本文關(guān)鍵詞：無線通信網(wǎng)絡(luò)中基于跨層優(yōu)化的多媒體傳輸技術(shù)研究　出處：《山東大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和移動(dòng)智能終端的廣泛普及,無線網(wǎng)絡(luò)所承載的業(yè)務(wù)形態(tài)也日趨豐富,傳統(tǒng)以消息、語音為主的業(yè)務(wù)形態(tài)將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐砸苿?dòng)視頻為主的新型無線多媒體業(yè)務(wù)。移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)的流量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長趨勢(shì),對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)帶寬和能量的需求也日益劇增。如何在有限的頻譜和功率資源上滿足爆炸式增長的多媒體業(yè)務(wù)需求,成為無線通信技術(shù)發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)。多媒體通信涉及到無線通信協(xié)議棧的應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層等多個(gè)協(xié)議層,基于傳統(tǒng)分層協(xié)議架構(gòu)的方法由于缺乏有效的層間聯(lián)合優(yōu)化機(jī)制而無法滿足上述通信需求。目前,克服層間約束的跨層設(shè)計(jì)方法具備同時(shí)提高整個(gè)無線通信系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率的雙重優(yōu)勢(shì),可從根本上應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),因此具有重要的理論研究和應(yīng)用價(jià)值。本文立足于構(gòu)建能夠滿足用戶服務(wù)質(zhì)量需求和提升用戶體驗(yàn)的多媒體傳輸機(jī)制這一基本目標(biāo),從提高無線資源利用效率的研究思路出發(fā),采用“跨層設(shè)計(jì)”這一重要的技術(shù)手段,針對(duì)未來無線通信網(wǎng)絡(luò)中具有低時(shí)延、高可靠多媒體通信需求的典型應(yīng)用場景,重點(diǎn)研究了多用戶無線視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)中的資源優(yōu)化方法、分布式自組織網(wǎng)絡(luò)中的跨層視頻傳輸機(jī)制、干擾受限無線網(wǎng)絡(luò)中的媒體接入策略三部分內(nèi)容。在研究方法上,本文以無線視頻業(yè)務(wù)為典型案例,運(yùn)用信息論、排隊(duì)論、博弈論、凸優(yōu)化理論以及隨機(jī)幾何理論等數(shù)學(xué)工具進(jìn)行理論分析與數(shù)學(xué)建模、算法設(shè)計(jì)以及性能評(píng)估,通過研究提出了跨層無線資源優(yōu)化方法、設(shè)計(jì)了無線多媒體傳輸機(jī)制,并提出了最優(yōu)的媒體接入策略。本文的主要貢獻(xiàn)與創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下：1)針對(duì)多用戶無線視頻傳輸網(wǎng)絡(luò),研究了如何在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量要求的前提下最大化網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸質(zhì)量這一關(guān)鍵問題,搭建了聯(lián)合物理層傳輸功率、MAC層隊(duì)列時(shí)延以及應(yīng)用層視頻編碼速率的跨層視頻傳輸框架,提出了聯(lián)合控制物理層傳輸功率和應(yīng)用層視頻編碼速率的跨層資源優(yōu)化方法。該方法通過對(duì)用戶傳輸功率和編碼速率的聯(lián)合優(yōu)化有效地解決了視頻端的編碼方案與無線信道的有效容量不匹配的問題,大幅提升了視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量。此外,綜合分析了視頻編碼速率、隊(duì)列時(shí)延以及傳輸功率對(duì)用戶視頻失真的影響,將最大化網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸質(zhì)量問題等效建模為最小化網(wǎng)絡(luò)中所有用戶視頻失真之和的非線性非凸跨層優(yōu)化問題�？紤]到直接求解該問題的難度,本文提出了一種基于凸優(yōu)化理論與線性放松技術(shù)的全局優(yōu)化算法,利用該算法獲得了用戶的最優(yōu)傳輸功率和視頻編碼速率。最后,通過仿真對(duì)所提出的跨層視頻傳輸框架與全局優(yōu)化算法的性能進(jìn)行了分析和驗(yàn)證,并與已有的分層框架和人工蜂群優(yōu)化算法進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明本文提出的跨層框架和優(yōu)化算法在提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的視頻傳輸質(zhì)量方面的性能最優(yōu)。此外,仿真結(jié)果還表明在鏈路狀態(tài)給定的情況下,視頻編碼速率的較小變化將會(huì)對(duì)視頻失真造成相對(duì)較大的影響,也就是說視頻失真對(duì)視頻編碼速率這一系統(tǒng)參數(shù)較為敏感。上述創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)應(yīng)論文第二章的內(nèi)容和發(fā)表論文列表中的3和5。2)針對(duì)無線自組織網(wǎng)絡(luò),研究了分布式視頻傳輸機(jī)制的設(shè)計(jì)問題,構(gòu)建并提出了基于干擾感知的分布式跨層視頻傳輸機(jī)制。該傳輸機(jī)制的核心思想是讓網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)用戶(即一對(duì)信源-信宿節(jié)點(diǎn))根據(jù)特定的傳輸準(zhǔn)則讓其僅基于自身觀測(cè)到的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息(如業(yè)務(wù)負(fù)載、干擾狀況以及信道狀態(tài)信息)和隊(duì)列狀態(tài)信息(如業(yè)務(wù)到達(dá)速率、排隊(duì)等待時(shí)延)來決定選擇哪個(gè)信道來發(fā)送視頻包,并決定是立即發(fā)送隊(duì)列中到達(dá)的數(shù)據(jù)包還是將其存入隊(duì)列緩沖器中。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)概括如下：①提出了一種基于信道增益閾值的視頻傳輸策略,解決了用戶在給定的時(shí)隙內(nèi)如何選擇頻率信道以及如何決策是否發(fā)送視頻數(shù)據(jù)包的問題。②基于閾值傳輸策略并考慮到網(wǎng)絡(luò)中用戶的分布特性,提出了采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)來估計(jì)干擾分布的方法,并通過蒙特卡洛仿真驗(yàn)證了所提出的干擾分布模型的準(zhǔn)確性。③基于排隊(duì)論,針對(duì)分布式視頻傳輸網(wǎng)絡(luò),采用M/M/1隊(duì)列模型對(duì)用戶MAC層排隊(duì)過程進(jìn)行了建模,推導(dǎo)出了用戶隊(duì)列時(shí)延違約概率的閉式表達(dá)式。④建立了干擾感知的分布式跨層視頻傳輸機(jī)制,在此基礎(chǔ)上通過綜合考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�、用戶業(yè)務(wù)狀況、時(shí)延約束、傳輸策略及信道狀態(tài)等因素,采用跨層設(shè)計(jì)的方法將最大化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均視頻傳輸質(zhì)量問題建模為一個(gè)優(yōu)化問題。針對(duì)該優(yōu)化問題的非線性非凸特性以及網(wǎng)絡(luò)通信場景的分布式特性,提出了一種基于凸優(yōu)化理論和博弈理論的分布式跨層優(yōu)化算法,并通過理論分析和仿真驗(yàn)證了該算法的性能。⑤理論分析和仿真結(jié)果表明本文提出的分布式算法在提高網(wǎng)絡(luò)平均視頻傳輸質(zhì)量方面具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)并具有良好的收斂性能。此外,研究表明本文所提出的分布式跨層傳輸機(jī)制在實(shí)際通信場景中不僅可以有效降低計(jì)算復(fù)雜度,還可以減少用戶間的信令交互。因此,該機(jī)制可為未來5G網(wǎng)絡(luò)中具有低時(shí)延、高可靠通信需求的多媒體傳輸機(jī)制的設(shè)計(jì)提供重要的理論參考與應(yīng)用指導(dǎo)。上述創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)應(yīng)論文第三章的內(nèi)容和發(fā)表論文列表中的1和4。3)針對(duì)干擾受限無線網(wǎng)絡(luò),研究了具有時(shí)延QoS約束的最優(yōu)媒體接入問題,提出了具有時(shí)延QoS保障的最優(yōu)媒體接入策略,實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)吞吐量的最大化。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：①基于隨機(jī)SINR物理模型,設(shè)計(jì)了一種具有時(shí)延QoS保證的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議�；谠搮f(xié)議,利用隨機(jī)幾何理論分析并獲得了用戶聚合干擾的分布具有拖尾(heavy-tailed)特性這一重要結(jié)論；在此基礎(chǔ)上提出了利用對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)(log-normal distribution)對(duì)用戶隨機(jī)干擾的分布特性進(jìn)行建模的方法,推導(dǎo)出了對(duì)數(shù)正態(tài)分布的相關(guān)參數(shù)的閉式表達(dá)式并通過蒙特卡洛仿真驗(yàn)證了該干擾分布模型的準(zhǔn)確性。②基于提出的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議,針對(duì)干擾受限網(wǎng)絡(luò)場景,采用M/G/1隊(duì)列模型對(duì)隊(duì)列時(shí)延進(jìn)行了建模,推導(dǎo)出了用戶時(shí)延和數(shù)據(jù)包成功傳輸概率的閉式表達(dá)式；通過綜合考慮應(yīng)用層的用戶業(yè)務(wù)特征、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓�、MAC層隊(duì)列狀態(tài)、物理層信道狀態(tài)及干擾分布特性,將最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量問題建模為一個(gè)具有時(shí)延QoS約束的聯(lián)合優(yōu)化所有用戶的媒體接入概率問題。③針對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中可能存在的兩種用戶業(yè)務(wù)狀況(同構(gòu)用戶業(yè)務(wù)狀況和異構(gòu)用戶業(yè)務(wù)狀況),分別提出了不同的求解最優(yōu)媒體接入概率的方法。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)同構(gòu)用戶業(yè)務(wù)情況,基于凸優(yōu)化理論推導(dǎo)并獲得了用戶最優(yōu)媒體接入概率的閉式表達(dá)式,設(shè)計(jì)了一種具有低復(fù)雜度的最優(yōu)化算法。④針對(duì)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)用戶業(yè)務(wù)狀況,考慮到待求解的優(yōu)化問題具有非線性非凸特性,提出了一種基于優(yōu)化理論、分支定界框架以及線性變形放松技術(shù)的全局優(yōu)化算法。仿真結(jié)果表明本文提出的全局優(yōu)化算法在實(shí)際應(yīng)用中不僅可以獲得良好的網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能,而且可以在一個(gè)有限的迭代次數(shù)內(nèi)以任意高的精度獲得問題的最優(yōu)解。因此,本文提出的隨機(jī)接入?yún)f(xié)議和全局優(yōu)化算法可為未來干擾受限無線通信場景下的協(xié)議和算法設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)與性能參考。上述創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)應(yīng)論文第四章的內(nèi)容和發(fā)表論文列表中的2。
[Abstract]:With the rapid development of wireless communication technology and the widespread popularization of mobile intelligent terminal , the service form carried by wireless network is becoming more and more abundant , the traditional message and voice service form will gradually change to the new wireless multimedia service based on mobile video . This paper presents a distributed cross - layer video transmission mechanism based on channel gain threshold . The key idea of this paper is to provide a distributed cross - layer video transmission mechanism based on channel gain threshold . This paper proposes a global optimization algorithm based on optimization theory , branch - bound framework and linear deformation relaxation technique . The simulation results show that the global optimization algorithm proposed in this paper can not only get good network throughput performance , but also can obtain the optimal solution of optimal media access probability based on optimization theory , branch - bound framework and linear deformation relaxation technique .

【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN919.8
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本文編號(hào)：1365734