認知無線網絡中視頻傳輸的資源分配方案

龍 彥,李紅艷

(西安電子科技大學綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室,陜西西安 710071)

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認知無線網絡中視頻傳輸的資源分配方案

龍 彥,李紅艷

(西安電子科技大學綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室,陜西西安 710071)

摘要:討論了多網卡場景下,次用戶在認知無線網絡中視頻傳輸的跨層資源分配問題.考慮到網卡與信道的耦合關系,提出了基于鏈路-網卡-信道的沖突干擾圖,并對資源分配問題進行優化建模.模型的約束條件保證了無干擾無沖突的視頻傳輸,且能夠根據可伸縮編碼視頻業務的特點,為各業務提供路由選擇及速率分配,模型的目標函數實現了基于公平考慮的網絡吞吐量最大化.仿真結果表明,多網卡傳輸能夠為視頻業務提供更高的吞吐量,所提方案能夠在保證公平性的同時,根據視頻業務特點有效地利用網絡資源,實現業務間的按需合理分配.

關鍵詞:認知無線網絡;跨層資源分配;多網卡傳輸;視頻傳輸

通過認知無線技術,次用戶(未授權用戶)能夠感知周圍的頻譜環境,在避免對主用戶(授權用戶)造成一定影響的情況下,接入到主用戶的授權信道中實現自己的數據傳輸.認知無線技術具有改善頻譜利用效率、提升次用戶傳輸速率等優點,從而吸引了研究者的廣泛關注[1-2].另一方面,隨著智能終端及智能應用的發展,視頻業務在無線網絡中的傳輸需求愈加迫切,對認知無線網絡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].

在認知無線網絡中,次用戶接入授權信道的方式分為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據.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果中選擇出合適的信道來傳輸;另一個問題是,當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[5-6]研究了Overlay模式下當探測結果給定后,次用戶間的信道分配問題.然而,考慮到視頻業務具有傳輸數據量大、服務質量(Quality of Service,QoS)保障要求高等特點,這些研究由于沒有考慮業務的具體類型,因此并不能很好地滿足視頻業務的傳輸特點.基于此,文獻[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,共同決定了業務的端到端性能,因此,對于一個端到端的視頻傳輸,需將路由選擇、信道分配聯合考慮.另一方面,文獻[7-8]只討論了每個次用戶配備單個網卡的場景,即次用戶一次只能接入一個信道.單網卡的優點在于不用考慮網卡維度的資源優化,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務的傳輸數據量;當有多個信道可用時,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,為更有效地利用認知無線網絡中次用戶探測到的多個信道資源,提高視頻業務的傳輸速率,應考慮次用戶配備多個網卡的場景.隨著硬件技術的發展,加利福尼亞大學洛杉磯分校的研究人員已經在校園內搭建了一個基于多網卡的認知無線網絡,也使得多網卡認知無線網絡的應用前景逐漸明朗[9].然而,網卡的數目會制約信道分配的數目,使得引入網卡這一資源維度后,次用戶的資源分配問題變得更加復雜.具體而言,在認知無線網絡中,除需考慮路由與信道的聯合優化外,還需同時考慮網卡與信道的資源聯合配置,通過跨層優化的方法將這幾方面聯合優化,實現網絡資源在各層上的高效利用,并在資源跨層優化的同時考慮視頻業務獨有的傳輸特點.

基于上述分析,筆者研究了認知無線網絡中次用戶在Overlay模式下進行視頻傳輸時,路由、信道、網卡資源聯合分配的跨層優化方法.在假設次用戶配備多網卡的場景下,提出了基于鏈路-網卡-信道的沖突干擾圖,并得出了保證無網卡沖突、無同頻干擾的約束條件.在此基礎上,研究了基于可伸縮編碼視頻業務(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務的編碼特點,在保證了每個視頻業務基礎層傳輸的同時,根據各業務增強層的不同速率需求,將資源按需分配,最終實現了基于公平考慮的網絡吞吐量最大化.該跨層資源優化分配問題被巧妙地建模為一個線性規劃問題,并通過已有優化算法以多項式復雜度最優求解.

1 系統模型及定義

2 基于鏈路-網卡-信道的沖突干擾圖

多網卡的引入為認知無線網絡帶來了新一維度的可用資源,但同時也為其跨層優化帶來了新的挑戰.首先,為了避免網卡沖突,一個網卡一次最多只能工作在一個信道上;其次,一個次用戶上的網卡數目會限制該用戶分配到的信道數目,從而影響其關聯鏈路上的信道分配數目.所以,在認知無線網絡的資源分配中,除了需研究信道分配以消除鄰近鏈路上的同頻干擾外,還應研究每個次用戶上的網卡分配以避免網卡沖突.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)給出了認知無線網絡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個網卡,均有2個信道可用.圖1(b)給出了這條簡單鏈路所對應的沖突干擾圖.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網卡,且各自為1網卡分配了1信道和2信道,從而在1網卡上產生網卡沖突.(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-網卡-信道的沖突干擾圖能夠完全描述多網卡認知無線網絡中的同頻干擾及網卡沖突關系.借助此圖,可以在下一節中進一步得出資源分配需滿足的相關約束條件.

圖1 基于鏈路-網卡-信道的沖突干擾示意圖

3 跨層資源分配問題的數學建模及求解

3.1 目標函數

在傳統不考慮公平性的資源分配算法中,網絡吞吐量最大化的優化目標通常被設計為各業務吞吐量之和最大化的目標函數.這種分配方法將導致某些傳輸條件好的業務分配了過多資源,而傳輸條件差的業務獲得較少資源甚至沒有資源可供傳輸,即“餓死”現象[13].為了保證各視頻業務均能獲得一定的傳輸資源,本模型的優化目標設計為基于公平性考慮的網絡吞吐量最大化.具體而言,對于所有視頻業務引入了一個相同的公平因子λ,λ∈[0,1],并將目標函數設計為maxλ.

根據λ的取值,每個可伸縮編碼視頻業務p在網絡中經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務基礎層及增強層成功傳輸的速率需求,則Bp+Ep對應了該業務成功傳輸的最大速率需求.將目標函數設計為最大化公平因子λ具有如下作用:首先,每個業務的λ取值相同,保證了所有業務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絡吞吐量而可能導致的分配不均.其次,λ(Bp+Ep)保證了在資源分配中,具有高速率需求的業務可獲得更多的傳輸速率,從而實現了資源的按需合理分配.最后,λ越大,則每個業務獲得的傳輸速率越大,網絡吞吐量越大.因此,最大化λ能夠在保證公平的同時實現網絡吞吐性能優化.

3.2 信道、網卡資源聯合分配的約束條件

3.3 基于可伸縮編碼視頻業務視頻特性的速率約束條件

對于每個可伸縮編碼視頻業務p,筆者規定了如下的速率約束條件:

該約束條件的作用主要體現在兩方面:首先,由于可伸縮編碼視頻業務的基礎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量,因此必須保證基礎層的成功傳輸,即業務獲得的速率λ(Bp+Ep)至少等于基礎層的需求速率Bp.其次,由于λ的取值范圍為[0,1],λ(Bp+Ep)保證了每個業務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

根據網絡流理論[13],對于每個視頻業務,其在網絡中所分得的速率λ(Bp+Ep)不能超過其源節點上流出的凈速率.因此,在源節點sp處,有如下約束條件:

同樣地,λ(Bp+Ep)也不能超過其目的節點tp上流入的凈速率,即

對于業務p,除源節點和目的節點外,網絡中其余節點構成了該業務的中間節點集合Rp={rp|rp∈V {sp,tp}}.根據網絡流理論,在中間節點上流入鏈路的總速率應與流出鏈路的總速率保持守恒.所以,對于中間節點rp的約束條件如下:

可見,根據網絡流理論,不等式(5)～(7)構建出了視頻業務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、網卡等資源的分配耦合在一起.由此,實現了認知無線網絡中次用戶視頻傳輸時的跨層資源聯合分配.

3.5 鏈路容量的約束條件

由于討論多用戶傳輸的場景,因此一條鏈路可能同時為多個視頻業務服務.這多個業務在該鏈路上傳輸的和速率應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化模型

基于上述分析,得到了認知無線網絡中次用戶視頻傳輸的跨層資源分配問題優化模型:

4 仿真結果

在仿真驗證中,筆者考慮了兩種拓撲結構的認知無線網絡:4×4的格型網絡以及隨機拓撲的多跳網絡.其中在隨機拓撲的多跳網絡中,12個次用戶隨機分布在100 m×100 m的區域內,傳輸距離和干擾距離分別為40 m和80 m.假設每個次用戶的信道探測結果相同,且隨著主用戶的業務負載遞減,次用戶探測到的空閑信道數目從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中隨機選擇.每個次用戶上配備的網卡數目從1變化至3.視頻業務數目從1變化至4.每個視頻業務隨機選擇其源節點和目的節點,并分別從[0.2 Mbit/s,0.8 Mbit/s]和[2 Mbit/s,5 Mbit/s]的區間內隨機選擇Bp和Ep的值.一個周期的時長T=50.基于上述參數設置和拓撲結構,采用內點法對式(9)進行最優求解,并驗證了如下方面的性能表現.

圖2給出了視頻業務數為3時,公平因子λ隨信道數及網卡數的變化情況.在圖2中,各次用戶由單網卡增至多網卡,且隨著主用戶業務負載減小,次用戶探測到的空閑信道數目從3增至6.由圖2可知,無論在格型網絡還是隨機拓撲網絡中,隨著信道數目及網卡數目的增加,公平因子λ均呈現上升趨勢.這是由于在認知無線網絡中,信道和網卡的增加為網絡帶來了更多可用資源,增加了鏈路并行傳輸的機會,從而提高了視頻業務的傳輸速率,改善了網絡的吞吐量.此外,圖2還驗證了在認知無線網絡中,通過為次用戶配備多個網卡能夠帶來吞吐量的顯著提升.同時,注意到當主用戶業務負載較小(空閑信道數目較大)時,運用多網卡能夠比在主用戶業務負載較大(空閑信道數較少)時帶來更高的增益.這是由于當空閑信道數較多時,需要更多網卡資源才能有效地發揮多個信道的增益.

圖2 公平因子隨信道數及網卡數的變化情況

圖3 可伸縮編碼視頻業務在兩種資源分配方法下的傳輸情況

5 結束語

筆者研究了認知無線網絡中次用戶視頻傳輸的跨層資源分配方案.為了充分利用信道資源,討論了次用戶配備多網卡的場景.借助鏈路-信道-網卡沖突干擾圖,實現了路由、信道、網卡多維資源的聯合分配.同時,考慮到可伸縮編碼視頻業務的編碼特點,實現了業務間的資源按需分配.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,我校數學與統計學院舉辦了數學建模論壇.西安交通大學周義倉教授、西北工業大學肖華勇副教授分別作了題為《數學建模的針對性與創新》、《2015年國際大學生數學建模大賽的點評》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,西安電子科技大學博士研究生,E-mail:ylong@stu.xidian.edu.cn.

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

收稿日期:2014-12-10 網絡出版時間:2015-05-21

doi:10.3969/j.issn.1001-2400.2016.02.002

中圖分類號:TN929.5

文獻標識碼:A

文章編號:1001-2400(2016)02-0006-07

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150521.0902.027.html