龍 彥,李紅艷

(西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室,陜西西安 710071)

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認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中視頻傳輸?shù)馁Y源分配方案

龍 彥,李紅艷

(西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室,陜西西安 710071)

摘要:討論了多網(wǎng)卡場景下,次用戶在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中視頻傳輸?shù)目鐚淤Y源分配問題.考慮到網(wǎng)卡與信道的耦合關(guān)系,提出了基于鏈路-網(wǎng)卡-信道的沖突干擾圖,并對資源分配問題進(jìn)行優(yōu)化建模.模型的約束條件保證了無干擾無沖突的視頻傳輸,且能夠根據(jù)可伸縮編碼視頻業(yè)務(wù)的特點,為各業(yè)務(wù)提供路由選擇及速率分配,模型的目標(biāo)函數(shù)實現(xiàn)了基于公平考慮的網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化.仿真結(jié)果表明,多網(wǎng)卡傳輸能夠為視頻業(yè)務(wù)提供更高的吞吐量,所提方案能夠在保證公平性的同時,根據(jù)視頻業(yè)務(wù)特點有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源,實現(xiàn)業(yè)務(wù)間的按需合理分配.

關(guān)鍵詞:認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò);跨層資源分配;多網(wǎng)卡傳輸;視頻傳輸

通過認(rèn)知無線技術(shù),次用戶(未授權(quán)用戶)能夠感知周圍的頻譜環(huán)境,在避免對主用戶(授權(quán)用戶)造成一定影響的情況下,接入到主用戶的授權(quán)信道中實現(xiàn)自己的數(shù)據(jù)傳輸.認(rèn)知無線技術(shù)具有改善頻譜利用效率、提升次用戶傳輸速率等優(yōu)點,從而吸引了研究者的廣泛關(guān)注[1-2].另一方面,隨著智能終端及智能應(yīng)用的發(fā)展,視頻業(yè)務(wù)在無線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸需求愈加迫切,對認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中次用戶視頻傳輸問題的研究也成為近年來的研究熱點[3-4].

在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中,次用戶接入授權(quán)信道的方式分為Overlay和Underlay兩種.在Overlay模式下,次用戶探測出頻譜空洞,即不被主用戶使用的空閑信道資源,然后接入到這些空閑信道中傳輸自己的數(shù)據(jù).由于使用的是主用戶的空閑信道,因此次用戶的傳輸不會對主用戶造成干擾.在Underlay模式下,次用戶和主用戶同時占用相同頻段來傳輸,但需保證在該頻段上所有次用戶對主用戶造成的累積干擾小于一定門限值.筆者考慮在Overlay模式下次用戶支持視頻傳輸時的資源分配問題.由于不同主用戶使用的頻譜范圍不同,在Overlay模式下次用戶可能探測出多種頻段上的空閑信道資源.因此,一個需要解決的問題就是,該次用戶如何從探測的結(jié)果中選擇出合適的信道來傳輸;另一個問題是,當(dāng)某一信道同時被多個次用戶探測為可用時,如何將該信道在多個次用戶間合理分配以避免次用戶間干擾.

針對上述問題,文獻(xiàn)[5-6]研究了Overlay模式下當(dāng)探測結(jié)果給定后,次用戶間的信道分配問題.然而,考慮到視頻業(yè)務(wù)具有傳輸數(shù)據(jù)量大、服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)保障要求高等特點,這些研究由于沒有考慮業(yè)務(wù)的具體類型,因此并不能很好地滿足視頻業(yè)務(wù)的傳輸特點.基于此,文獻(xiàn)[7-8]特別研究了Overlay模式下針對視頻用戶的信道分配方法,但這些研究均是假設(shè)在路由給定的前提下孤立討論了信道分配的問題.由于路由選擇與信道分配相互影響,共同決定了業(yè)務(wù)的端到端性能,因此,對于一個端到端的視頻傳輸,需將路由選擇、信道分配聯(lián)合考慮.另一方面,文獻(xiàn)[7-8]只討論了每個次用戶配備單個網(wǎng)卡的場景,即次用戶一次只能接入一個信道.單網(wǎng)卡的優(yōu)點在于不用考慮網(wǎng)卡維度的資源優(yōu)化,簡化了資源分配算法.但弊端在于:由于一次只能使用一個信道,單個信道的傳輸能力可能無法滿足視頻業(yè)務(wù)的傳輸數(shù)據(jù)量;當(dāng)有多個信道可用時,次用戶無法充分利用多個信道同時傳輸來提高傳輸速率;次用戶需在多個信道間頻繁切換,引入了切換時延.因此,為更有效地利用認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中次用戶探測到的多個信道資源,提高視頻業(yè)務(wù)的傳輸速率,應(yīng)考慮次用戶配備多個網(wǎng)卡的場景.隨著硬件技術(shù)的發(fā)展,加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的研究人員已經(jīng)在校園內(nèi)搭建了一個基于多網(wǎng)卡的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò),也使得多網(wǎng)卡認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景逐漸明朗[9].然而,網(wǎng)卡的數(shù)目會制約信道分配的數(shù)目,使得引入網(wǎng)卡這一資源維度后,次用戶的資源分配問題變得更加復(fù)雜.具體而言,在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中,除需考慮路由與信道的聯(lián)合優(yōu)化外,還需同時考慮網(wǎng)卡與信道的資源聯(lián)合配置,通過跨層優(yōu)化的方法將這幾方面聯(lián)合優(yōu)化,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源在各層上的高效利用,并在資源跨層優(yōu)化的同時考慮視頻業(yè)務(wù)獨有的傳輸特點.

基于上述分析,筆者研究了認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中次用戶在Overlay模式下進(jìn)行視頻傳輸時,路由、信道、網(wǎng)卡資源聯(lián)合分配的跨層優(yōu)化方法.在假設(shè)次用戶配備多網(wǎng)卡的場景下,提出了基于鏈路-網(wǎng)卡-信道的沖突干擾圖,并得出了保證無網(wǎng)卡沖突、無同頻干擾的約束條件.在此基礎(chǔ)上,研究了基于可伸縮編碼視頻業(yè)務(wù)(Scalable Video Coding,SVC)的路由選擇與速率分配約束條件.該約束考慮到可伸縮編碼視頻業(yè)務(wù)的編碼特點,在保證了每個視頻業(yè)務(wù)基礎(chǔ)層傳輸?shù)耐瑫r,根據(jù)各業(yè)務(wù)增強層的不同速率需求,將資源按需分配,最終實現(xiàn)了基于公平考慮的網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化.該跨層資源優(yōu)化分配問題被巧妙地建模為一個線性規(guī)劃問題,并通過已有優(yōu)化算法以多項式復(fù)雜度最優(yōu)求解.

1 系統(tǒng)模型及定義

2 基于鏈路-網(wǎng)卡-信道的沖突干擾圖

多網(wǎng)卡的引入為認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)帶來了新一維度的可用資源,但同時也為其跨層優(yōu)化帶來了新的挑戰(zhàn).首先,為了避免網(wǎng)卡沖突,一個網(wǎng)卡一次最多只能工作在一個信道上;其次,一個次用戶上的網(wǎng)卡數(shù)目會限制該用戶分配到的信道數(shù)目,從而影響其關(guān)聯(lián)鏈路上的信道分配數(shù)目.所以,在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的資源分配中,除了需研究信道分配以消除鄰近鏈路上的同頻干擾外,還應(yīng)研究每個次用戶上的網(wǎng)卡分配以避免網(wǎng)卡沖突.需要指出的是,這兩方面的問題相互耦合,相互制約,需要聯(lián)合考慮.

為了便于理解上述沖突干擾圖的概念,圖1(a)給出了認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的一條連接次用戶A、B的簡單鏈路,次用戶A、B上均配備了2個網(wǎng)卡,均有2個信道可用.圖1(b)給出了這條簡單鏈路所對應(yīng)的沖突干擾圖.在圖1(b)中,(AB,11,1)與(AB,12,2)相連,這是因為他們均采用了用戶A上的1網(wǎng)卡,且各自為1網(wǎng)卡分配了1信道和2信道,從而在1網(wǎng)卡上產(chǎn)生網(wǎng)卡沖突.(AB,11,1)與(AB,22,1)存在連線是因為他們均工作在信道1上,同時傳輸會造成同頻干擾.由此可見,基于鏈路-網(wǎng)卡-信道的沖突干擾圖能夠完全描述多網(wǎng)卡認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的同頻干擾及網(wǎng)卡沖突關(guān)系.借助此圖,可以在下一節(jié)中進(jìn)一步得出資源分配需滿足的相關(guān)約束條件.

圖1 基于鏈路-網(wǎng)卡-信道的沖突干擾示意圖

3 跨層資源分配問題的數(shù)學(xué)建模及求解

3.1 目標(biāo)函數(shù)

在傳統(tǒng)不考慮公平性的資源分配算法中,網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化的優(yōu)化目標(biāo)通常被設(shè)計為各業(yè)務(wù)吞吐量之和最大化的目標(biāo)函數(shù).這種分配方法將導(dǎo)致某些傳輸條件好的業(yè)務(wù)分配了過多資源,而傳輸條件差的業(yè)務(wù)獲得較少資源甚至沒有資源可供傳輸,即“餓死”現(xiàn)象[13].為了保證各視頻業(yè)務(wù)均能獲得一定的傳輸資源,本模型的優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計為基于公平性考慮的網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化.具體而言,對于所有視頻業(yè)務(wù)引入了一個相同的公平因子λ,λ∈[0,1],并將目標(biāo)函數(shù)設(shè)計為maxλ.

根據(jù)λ的取值,每個可伸縮編碼視頻業(yè)務(wù)p在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)資源分配后所得到的傳輸速率定義為λ(Bp+ Ep),其中Bp、Ep分別表示該可伸縮編碼視頻業(yè)務(wù)基礎(chǔ)層及增強層成功傳輸?shù)乃俾市枨?則Bp+Ep對應(yīng)了該業(yè)務(wù)成功傳輸?shù)淖畲笏俾市枨?將目標(biāo)函數(shù)設(shè)計為最大化公平因子λ具有如下作用:首先,每個業(yè)務(wù)的λ取值相同,保證了所有業(yè)務(wù)均可獲得相對于自身最大需求而言相同比率的傳輸速率,從一定程度上保障了資源的均衡分配,避免了因單純追求網(wǎng)絡(luò)吞吐量而可能導(dǎo)致的分配不均.其次,λ(Bp+Ep)保證了在資源分配中,具有高速率需求的業(yè)務(wù)可獲得更多的傳輸速率,從而實現(xiàn)了資源的按需合理分配.最后,λ越大,則每個業(yè)務(wù)獲得的傳輸速率越大,網(wǎng)絡(luò)吞吐量越大.因此,最大化λ能夠在保證公平的同時實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)吞吐性能優(yōu)化.

3.2 信道、網(wǎng)卡資源聯(lián)合分配的約束條件

3.3 基于可伸縮編碼視頻業(yè)務(wù)視頻特性的速率約束條件

對于每個可伸縮編碼視頻業(yè)務(wù)p,筆者規(guī)定了如下的速率約束條件:

該約束條件的作用主要體現(xiàn)在兩方面:首先,由于可伸縮編碼視頻業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)層承載了最核心的視頻信息且為用戶提供了最基本的視頻質(zhì)量,因此必須保證基礎(chǔ)層的成功傳輸,即業(yè)務(wù)獲得的速率λ(Bp+Ep)至少等于基礎(chǔ)層的需求速率Bp.其次,由于λ的取值范圍為[0,1],λ(Bp+Ep)保證了每個業(yè)務(wù)獲得的速率不會超出其所需的最大速率Bp+Ep,從而避免了資源的過度分配和浪費.

3.4 路由選擇的約束條件

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流理論[13],對于每個視頻業(yè)務(wù),其在網(wǎng)絡(luò)中所分得的速率λ(Bp+Ep)不能超過其源節(jié)點上流出的凈速率.因此,在源節(jié)點sp處,有如下約束條件:

同樣地,λ(Bp+Ep)也不能超過其目的節(jié)點tp上流入的凈速率,即

對于業(yè)務(wù)p,除源節(jié)點和目的節(jié)點外,網(wǎng)絡(luò)中其余節(jié)點構(gòu)成了該業(yè)務(wù)的中間節(jié)點集合Rp={rp|rp∈V {sp,tp}}.根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流理論,在中間節(jié)點上流入鏈路的總速率應(yīng)與流出鏈路的總速率保持守恒.所以,對于中間節(jié)點rp的約束條件如下:

可見,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流理論,不等式(5)～(7)構(gòu)建出了視頻業(yè)務(wù)端到端傳輸時可行路由需滿足的路由選擇約束條件,而等式(4)則將路由選擇與信道、網(wǎng)卡等資源的分配耦合在一起.由此,實現(xiàn)了認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中次用戶視頻傳輸時的跨層資源聯(lián)合分配.

3.5 鏈路容量的約束條件

由于討論多用戶傳輸?shù)膱鼍?因此一條鏈路可能同時為多個視頻業(yè)務(wù)服務(wù).這多個業(yè)務(wù)在該鏈路上傳輸?shù)暮退俾蕬?yīng)小于等于該鏈路的鏈路容量,即

3.6 跨層資源分配問題的優(yōu)化模型

基于上述分析,得到了認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中次用戶視頻傳輸?shù)目鐚淤Y源分配問題優(yōu)化模型:

4 仿真結(jié)果

在仿真驗證中,筆者考慮了兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò):4×4的格型網(wǎng)絡(luò)以及隨機(jī)拓?fù)涞亩嗵W(wǎng)絡(luò).其中在隨機(jī)拓?fù)涞亩嗵W(wǎng)絡(luò)中,12個次用戶隨機(jī)分布在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi),傳輸距離和干擾距離分別為40 m和80 m.假設(shè)每個次用戶的信道探測結(jié)果相同,且隨著主用戶的業(yè)務(wù)負(fù)載遞減,次用戶探測到的空閑信道數(shù)目從3遞增至6.鏈路工作在各信道上的鏈路容量在1 Mbit/s、2 Mbit/s、5.5 Mbit/s和11 Mbit/s中隨機(jī)選擇.每個次用戶上配備的網(wǎng)卡數(shù)目從1變化至3.視頻業(yè)務(wù)數(shù)目從1變化至4.每個視頻業(yè)務(wù)隨機(jī)選擇其源節(jié)點和目的節(jié)點,并分別從[0.2 Mbit/s,0.8 Mbit/s]和[2 Mbit/s,5 Mbit/s]的區(qū)間內(nèi)隨機(jī)選擇Bp和Ep的值.一個周期的時長T=50.基于上述參數(shù)設(shè)置和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用內(nèi)點法對式(9)進(jìn)行最優(yōu)求解,并驗證了如下方面的性能表現(xiàn).

圖2給出了視頻業(yè)務(wù)數(shù)為3時,公平因子λ隨信道數(shù)及網(wǎng)卡數(shù)的變化情況.在圖2中,各次用戶由單網(wǎng)卡增至多網(wǎng)卡,且隨著主用戶業(yè)務(wù)負(fù)載減小,次用戶探測到的空閑信道數(shù)目從3增至6.由圖2可知,無論在格型網(wǎng)絡(luò)還是隨機(jī)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中,隨著信道數(shù)目及網(wǎng)卡數(shù)目的增加,公平因子λ均呈現(xiàn)上升趨勢.這是由于在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中,信道和網(wǎng)卡的增加為網(wǎng)絡(luò)帶來了更多可用資源,增加了鏈路并行傳輸?shù)臋C(jī)會,從而提高了視頻業(yè)務(wù)的傳輸速率,改善了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量.此外,圖2還驗證了在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中,通過為次用戶配備多個網(wǎng)卡能夠帶來吞吐量的顯著提升.同時,注意到當(dāng)主用戶業(yè)務(wù)負(fù)載較小(空閑信道數(shù)目較大)時,運用多網(wǎng)卡能夠比在主用戶業(yè)務(wù)負(fù)載較大(空閑信道數(shù)較少)時帶來更高的增益.這是由于當(dāng)空閑信道數(shù)較多時,需要更多網(wǎng)卡資源才能有效地發(fā)揮多個信道的增益.

圖2 公平因子隨信道數(shù)及網(wǎng)卡數(shù)的變化情況

圖3 可伸縮編碼視頻業(yè)務(wù)在兩種資源分配方法下的傳輸情況

5 結(jié)束語

筆者研究了認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中次用戶視頻傳輸?shù)目鐚淤Y源分配方案.為了充分利用信道資源,討論了次用戶配備多網(wǎng)卡的場景.借助鏈路-信道-網(wǎng)卡沖突干擾圖,實現(xiàn)了路由、信道、網(wǎng)卡多維資源的聯(lián)合分配.同時,考慮到可伸縮編碼視頻業(yè)務(wù)的編碼特點,實現(xiàn)了業(yè)務(wù)間的資源按需分配.仿真驗證了所提算法的有效性.

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(編輯:郭 華)

簡 訊

2015年11月21日,我校數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院舉辦了數(shù)學(xué)建模論壇.西安交通大學(xué)周義倉教授、西北工業(yè)大學(xué)肖華勇副教授分別作了題為《數(shù)學(xué)建模的針對性與創(chuàng)新》、《2015年國際大學(xué)生數(shù)學(xué)建模大賽的點評》的報告.

摘自《西電科大報》2015.11.28

Resource allocation scheme for video transmissions in cognitive radio networks

LONG Yan,LI Hongyan
(State Key Lab.of Integrated Service Networks,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

Abstract:Considering SUs with multiple radios,this paper discusses the cross-layer resource allocation problem for video transmissions in cognitive radio networks.Because of the coupling relationship between radio and channel,this paper proposes a new conflict graph based on the link-radio-channel,and models the resource allocation problem into an optimization problem.The constraints ensure the conflict-free and interference-free video transmissions,and provide flow routing and rate allocation for video services based on the feature of scalable video coding streams.The objective function achieves the network-level throughput maximization with fairness consideration.Simulation results show that the multi-radio transmission could gain a higher throughput.Also,the proposed scheme could provide fairness resource allocation,and use resource efficiently based on the feature of video services.

Key Words:cognitive radio network;cross-layer resource allocation;multi-radio transmission;video transmissions

作者簡介:龍 彥(1988-),女,西安電子科技大學(xué)博士研究生,E-mail:ylong@stu.xidian.edu.cn.

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(91338115,61231008);國家科技重大專項資助項目(2011ZX03005-004,2011ZX03004-003,2013ZX03004007-003);陜西省"13115"科技創(chuàng)新工程資助項目(2010ZDKG-26);國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2009CB320404);長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃資助項目(IRT0852)

收稿日期:2014-12-10 網(wǎng)絡(luò)出版時間:2015-05-21

doi:10.3969/j.issn.1001-2400.2016.02.002

中圖分類號:TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1001-2400(2016)02-0006-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150521.0902.027.html