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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071)

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認(rèn)知無(wú)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071)

摘要:討論了多網(wǎng)卡場(chǎng)景下,次用戶在認(rèn)知無(wú)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(duì)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(wú)干擾無(wú)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(diǎn),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(shí)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?yàn)橐曨l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(shí),根據(jù)視頻業(yè)務(wù)特點(diǎn)有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)間的按需合理分配.

關(guān)鍵詞:認(rèn)知無(wú)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(wú)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(duì)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(shí)現(xiàn)自己的數(shù)據(jù)傳輸.認(rèn)知無(wú)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(diǎn),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(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸需求愈加迫切,對(duì)認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中次用戶視頻傳輸問題的研究也成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[3-4].

在認(rèn)知無(wú)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(cè)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(huì)對(duì)主用戶造成干擾.在Underlay模式下,次用戶和主用戶同時(shí)占用相同頻段來(lái)傳輸,但需保證在該頻段上所有次用戶對(duì)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(shí)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(cè)出多種頻段上的空閑信道資源.因此,一個(gè)需要解決的問題就是,該次用戶如何從探測(cè)的結(jié)果中選擇出合適的信道來(lái)傳輸;另一個(gè)問題是,當(dāng)某一信道同時(shí)被多個(gè)次用戶探測(cè)為可用時(shí),如何將該信道在多個(gè)次用戶間合理分配以避免次用戶間干擾.

針對(duì)上述問題,文獻(xiàn)[5-6]研究了Overlay模式下當(dāng)探測(cè)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(diǎn),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(diǎn).基于此,文獻(xiàn)[7-8]特別研究了Overlay模式下針對(duì)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(duì)于一個(gè)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(gè)次用戶配備單個(gè)網(wǎng)卡的場(chǎng)景,即次用戶一次只能接入一個(gè)信道.單網(wǎng)卡的優(yōu)點(diǎn)在于不用考慮網(wǎng)卡維度的資源優(yōu)化,簡(jiǎn)化了資源分配算法.但弊端在于:由于一次只能使用一個(gè)信道,單個(gè)信道的傳輸能力可能無(wú)法滿足視頻業(yè)務(wù)的傳輸數(shù)據(jù)量;當(dāng)有多個(gè)信道可用時(shí),次用戶無(wú)法充分利用多個(gè)信道同時(shí)傳輸來(lái)提高傳輸速率;次用戶需在多個(gè)信道間頻繁切換,引入了切換時(shí)延.因此,為更有效地利用認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中次用戶探測(cè)到的多個(gè)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(gè)網(wǎng)卡的場(chǎng)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(gè)基于多網(wǎng)卡的認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò),也使得多網(wǎng)卡認(rèn)知無(wú)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(huì)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(wú)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(shí)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(shí)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(shí)考慮視頻業(yè)務(wù)獨(dú)有的傳輸特點(diǎn).

基于上述分析,筆者研究了認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中次用戶在Overlay模式下進(jìn)行視頻傳輸時(shí),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(chǎng)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(wú)網(wǎng)卡沖突、無(wú)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(diǎn),在保證了每個(gè)視頻業(yè)務(wù)基礎(chǔ)層傳輸?shù)耐瑫r(shí),根據(jù)各業(yè)務(wù)增強(qiáng)層的不同速率需求,將資源按需分配,最終實(shí)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(gè)線性規(guī)劃問題,并通過已有優(yōu)化算法以多項(xiàng)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了新一維度的可用資源,但同時(shí)也為其跨層優(yōu)化帶來(lái)了新的挑戰(zhàn).首先,為了避免網(wǎng)卡沖突,一個(gè)網(wǎng)卡一次最多只能工作在一個(gè)信道上;其次,一個(gè)次用戶上的網(wǎng)卡數(shù)目會(huì)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(wú)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(gè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的一條連接次用戶A、B的簡(jiǎn)單鏈路,次用戶A、B上均配備了2個(gè)網(wǎng)卡,均有2個(gè)信道可用.圖1(b)給出了這條簡(jiǎn)單鏈路所對(duì)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?yàn)樗麄兙捎昧擞脩鬉上的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?yàn)樗麄兙ぷ髟谛诺?上,同時(shí)傳輸會(huì)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(wú)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(jì)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(jì)為基于公平性考慮的網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化.具體而言,對(duì)于所有視頻業(yè)務(wù)引入了一個(gè)相同的公平因子λ,λ∈[0,1],并將目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)為maxλ.

根據(jù)λ的取值,每個(gè)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(qiáng)層成功傳輸?shù)乃俾市枨?則Bp+Ep對(duì)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(jì)為最大化公平因子λ具有如下作用:首先,每個(gè)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(duì)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(shí)現(xiàn)了資源的按需合理分配.最后,λ越大,則每個(gè)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(shí)實(shí)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(duì)于每個(gè)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(gè)業(yè)務(wù)獲得的速率不會(huì)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(fèi).

3.4 路由選擇的約束條件

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流理論[13],對(duì)于每個(gè)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(diǎn)上流出的凈速率.因此,在源節(jié)點(diǎn)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(diǎn)tp上流入的凈速率,即

對(duì)于業(yè)務(wù)p,除源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)外,網(wǎng)絡(luò)中其余節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了該業(yè)務(wù)的中間節(jié)點(diǎn)集合Rp={rp|rp∈V {sp,tp}}.根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流理論,在中間節(jié)點(diǎn)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(duì)于中間節(jié)點(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中次用戶視頻傳輸時(shí)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?chǎng)景,因此一條鏈路可能同時(shí)為多個(gè)視頻業(yè)務(wù)服務(wù).這多個(gè)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(wú)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(yàn)證中,筆者考慮了兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的認(rèn)知無(wú)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(gè)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(gè)次用戶的信道探測(cè)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(cè)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(gè)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(gè)視頻業(yè)務(wù)隨機(jī)選擇其源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn),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(gè)周期的時(shí)長(zhǎng)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(diǎn)法對(duì)式(9)進(jìn)行最優(yōu)求解,并驗(yàn)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(shí),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(cè)到的空閑信道數(shù)目從3增至6.由圖2可知,無(wú)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(shì).這是由于在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中,信道和網(wǎng)卡的增加為網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了更多可用資源,增加了鏈路并行傳輸?shù)臋C(jī)會(huì),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(yàn)證了在認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中,通過為次用戶配備多個(gè)網(wǎng)卡能夠帶來(lái)吞吐量的顯著提升.同時(shí),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(shí),運(yùn)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(shí)帶來(lái)更高的增益.這是由于當(dāng)空閑信道數(shù)較多時(shí),需要更多網(wǎng)卡資源才能有效地發(fā)揮多個(gè)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(yǔ)

筆者研究了認(rèn)知無(wú)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(chǎng)景.借助鏈路-信道-網(wǎng)卡沖突干擾圖,實(shí)現(xiàn)了路由、信道、網(wǎng)卡多維資源的聯(lián)合分配.同時(shí),考慮到可伸縮編碼視頻業(yè)務(wù)的編碼特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)間的資源按需分配.仿真驗(yàn)證了所提算法的有效性.

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(編輯:郭 華)

簡(jiǎn) 訊

2015年11月21日,我校數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院舉辦了數(shù)學(xué)建模論壇.西安交通大學(xué)周義倉(cāng)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(duì)性與創(chuàng)新》、《2015年國(guó)際大學(xué)生數(shù)學(xué)建模大賽的點(diǎn)評(píng)》的報(bào)告.

摘自《西電科大報(bào)》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(jiǎn)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(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91338115,61231008);國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX03005-004,2011ZX03004-003,2013ZX03004007-003);陜西省"13115"科技創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目(2010ZDKG-26);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2009CB320404);長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT0852)

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

doi:10.3969/j.issn.1001-2400.2016.02.002

中圖分類號(hào):TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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