一種用于異構網絡分層組播層速率優(yōu)化方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及移動通信技術領域，更具體的說，本發(fā)明涉及一種用于無線異構網絡 系統(tǒng)分層組播層速率優(yōu)化方法，是一種為了解決多速率組播吞吐量最大化為目標的層速率 優(yōu)化問題。
【背景技術】
[0002] 隨著寬帶網絡和Internet快速發(fā)展，多媒體服務業(yè)務應運而生，如網絡電視、遠 程學習、數(shù)據(jù)內容分發(fā)、多方視頻會議等，同時用戶端對網絡服務的多樣化和質量等方面的 提出越來越高的要求。如何在現(xiàn)有的網絡和通信技術下更為有效地利用網絡資源并實現(xiàn)更 高質量的數(shù)據(jù)傳輸，已經成為通信領域最為重要的研究課題之一。實際網絡中的固有異構 性，這就需要源節(jié)點能夠根據(jù)異構用戶的可用帶寬進行最佳的數(shù)據(jù)傳輸，針對異構性提出 的基于網絡編碼的多速率分層組播方案能夠有效解決異構網絡中用戶差異性需求，提高系 統(tǒng)吞吐量。
[0003] 在組播通信中以不同的速率為不同的接收用戶提供服務，分層組播吞吐量最大化 問題中，涉及到用戶能否接收到第k個分層的二進制參數(shù)，以及第k個分層速率rk，用戶 節(jié)點對分層數(shù)的接收4取決于用戶自身可用帶寬和層速率rk，因而分層組播層速率優(yōu)化問 題是NP-hard問題，通過線性規(guī)劃求解吞吐量來直接優(yōu)化分層速率是十分困難的。
[0004] 在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)：
[0005] 現(xiàn)有的技術方案中，絕大部分都是在鏈路分配階段不能充分的進行鏈路的重用， 用戶剩余鏈路帶寬減少，不能接收到更高的分層數(shù)，導致用戶的實際帶寬減少，繼而減少了 系統(tǒng)吞吐量。

【發(fā)明內容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術的不足，提出了一種實現(xiàn)組播通信的用戶吞吐量總和最大化的層速 率全局最優(yōu)的用于異構網絡分層組播層速率優(yōu)化方法，本發(fā)明的技術方案如下：一種用于 異構網絡分層組播層速率優(yōu)化方法，其中異構網絡的有向網絡拓撲圖用G(V，E，T，BS)表 示，其中V表示網絡中所有節(jié)點集合，E為所有網絡鏈路集合，（u，v)表示u節(jié)點到v節(jié)點的 有向鏈路，T為網絡中所有用戶節(jié)點集合，▽巧ef，網絡中擁有|T |個接收用戶，BS為基站， V/?,.e(K-奶-'/')為網絡中繼節(jié)點，并假定用戶節(jié)點僅能接收信息，BS僅能發(fā)送信息，所述 速率優(yōu)化方法包括以下步驟：
[0007]A.基站BS將視頻流圖片分層編碼為L個分層；
[0008]B.在中繼節(jié)點中采用網絡編碼法對步驟A得到的L個分層中的每個分層數(shù)據(jù)進行 編碼操作；
[0009]C.根據(jù)接收用戶個數(shù)，采用L層速率分配NRAA算法，將異構網絡的有向網絡拓撲 圖G(V，E，T，BS)分解為N(N= |T|)個傳輸子圖，以每個分層的接收用戶的剩余帶寬的最小 值作為分層速率，確保所有用戶都能以最大帶寬接收相應的分層編碼包，求出各用戶的實 際帶寬；
[0010] D.在步驟C中每個傳輸子圖的確立過程中，調用鏈路復用帶寬分配LRBA算法，為 每個傳輸子圖的接收用戶分配鏈路帶寬；
[0011] E.采用基于插板法的用戶簇L層速率分配PCLRAA算法，根據(jù)用戶實際帶寬，引入 分簇法，采用插板算法，將N層合并為L個分層，求出最佳分簇，得出L層機制下吞吐量最大 化的最優(yōu)分層速率，以及各傳輸子圖分配的鏈路帶寬，完成異構網絡分層組播層速率優(yōu)化。
[0012] 進一步的，步驟A中，基站BS將視頻流圖片分層編碼為L個分層采用MPEG-4標 準中的精細可伸縮性視頻編碼FGSC編碼技術，將圖片分層編碼為基礎層和增強層次，利用 基于分塊運動補償預測編碼技術和DCT變換技術進行基礎層編碼，利用位平面編碼技術對 DCT殘差進行增強層次編碼。
[0013] 進一步的，步驟B中中繼節(jié)點采用網絡編碼法具體為采用層內隨機線性網絡編碼 ILRLNC對接收到的分層編碼包分別進行編碼操作。
[0014] 進一步的，步驟C中的NRAA算法，具體步驟包括：
[0015]31.初始化G(V，E，T，BS)，對于任意接收用戶gT，初始化其實際接收速率 鳥f，鏈路（u, V) G E帶寬C(u, V);
[0016] 32.初始化1 = 1以及分層總數(shù)N= |T|，第一個分層的接收用戶為所有用戶，也 即I\=T;
[0017] 33.第1 (1彡N)個分層的傳輸子圖Gi以，Ei，1\，BS)的分層速率r1= 0 ;
[0018] 34.第1個分層中的初始化用戶序號i= 1，對任意用戶VReT；進行如下操作：
[0019] 341運行Edmonds-Karp算法，計算剩余最大流；：
[0020] 342如果，將用戶1^從T沖刪除；
[0021] 343 更新i=i+1 ;
[0022] 344如果i彡|T」，返回341 ;
[0023]35.如果$ 0，更新實際分層數(shù)N= 1，NRAA算法結束；
[0024] 36.更新第1層的分層速率,Vt/,e0，對任意用戶e7；，更新用 戶的實際帶寬A.=盡.+/卜
[0025] 37.調用LRBA算法為第1層的鏈路帶寬分配f' (u，v)，求出傳輸子圖 G丨('VpE丨,TnBSU
[0026] 38.更新▽(?，>')￡￡，鏈路的剩余帶寬C(u,v) -C(u,v)_f' （u,v)，更新 1 = 1+1;
[0027] 39.如果1彡N，更新I\=T丨：，返回33,否則算法結束。
[0028] 進一步的，步驟D中LRBA算法中，V中所有用戶鏈路帶寬全部用來接收該層數(shù) 據(jù)，剩余帶寬值較大的用戶集合T"中用戶與已經分配鏈路帶寬的用戶進行重用后，若用戶 A還需分配的帶寬，依次選取包含最大節(jié)點出度maX(degu)的路徑進行鏈路 帶寬的分配。
[0029] 進一步的，步驟E中PCLRAA算法中，分簇數(shù)目和信源分層編碼的分層總數(shù)一致； L層機制下分層速率的求取類似于N層，都是以接收用戶的剩余帶寬的最小值作為分層速 率，保證用戶都能接收到該分層。
[0030] 本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下：
[0031]LRBA算法，為了保證用戶全部能接收到第1層編碼包，第1層的最優(yōu)分層速率 為接收用戶的非零剩余帶寬值的最低值，LRBA算法實質是擁有最小帶寬值的用戶集合' 中所有用戶將自身剩余帶寬全部用來接收第1層編碼包，具有較高剩余帶寬值也即6: >〃/ 的用戶集合T/'中用戶，盡量多的重用其他接收用戶的路徑可以為更高分層編碼包的接收 預留更多資源，提高鏈路的重用率，繼而提高系統(tǒng)吞吐量；PCLRAA算法，將N層合并為L個 分層，在假定分簇數(shù)等于分層總數(shù)，簇Q的用戶個數(shù)為ni，為實現(xiàn)吞吐量最大化可以將層速 率優(yōu)化問題直接轉化為尋找最佳分簇問題。根據(jù)已經排序的用戶帶寬值將用戶放入相應的 簇中，類似于數(shù)學中的相同元素分堆問題，根據(jù)用戶實際可用帶寬3?進行相同元素捆綁后 的用戶數(shù)為D，則D個用戶分為L簇，共有種插板方式。利用式⑴（3)求出每種插板方 式的吞吐量，求出吞吐量最大的插板方式也即最佳分簇方式，求出分層速率以及每層的鏈 路帶寬分配。
【附圖說明】
[0032] 圖1是本發(fā)明提供實施例圖片信源分層編碼示意圖；
[0033] 圖2為本發(fā)明的網絡編碼示意圖；
[0034] 圖3為本發(fā)明的NRAA算法示意圖；
[0035] 圖4為本發(fā)明的LRBA算法示意圖；
[0036] 圖5為本發(fā)明的PCLRAA算法示意圖；
[0037] 圖6為本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0038] 以下結合附圖，對本發(fā)明作進一步說明：
[0039] 參見圖1，基于貪心理論，每個用戶節(jié)點都期望根據(jù)自身的處理能力和可用帶寬接 收盡量多的圖片分層數(shù)據(jù)。在滿足一定的弱公平性原則一一具有較低帶寬的用戶也是能夠 接收到圖片信息，最大化用戶接收速率總和，也即最大化系統(tǒng)吞吐量，基于此，進行層速率 優(yōu)化。
[0040] 本發(fā)明中包含三種算法：NRAA算法、LRBA算法、PCLRAA算法，圖3為NRAA算法，具 體步驟包括：
[0041]31.初始化G(V，E，T，BS)，對于任意接收用戶Vt/f eF:，初始化其實際接收速率 嘆=〇，鏈路（u,v)G E帶寬C(u,v);
[0042] 32.初始化1 = 1以及分層總數(shù)N= |T|，第一個分層的接收用戶為所有用戶，也 即I\=T;
[0043] 33.第1 (1彡N)個分層的傳輸子圖Gi以，Ei，1\，BS)的分層速率r1= 0 ;
[0044] 34.第1個分層中的初始化用戶序號i=l，對任意用戶VRel；進行如下操作：
[0045] 341運行Edmonds-Karp算法，計算剩余最大流6 ;
[0046] 342如果^，將用戶1^從T沖刪除；
[0047] 343 更新i=i+1;
[0048]344 如果i彡1|，返回 341;
[0049] 35.如果石=0，.更新實際分層數(shù)N=1，NRAA算法結束；
[0050] 36.更新第1層的分層速率
?對任意用戶VRe2；:，更新用 戶的實際帶寬漢=盡+巧；
[0051] 37.調用LRBA算法為第1層的鏈路帶寬分配f' (u，v)，求出傳輸子圖 (W,，7；屬;
[0052]38?更新V("，e￡，鏈路的剩余帶寬c(u,v)-C(u,v) -f' (u,v)，更新 1=1+1;
[0053] 39.如果1彡N，更新I\=T::，返回33,否則算法結束。
[0054] 相應的，圖4中LRBA算法，為了保證用戶全部能接收到第1層編碼包，第1層 的最優(yōu)分層速率為接收用戶的非零剩余帶寬值的最低值，LRBA算法實質是擁有最小帶寬值 的用戶集合T/中所有用戶將自身剩余帶寬全部用來接收第1層編碼包，具有較高剩余帶 寬值也即盡的用戶集合"中用戶，盡量多的重用其他接收用戶的路徑可以為更高分 層編碼包的接收預留更多資源，提高鏈路的重用率，繼而提高系統(tǒng)吞吐量，LRBA算法具體步 驟包括：
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