專利名稱：一種采用可分級(jí)視頻編碼的ofdm系統(tǒng)的資源分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線通信領(lǐng)域，尤其涉及一種多用戶OFDM系統(tǒng)中的降低功耗的分層多播方案的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
隨著視頻編碼、無(wú)線傳輸技術(shù)和智能終端的不斷發(fā)展，未來(lái)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將會(huì)承載諸如可視電話、視頻會(huì)議、移動(dòng)視頻點(diǎn)播、數(shù)字電視廣播等越來(lái)越多的視頻業(yè)務(wù)。視頻業(yè)務(wù)具有對(duì)時(shí)延敏感、平均數(shù)據(jù)量大以及流量變化大的特點(diǎn)，這使得視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)碾y度要遠(yuǎn)大于語(yǔ)音及其它低流量業(yè)務(wù)。要想在帶寬有限且具有復(fù)雜特性的無(wú)線信道中實(shí)現(xiàn)海量視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)保證視頻傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量，需要根據(jù)不同用戶的服務(wù)質(zhì)量要求 (QoS)和信道信息合理分配資源，自適應(yīng)地優(yōu)化視頻編碼和無(wú)線傳輸中的相關(guān)參數(shù)。
OFDM技術(shù)是未來(lái)無(wú)線通信的核心技術(shù)之一。OFDM是一種基于多載波調(diào)制的高效傳輸方案，它將高速的串行數(shù)據(jù)流分解成若干并行的子數(shù)據(jù)流，并能在各個(gè)子載波上靈活地分配功率和比特，從而提高了系統(tǒng)的頻譜效率和功率效率。在單用戶OFDM系統(tǒng)中，當(dāng)基站完全已知用戶信道狀態(tài)信息(CSI)時(shí)，可以通過(guò)對(duì)各子載波進(jìn)行自適應(yīng)比特和功率分配來(lái)提高系統(tǒng)的性能[I] [2]。考慮到反饋速率的限制，近年來(lái)人們開始關(guān)注基于有限反饋的 OFDM系統(tǒng)。[3]和[4]中分析了對(duì)各子載波進(jìn)行I比特反饋的OFDM系統(tǒng)的吞吐量性能;[5]中提出了基于有限反饋的OFDM系統(tǒng)的子載波功率分配方案。在該方案中，功率分配向量為預(yù)先設(shè)計(jì)好的碼本中的碼字，接收端根據(jù)信道信息從碼本中選擇相應(yīng)的碼字，并將碼字序號(hào)反饋到發(fā)射端。
在上面所提到的單用戶OFDM系統(tǒng)中，被分配的資源主要包括發(fā)射功率和速率。而在多用戶OFDM(或稱0FDMA)系統(tǒng)中，被分配的資源包括發(fā)射功率、發(fā)射速率和子載波。在 OFDMA系統(tǒng)中，利用反饋信息將子載波動(dòng)態(tài)地分配給不同的用戶，能有效地利用多用戶分集增益，同時(shí)提高載波的利用效率。在OFDMA系統(tǒng)中，每個(gè)載波最多分給一個(gè)用戶。因此，載波分配本質(zhì)上是0-1整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題。在不考慮比特和功率分配的情況下，載波分配可被視為一個(gè)指派問(wèn)題，其最優(yōu)解可通過(guò)匈牙利(hungarian)算法獲得。載波分配問(wèn)題的非凸性使得上述兩類資源分配問(wèn)題為非凸的優(yōu)化問(wèn)題，獲得最優(yōu)解的復(fù)雜度隨載波數(shù)的增加而指數(shù)增長(zhǎng)。上述資源分配問(wèn)題也可以通過(guò)一些簡(jiǎn)化算法獲得次優(yōu)解比如通過(guò)引入時(shí)分(或頻分)因子將非凸問(wèn)題轉(zhuǎn)換成一個(gè)凸優(yōu)化問(wèn)題[6] [7];或利用Iagrange互易性將原問(wèn)題變換到其互易空間進(jìn)行求解[8];或?qū)⑤d波分配和比特(功率)分配獨(dú)立地進(jìn)行優(yōu)化，并利用線性規(guī)劃來(lái)解決載波分配問(wèn)題[9]。
H. 264中的可分級(jí)視頻編碼具有隨信道條件和用戶要求自適應(yīng)調(diào)整幀率、空間分辨率和視頻質(zhì)量的靈活性。為了滿足不同用戶的要求以及和信道傳輸能力相匹配，可分級(jí)視頻編碼將視頻流分為可單獨(dú)解碼的基本層碼流和一個(gè)可以在任何位置截?cái)嗟脑鰪?qiáng)層碼流[10]。在傳輸條件差的情況下，只傳輸基本層；當(dāng)傳輸條件好的時(shí)候，可提供時(shí)間、空間或質(zhì)量增強(qiáng)層以增強(qiáng)視頻質(zhì)量。目前，在可分 級(jí)視頻傳輸?shù)目鐚觾?yōu)化方面已經(jīng)開展了一些研究工作[31]-[35]。[11]利用MIMO廣播信道傳輸SVC視頻，并采用空時(shí)編碼技術(shù)增強(qiáng)分集增益。[12]在[13]的基礎(chǔ)上研究了不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)層間的功率、速率分配方案，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的抗噪能力。[14]中采用質(zhì)量可分級(jí)視頻編碼同時(shí)向多個(gè)用戶廣播視頻信息，提出了保證時(shí)延和緩存隊(duì)列不溢出的信源速率分配和功率分配方案。[15]將視頻包的優(yōu)先級(jí)和資源分配相結(jié)合，根據(jù)視頻包的優(yōu)先級(jí)和用戶信道信息分配子載波、功率和調(diào)制方式，在保證公平性的情況下，最大化系統(tǒng)的總效用函數(shù)。發(fā)明內(nèi)容
在本專利中，我們提出將應(yīng)用層的可分級(jí)視頻編碼和物理層的子載波、功率和速率分配相結(jié)合的跨層資源分配方案。在視頻編碼器中，我們使用的是中粒度質(zhì)量可分級(jí)編碼(MGS)。采用MGS可產(chǎn)生由不同優(yōu)先級(jí)的MGS包組成的視頻流，通過(guò)抽取或丟掉部分視頻包可產(chǎn)生不同質(zhì)量等級(jí)的視頻流。我們用OFDM的不同子載波傳輸不同優(yōu)先級(jí)的視頻包，用戶可通過(guò)抽取不同的子載波集合獲得所需要的Qos。通過(guò)對(duì)子載波、速率和功率的最優(yōu)分配，使系統(tǒng)在滿足不同用戶Qos的基礎(chǔ)上，獲得高的功率效率。
從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例具有以下優(yōu)點(diǎn)
將質(zhì)量可分級(jí)視頻編碼和OFDM的子載波、比特分配相結(jié)合，利用不同子載波傳輸不同的質(zhì)量層，使得一個(gè)子載波可以同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù)，提高了網(wǎng)絡(luò)的利用效率。在滿足不同用戶服務(wù)質(zhì)量要求的條件下，使系統(tǒng)的總發(fā)送功率最小。該方案能獲得比對(duì)各個(gè)用戶的視頻信息單獨(dú)編碼傳輸?shù)穆?lián)播方案更高的功率效率。


圖1采用MGS和自適應(yīng)資源分配的OFDM系統(tǒng)框圖
圖2MGS和單層編碼的編碼效率比較
圖3MGS和單層編碼的發(fā)送功率比較具體實(shí)施方式
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種將可分級(jí)視頻編碼和多用戶OFDM的資源分配相結(jié)合的系統(tǒng)優(yōu)化方案，用于提高網(wǎng)絡(luò)的利用效率和系統(tǒng)的功率效率。
系統(tǒng)傳輸框圖如圖1所示信源編碼采用H. 264/AVC中的可分級(jí)視頻編碼，編碼后的比特流經(jīng)過(guò)資源分配模塊后，再通過(guò)OFDM系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。用戶抽取不同的子載波集合進(jìn)行信道及信源解碼，從而恢復(fù)出不同質(zhì)量的視頻。
可分級(jí)視頻編碼分為時(shí)間、空間和質(zhì)量可分級(jí)?？煞旨?jí)編碼的基本思路是產(chǎn)生一個(gè)包含重要解碼信息的基本層和多個(gè)增加幀率、空間分辨率和圖像質(zhì)量的增 強(qiáng)層。SVC提供 2類質(zhì)量可分級(jí)CGS和MGS。由于MGS能實(shí)現(xiàn)比CGS更精細(xì)的質(zhì)量分級(jí)數(shù)，在本專利中，我們僅考慮Iayerl的中粒度質(zhì)量可分級(jí)編碼(MGS)。
SVC包括一個(gè)視頻編碼層(VCL)和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配層(NAL) JCL采用混合編碼結(jié)構(gòu)。 NAL將VCL產(chǎn)生的比特?cái)?shù)據(jù)封裝成NAL單元并加上解碼所需的頭部信息。每個(gè)NAL單元頭部有相應(yīng)的時(shí)間、空間和質(zhì)量層號(hào)。假設(shè)MGS編碼產(chǎn)生L層視頻數(shù)據(jù)(I個(gè)基本層和L-1個(gè)增強(qiáng)層)。令Q1表示第I個(gè)編碼層，編碼速率R1和視頻編碼層的關(guān)系如下表所示。
表1編碼速率和質(zhì)量層之間的關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于多用戶OFDM系統(tǒng)的分層多播方案，其特征在于，包括 在應(yīng)用層采用了可分級(jí)視頻編碼(SVC)； 在物理層采用了多用戶OFDM系統(tǒng)的資源分配技術(shù)； 對(duì)應(yīng)用層的視頻編碼和物理層的傳輸方案進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，在滿足不同用戶QoS的基礎(chǔ)上，最小化系統(tǒng)的發(fā)送功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 采用了中粒度質(zhì)量可分級(jí)編碼，將視頻流分成一個(gè)基本層和多個(gè)增強(qiáng)層； 給不同質(zhì)量層分配不同的子載波； 給不同的子載波分配不同的比特?cái)?shù)和發(fā)送功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，子載波、功率和比特分配方法要求以下三點(diǎn) 滿足不同用戶對(duì)視頻質(zhì)量和誤碼率的要求； 每個(gè)子載波只能分配給一個(gè)質(zhì)量層； 最小化系統(tǒng)的發(fā)送功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2及3所述的方法，其特征在于，子載波的分配方法包括 根據(jù)用戶要求的速率畸變點(diǎn)和視頻質(zhì)量層的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到各個(gè)質(zhì)量層在各子載波上的信道增益； 將各個(gè)質(zhì)量層在各子載波上的信道增益代入誤碼率公式，求出在滿足誤碼率要求情況下，各個(gè)質(zhì)量層在個(gè)子載波上的發(fā)送功率； 根據(jù)質(zhì)量層的編碼速率和OFDM的符號(hào)周期計(jì)算出在一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)應(yīng)該傳輸?shù)母鱾€(gè)質(zhì)量層的比特?cái)?shù)，將各個(gè)用戶的服務(wù)質(zhì)量要求轉(zhuǎn)化為各個(gè)質(zhì)量層對(duì)傳輸速率的要求。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的內(nèi)容，其特征在于，子載波和比特分配方法包括 將對(duì)子載波分配因子和比特?cái)?shù)的整數(shù)約束條件放松為非整數(shù)約束； 利用拉格朗日乘子法將帶約束的優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為非約束優(yōu)化問(wèn)題。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的內(nèi)容，其特征在于，求解非約束優(yōu)化問(wèn)題的方法包括 證明非約束優(yōu)化問(wèn)題的代價(jià)函數(shù)為載波上分配比特?cái)?shù)和載波分配因子的凸函數(shù)； 令代價(jià)函數(shù)對(duì)比特?cái)?shù)求導(dǎo)，得到載波上分配比特?cái)?shù)的表達(dá)式； 根據(jù)載波分配因子是代價(jià)函數(shù)的線性函數(shù)，得到載波分配因子的表達(dá)式；對(duì)于給定的拉格朗日乘子，得到各個(gè)質(zhì)量層在子載波上的分配因子，以及各個(gè)質(zhì)量層在各個(gè)子載波上分配的比特?cái)?shù)； 對(duì)于給定的拉格朗日乘子，計(jì)算各個(gè)質(zhì)量層在一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)的和速率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的內(nèi)容，其特征在于，求解滿足各個(gè)質(zhì)量層在一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)速率要求的拉格朗日乘子的方法包括 設(shè)定各個(gè)拉格朗日乘子的初始值； 從初始值開始，運(yùn)用迭代搜索法逐步增加各個(gè)質(zhì)量層對(duì)應(yīng)的拉格朗日乘子的值，直到所有質(zhì)量層的和速率滿足速率要求。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述內(nèi)容，其特征在于，求解質(zhì)量層分配因子的方法包括 將不是O或I的質(zhì)量層分配因子按一定方法取整為O或I。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述內(nèi)容，其特征在于，每個(gè)子載波上的比特分配方法包括在子載波分配后，分別在不同質(zhì)量層對(duì)應(yīng)的子載波集合上進(jìn)行比特分配；運(yùn)用貪婪算法 逐比特增加每個(gè)子載波上的比特?cái)?shù)，直到滿足速率要求。
全文摘要
本發(fā)明提出一種將可分級(jí)視頻編碼和OFDM系統(tǒng)的資源分配相結(jié)合的跨層優(yōu)化方案?？煞旨?jí)視頻編碼能滿足異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中用戶對(duì)視頻流的不同的服務(wù)質(zhì)量要求(QoS)，OFDM技術(shù)可根據(jù)用戶的QoS和信道條件靈活地為用戶分配子載波、功率和比特?？紤]到可分級(jí)視頻流的特點(diǎn)，本發(fā)明將OFDM的不同子載波分配給不同優(yōu)先級(jí)的視頻包，并通過(guò)最優(yōu)的載波、功率和比特分配，使系統(tǒng)獲得最佳的功率效率。
文檔編號(hào)H04N7/26GK103051980SQ20121021909
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者唐嵐, 張興敢, 柏業(yè)超, 戴稚暉, 李多一 申請(qǐng)人:南京大學(xué)