的多媒体业务流量也大幅增加。然而,高度动态的无线传输环境、异构终端设备以及海量数据流量都给无线多媒体传输机制的设计带来了严峻挑战。现有的模拟传输和数字传输机制,在各自发展的历史阶段均取得了显著性能,但是在实际部署中仍存在一些问题。其中模拟传输存在易受干扰、色度畸变、亮度串扰、清晰度低等缺点,影响用户感知体验。基于香农信源信道分离定理发展起来的数字传输在点对点通信且已知精确信道状况情况下,能够实现最优传输性能。然而数字传输在估计信道状况和实际信道状况不匹配时,将发生“悬崖效应”和“饱和效应”,严重影响系统性能。同时在多播广播场景下,为了保证所有用户均能正确解码,数字传输会采用保守的码率选择策略,导致信道利用效率低下且对多用户不公平。稳健传输是解决模拟传输和数字传输上述问题的一种新的传输机制。稳健传输去除了数字传输中的非线性操作,在对原始图像视频进行去相关变换之后,直接对去相关系数进行功率缩放,然后将功率缩放系数映射到物理层符号的正交和同相分量并传输出去。由于整个系统是线性的,稳健传输能够从根本上消除数字传输中的悬崖效应和饱和效应。在稳健传输中进行适当的资源分配能够有效对抗衰落和噪声,然而目前稳健传输中的资源分配机制尚处于起步阶段,在一些复杂场景下无法取得最优性能。鉴于稳健传输中资源分配的重要性以及现有研究的不足,本文分别针对带宽受限场景、用户分辨率异构场景研究稳健传输资源分配机制,同时考虑基于大规模天线阵列毫米波等下一代通信技术,以提升稳健视频传输效率及动态信道适应性。本文研究内容包括以下几部分:1)提出了带宽受限场景下遥感图像压缩稳健传输机制。在带宽受限的情况下,原始稳健传输中简单的数据块丢弃策略不再适用于遥感图像。与自然图像不同,遥感图像包含了较多结构信息,去相关变换之后能量不再聚集于低频部分,而是散布在整个频段。针对这种情况,本文引入压缩感知技术,设计带宽受限场景下遥感图像压缩稳健传输机制,以充分利用遥感图像变换域中频和高频系数的稀疏性。基本策略是对重要性较高的系数直接进行稳健传输,重要性次之的系数经过压缩感知之后再进行稳健传输。考虑引入压缩感知带来的信源失真,首先对所提方案的系统失真进行分析,然后构建关于带宽和功率的系统失真最小化问题。针对这样的混合整数连续优化问题,本文提出两步资源分配算法以较低复杂度解决该问题。仿真结果表明压缩感知能充分利用遥感图像变换域中频和高频系数的稀疏性,且所提两步资源分配算法在带宽受限场景下能有效提升系统性能。2)提出了用户分辨率异构场景下多载波稳健视频传输机制。稳健传输中广播场景下的多用户分辨率异构问题并未受到考虑。为解决该问题,本文首先提出一种空域分解方法以支持多用户差异化的分辨率请求,并保证传输带宽的有效利用。同时考虑正交频分复用系统中不同子载波之间信道增益差异性以及信源内容重要性的差异性,构建基于载波匹配与功率分配的传输失真最小化问题。由于0-1匹配变量的存在,该问题是一个混合整数非线性规划问题,因此将其解耦并进行求解。对于功率分配子问题,通过对多用户失真耦合的转换处理,推导出功率缩放因子的最优闭式表达。对于载波匹配子问题,将其建模为竞价问题并利用竞价算法给出低时间复杂度的最优解。最后利用交替优化对主问题求解并给出算法收敛性分析。同时提出类模拟信道反馈机制以降低广播场景下的信道反馈开销。仿真结果表明所提方案能够支持多用户分辨率异构性需求,交替优化算法能快速收敛,所提资源分配方案能以低计算复杂度取得近似最优性能。3)提出了基于大规模天线阵列毫米波的稳健视频传输机制。基于大规模天线阵列的毫米波是提高带宽效率、支持大容量视频内容传输的潜在技术。本文通过采用毫米波透镜天线阵列,稀疏的毫米波信道可以被转换为相互独立的空间路径,从而有效降低毫米波通信的计算复杂度。然后利用应用层视频内容的差异性以及物理层空间路径增益的差异性,设计了一种稳健视频跨层传输机制。由于空间路径数目通常少于数据块数目,动态信道下需要进行数据块调度,同时应该考虑路径匹配与功率分配以获得最优性能。方案构建的优化问题是混合整数非线性规划问题,首先对其进行子问题分解,分别得到数据块调度问题、联合路径匹配与功率分配问题。然后基于未传输数据块对数据包的失真贡献设计低复杂度数据块调度算法,并基于贪心思想设计贪心注水算法解决路径匹配与功率分配问题。仿真结果表明所提方案在峰值信噪比和视觉质量方面均取得优于对比方案的性能,同时验证了数据块调度与资源分配方式的有效性,为实际系统部署提供了指导性建议。


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