楊前華，萬 宇

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信學(xué)院，江蘇南京210023;2.中國移動通信集團(tuán)江蘇有限公司數(shù)據(jù)部，江蘇南京210029)

3GPP(3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃)標(biāo)準(zhǔn)中將TD－LTE作為后續(xù)演進(jìn)技術(shù)，其速率由2 Mbit/s提高到100 Mbit/s，除了支持普通速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以外，還支持高速率的下載和視頻電話等豐富的多媒體應(yīng)用，如移動電視和視頻點播(VOD)，宣告了移動信息娛樂時代的到來。與此同時，也將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和用戶設(shè)備(UE)功率消耗的大幅增加。而隨著用戶對移動通信的使用率越來越高，手機終端的電能消耗將直接影響用戶的服務(wù)滿意度。此外，全球的通信研究機構(gòu)對信息和通信技術(shù)(ICT)的發(fā)展更為關(guān)注綠色技術(shù)，即節(jié)省LTE系統(tǒng)中基站(eNodeB)功耗及用戶設(shè)備(UE)的電池供電，因此，節(jié)電處理已成為TD－LTE系統(tǒng)亟需解決的問題。

目前，傳統(tǒng)的省電機制在TCP/IP的各層均有涉及，目前難以獲得進(jìn)一步的改進(jìn)。文獻(xiàn)［1］中提出了在TDLTE系統(tǒng)中采用非連續(xù)接收(DRX)機制改善用戶終端(UE)的電池壽命，該機制允許UE在進(jìn)入空閑模式時處理器關(guān)閉接收器使其進(jìn)入低功耗的睡眠模式，如果長時間處于空閑狀態(tài)的連接模式下，如訪問因特網(wǎng)等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，UE可以節(jié)省大量電池消耗［1］。然而在文獻(xiàn)［2－3］中，發(fā)現(xiàn)單純采用DRX機制，高服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求和低喚醒延遲的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)達(dá)不到預(yù)期效果。在文獻(xiàn)［4］中，描述了目前LTE系統(tǒng)中連接模式DRX機制和空閑模式DRX機制及其對實時業(yè)務(wù)的省電結(jié)果，然而，仍未確定DRX對視頻質(zhì)量的影響。因此，如何在TD－LTE系統(tǒng)中通過優(yōu)化DRX機制，既保證視頻QoS，同時實現(xiàn)省電最大化仍是TD－LTE系統(tǒng)中未解決的技術(shù)難題。

因此，本文著重于設(shè)計一種TD－LTE系統(tǒng)基于預(yù)測功能的基站(eNodeB)架構(gòu)和DRX優(yōu)化機制。通過在基站處增加預(yù)測功能塊，優(yōu)化DRX周期，在接受視頻流的過程中間歇性地關(guān)閉UE接收器，從而達(dá)到省電功效。

1 基于預(yù)測功能的基站架構(gòu)及DRX跨層優(yōu)化視頻傳輸機制

為解決TD－LTE系統(tǒng)中視頻傳輸?shù)膶崟r性問題，在原有系統(tǒng)架構(gòu)和DRX機制基礎(chǔ)上提出了一種基于預(yù)測功能的基站結(jié)構(gòu)和DRX優(yōu)化機制。

1.1 基于預(yù)測功能的基站架構(gòu)

基于預(yù)測功能的基站架構(gòu)不需要修改現(xiàn)有的EPS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)［5］，且基站中的預(yù)測功能塊由附加硬件模塊實現(xiàn)，不需對協(xié)議棧進(jìn)行大的修改，基站架構(gòu)下為視頻流傳輸機制示意圖如圖1所示，預(yù)測功能塊根據(jù)應(yīng)用層的視頻流量特性，與eNodeB的PDCP層、RRC協(xié)議層和MAC層進(jìn)行消息交互。

圖1 基于預(yù)測功能的基站架構(gòu)下的視頻流傳輸機制示意圖

TD－LTE網(wǎng)絡(luò)中，視頻服務(wù)器中視頻數(shù)據(jù)采用JM(18.0)編碼器［6］進(jìn)行編碼，編碼后的數(shù)據(jù)包經(jīng)由 EPS核心網(wǎng)絡(luò)傳送至基站，基站對EPS核心網(wǎng)絡(luò)的IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理后傳遞到PDCP層，這些IP數(shù)據(jù)包中包含封裝好的RTP/UDP數(shù)據(jù)包［7－8］。PDCP層捕獲到IP數(shù)據(jù)包送至預(yù)測功能塊的視頻幀重構(gòu)子塊，PDU(攜帶DRX消息)和視頻幀在視頻幀重構(gòu)子塊被跟蹤重構(gòu)，視頻幀預(yù)測子塊對視頻幀跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并以此為依據(jù)對未來的視頻幀進(jìn)行預(yù)測，數(shù)據(jù)發(fā)送時間計劃可根據(jù)預(yù)測的視頻幀尺寸進(jìn)行創(chuàng)建，并給出下行OFDM幀是否被占用的信息，休眠時間估計子塊結(jié)合傳輸計劃、緩沖區(qū)溢位和延遲截止時間進(jìn)行休眠期估計，實現(xiàn)DRX周期的調(diào)整和優(yōu)化［9－10］(其算法實現(xiàn)過程如圖2所示)，最終將數(shù)據(jù)包(含視頻信息、傳輸計劃和DRX周期)結(jié)果傳回基站，送至用戶設(shè)備(UE)。

1.2 DRX跨層優(yōu)化視頻傳輸機制

如上所述，根據(jù)視頻流的跟蹤數(shù)據(jù)提取視頻尺寸，進(jìn)行未來幀尺寸的預(yù)測，可以實現(xiàn)DRX周期的優(yōu)化，其核心環(huán)節(jié)未來幀的預(yù)測具體處理過程分為建模、參數(shù)估計及預(yù)測三步驟。

1.2.1 建模［11－12］

對視頻跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行建?？蔀轭A(yù)測視頻傳輸流量提供依據(jù)。視頻幀的尺寸信息根據(jù)畫面組(GoP)參數(shù)編碼后顯示出周期性，可以認(rèn)為是一個時間序列。首先，視頻幀尺寸信息作為一個時間序列可以建模為以下p階自回歸模型(AR)。

圖2 DRX周期優(yōu)化算法示意圖

式中:φi是第i個AR模型參數(shù);et是零均值白噪聲(方差σ2和c為常數(shù))。序列中的AR分量建立了當(dāng)前值與歷史值之間的關(guān)系。該序列可以有平均分量，且為了使模型變得平滑，并降低其噪聲成分。因此，進(jìn)一步建模為以下自回歸滑動平均模型(ARMA)進(jìn)行建模，其中后繼算子為B。

以上建模僅對具有平穩(wěn)性質(zhì)的時間序列有效，一般來講，視頻跟蹤的時間序列都不是平穩(wěn)序列。為了使其數(shù)據(jù)序列成為平穩(wěn)序列，則需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，所以差分自回歸移動平均模型ARIMA(P，D，Q)可以表示為

式中:q為滑動平均項數(shù);d為使之成為平穩(wěn)序列所做的差分次數(shù)(階數(shù));φp(B)和θq(B)是B的p、q階特征多項式。φp(B)和θq(B)在|B|＜1時，沒有根，從而確保系統(tǒng)的因果性和可逆性。用固定的GoP參數(shù)m編碼的視頻文件在滯后m幀后，顯示出重復(fù)碼型，呈現(xiàn)周期性，因此可用季節(jié)時間序列模型ARIMA模型實現(xiàn)

式中:Φp，和D是季節(jié)性AR，MA和差分次數(shù)。可以表達(dá)為以m為周期的 ARIMA(p，d，q)的(P，D，Q)。

1.2.2 參數(shù)估計［12］

數(shù)據(jù)序列建模后最關(guān)鍵的是尋找的相應(yīng)模型參數(shù)。赤池信息量準(zhǔn)則(AIC)是用來篩選統(tǒng)計模型的判別標(biāo)準(zhǔn)［13］，赤池信息量準(zhǔn)則通過比較不同模型的赤池信息量來比較模型的優(yōu)劣，并且，該準(zhǔn)則認(rèn)為具有較小的赤池信息量的模型為優(yōu)。其實現(xiàn)過程如下［14－15］:對消除季節(jié)性的數(shù)據(jù)進(jìn)行單位根檢驗，確定數(shù)據(jù)是平穩(wěn)序列(d=0)后，根據(jù)赤池信息量準(zhǔn)則(AIC)找出AIC值最小的p和q組合(取值范圍:0，1，…，5)，P、Q組合(取值范圍:0，1，2)，得到 AIC 值最小的 (p，q，P，Q)組合為(1，1，1，1);使用開源統(tǒng)計性語言R［16］及其ARIMA()函數(shù)對上述結(jié)果進(jìn)行分析和下一步預(yù)測。

1.2.3 預(yù)測

以 ARIMA(p，d，q，P，D，Q)模型參數(shù)為基礎(chǔ)，運用1.2.2節(jié)推導(dǎo)出的 ARIMA 模型參數(shù)(1，0，1，1，1，1)來預(yù)測未來幀。使用R［16］語言中的 predict.arima(stats)函數(shù)預(yù)測未來值。

1)選取樣本數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)采用JM(18.0)編碼器對表1中所列參數(shù)進(jìn)行MPEG－4容器格式編碼后，選取200個攜帶相關(guān)參數(shù)和季節(jié)性值(GoP大小)的樣本數(shù)據(jù)。

表1 視頻編碼參數(shù)

2)將樣本數(shù)據(jù)輸入ARIMA()和predict.arima(stats)函數(shù)，采用最大似然法進(jìn)行參數(shù)估計，預(yù)測出未來樣本數(shù)據(jù)(65個)，如圖3所示。

圖3 未來樣本數(shù)據(jù)(65個預(yù)測視頻幀樣本數(shù)據(jù))

得到預(yù)測視頻幀尺寸數(shù)據(jù)后，根據(jù)預(yù)測數(shù)據(jù)完成傳輸計劃的創(chuàng)建，并結(jié)合基站緩沖區(qū)溢位標(biāo)志和延遲截止時間估計休眠期持續(xù)時間，完成DRX周期的調(diào)整和優(yōu)化，最終傳送給用戶設(shè)備(UE)。

2 仿真和分析

對新型基站架構(gòu)的性能分析主要包括視頻幀跟蹤數(shù)據(jù)的傳送和重建。仿真所需的TD－LTE的系統(tǒng)參數(shù)配置如表2所示。

表2 TD－LTE系統(tǒng)參數(shù)值

在仿真中，跟蹤記錄了由于在基站的緩沖和延遲而被丟棄的視頻幀序列號，具體接收情況如表3所示。

表3 用戶設(shè)備(UE)接收視頻數(shù)據(jù)情況

根據(jù)文獻(xiàn)［17］中提到的峰值信噪比(PSNR)和視頻質(zhì)量的關(guān)系，在仿真中使用EvalVid質(zhì)量評估工具去測量視頻的PSNR［18］，在對多個視頻文件進(jìn)行仿真的過程中發(fā)現(xiàn):對于給定的帶寬，視頻文件越大，對應(yīng)的DRX休眠時間越短。表4中列出了不同視頻文件在平均比特率下的跟蹤統(tǒng)計數(shù)據(jù):DRX關(guān)閉持續(xù)時間(OD)和視頻質(zhì)量(PSNR)。圖4給出了UE給定帶寬后采用DRX機制和不采用DRX機制兩種情況下視頻幀的接收(丟棄)數(shù)量和PSNR變化趨勢。結(jié)合圖4和表4可以得到一定質(zhì)量保證下的帶有休眠機制的視頻傳輸所需的最佳帶寬，視頻1可接受的視頻傳輸質(zhì)量的最佳帶寬大于4.9 Mbit/s，對應(yīng)的PSNR值大于39 dB［18］。

安全工作區(qū)域(帶寬＞4.9 Mbit/s)的用戶設(shè)備(UE)接收到的視頻質(zhì)量仿真結(jié)果如圖5所示，采用優(yōu)化后DRX機制的視頻質(zhì)量指數(shù)基本在0.9～1之間波動，可見采用基于預(yù)測機制的DRX視頻傳輸在節(jié)電的同時并沒有過多降低視頻質(zhì)量。

表4 DRX OD(關(guān)閉時間)、BW(帶寬)和PSNR

圖4 采用DRX和不采用DRX兩種情況下幀接收和PSNR變化圖(截圖)

圖5 安全工作區(qū)域的用戶設(shè)備(UE)視頻接收質(zhì)量(截圖)

3 結(jié)論

在針對TD－LTE網(wǎng)絡(luò)中基于RTP/UDP傳輸協(xié)議的視頻流傳輸機制研究工作中，本文提出了一種增加預(yù)測功能塊的基站架構(gòu)和DRX跨層優(yōu)化視頻傳輸機制。通過對不同的視頻文件進(jìn)行模擬，仿真結(jié)果顯示，該視頻傳輸實現(xiàn)方法可以在省電和視頻傳輸質(zhì)量兩者之間權(quán)衡找到可用的數(shù)據(jù)速率，找到一個最佳的工作區(qū)域，如圖4所示，在不影響傳輸質(zhì)量的前提下，節(jié)電比例可達(dá)到40% ～70%?？紤]到基于預(yù)測的高效資源調(diào)度和DRX優(yōu)化機制，該研究可進(jìn)一步研究延伸至其他視頻應(yīng)用中去。

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