適用于可伸縮視頻的D2D網絡資源分配方案

付明凱，熊炫睿+，張 媛，劉 敏，陳高升，程占偉

(1.重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065；2.重慶工程學院 計算機與物聯網學院，重慶 400056)

0 引 言

蜂窩網絡傳統的頻譜分配方式無法充分利用有限的頻譜資源。D2D技術可以復用蜂窩網絡頻譜通信以有效提高網絡頻譜利用率，但可能帶來潛在的干擾。頻譜復用和抗干擾控制的研究也是D2D通信的研究熱點之一。文獻[4]提案了一種資源有效分配和功率控制算法，在保證蜂窩用戶最低通信質量的同時最大化整個網絡吞吐量。文獻[5]提出了一種最大限度提高D2D通信能效的資源分配方案。文獻[6]提出了基于單個D2D復用多個頻譜的網絡性能優化方案。文獻[7]借助分布式緩存對視頻流量進行了卸載，減輕了基站壓力。文獻[8]使用動態集群方法最大程度地提高每個蜂窩基站集群的吞吐量。

以上研究沒有考慮同一視頻有不同的視頻質量，不同的視頻質量有不同的傳輸速率需求。可伸縮視頻編碼(scalable video code，SVC)把一個完整視頻流分為基礎層和數個不同的增強層[9]。為了充分利用無線信道資源，可伸縮視頻可以在傳輸時根據不同的信道條件選擇不同視頻層進行傳輸，以期在信道帶寬受限的情況下獲取更好的用戶視頻接收質量。本文為了提高網絡整體用戶接收視頻質量，提案了一種適用于可伸縮視頻的頻譜共享與功率分配聯合優化方案。

1 構建系統模型

以D2D技術輔助的移動蜂窩網絡，可以有效提高蜂窩網絡的無線頻譜利用率，進而提高網絡整體通信容量，有利于改善網絡終端用戶的使用體驗[10]。系統模型構建在一個完全負荷的D2D輔助移動蜂窩網絡中，假設網絡中有M個D2D用戶和N個蜂窩網絡用戶。基站可以獲取所有通信鏈路的實時信道信息。N個網絡頻譜被N個蜂窩網絡用戶利用，不能把頻譜單獨分配給D2D用戶。D2D用戶只能復用蜂窩網絡用戶頻譜進行通信[11]。在傳統的蜂窩網絡中，上行通信信道的利用率較下行通信信道利用率更低。上行信道頻譜資源與D2D用戶頻譜共享只影響到基站。由于基站有更高的綜合性能和抗干擾能力，上行信道的頻譜共享對原移動蜂窩網絡的影響更小。本文考慮蜂窩用戶上行信道頻譜與D2D用戶共享，以實現更好的頻譜復用提高網絡頻譜利用率。這里C={1,2,3…N} 表示網絡中的N個蜂窩用戶，D={N+1,N+2,N+3…N+M} 表示M個D2D用戶。用戶都可以傳送和接收可伸縮視頻，并且可以根據信道質量調整傳送包含不同視頻層的可伸縮視頻。無線網絡用戶通信要求滿足基本的信干噪比(signal to interference plus noise ratio，SINR)。

在基于距離的信道增益模型的基礎上，本文考慮了遮擋和多路徑傳輸帶來的信道增益快速衰減的情況，基站和蜂窩用戶i的信道增益表示為

hi,B=Kβi,Bζi,B(Li,B)-α

(1)

其中，K是路徑損耗常數，βi,B是指數分布的快速衰落增益，ζi,B是對數正態分布的緩慢衰減增益，α為路徑損耗系數，Li,B為蜂窩用戶i到基站的距離。

在上行信道頻譜復用的模式下，任意的蜂窩用戶i與任意的D2D用戶j，信干噪比SINR可以分別表示為

(2)

(3)

使用D2D技術輔助通信有助于提高整體蜂窩網絡性能，并有效提高整體用戶的視頻質量。可伸縮視頻在網絡中傳輸可以依據不同的信道環境調整傳遞的視頻層數。假設蜂窩用戶i在容量為A的信道傳遞視頻文件，最優視頻質量可表示為Ui(A)。 用整體視頻質量表示收益，此優化問題可以簡化表示為

(4)

(5)

2 功率調節與頻譜資源優化分配方案

對于資源優化問題可以分為兩個部分進行求解。首先，針對單個D2D用戶與蜂窩用戶進行頻譜共享情況，進行功率分配以得到最好的視頻質量。對可伸縮視頻每一層所需傳輸速率的需求出發進行發射功率調整，從滿足分配條件的功率中選擇能達到綜合視頻質量好的功率進行分配。然后，根據得到的數據建立視頻質量增益矩陣，對多個D2D用戶和多個蜂窩用戶進行頻譜分配。

2.1 單個D2D用戶功率分配

假設D2D用戶j和蜂窩用戶i共享頻譜，在獲得最大收益的前提下，可分配的傳輸視頻層與發射功率，可以作如下表示

(6)

(7)

以下基于式(7)對函數可行性域進行解析。約束條件C1和C2的最小SINR進行變換，發射功率可以表示為

(8)

可以看出，蜂窩用戶與D2D用戶的最小SINR限制的邊界均為直線。圖1顯示了D2D接入各約束條件的關系。

圖1 D2D接入約束

橫軸和縱軸分別表示D2D用戶功率和蜂窩用戶功率。直線Lc和Ld分別表示蜂窩用戶及D2D用戶其最小信干噪比SINR時的功率分配情況。Ld下方的區域與Lc以上的區域分別是滿足D2D用戶和滿足蜂窩用戶SINR要求的區域。Q點為Lc和Ld的交點。由于最大功率的存在，蜂窩用戶和D2D用戶的功率將限制在矩形區域內。為了滿足在第一象限中保有一個Q點，斜率Lc應小于Ld的斜率，即

(9)

(10)

(11)

(12)

相應的為了滿足傳輸速率需求并滿足SINR約束條件，需要對一些過低的傳輸速率進行調整，最終滿足式(12)。

(13)

對于視頻質量的評價問題，已有多種研究，包括主觀評價和客觀評價，其中主觀評價有多種評價的數據集[12]。從這些數據中可以得到視頻質量與比特率的相關關系。函數Ui(A) 用相關數據進行視頻質量評價。評價標準不同于參考數據集中的百分制，而是把視頻的最大評分定為1，并對數據進行相應的歸一化處理。

如蜂窩用戶i傳輸可伸縮視頻從基礎層到第x層，D2D用戶j傳輸視頻從基礎層到第y層。假如用戶的傳輸速率都恰好滿足要求，其速率可表示為

(14)

可以得到相應的最小功率分配

(15)

(16)

(17)

圖2 視頻層組合對應的功率分配

頻譜共享不僅可以提高收益，也可以降低收益[13]。當蜂窩用戶i和D2D用戶j共享頻譜時，兩者的收益之和，可以表示為

(18)

考慮共享頻譜會降低收益的極端情況，蜂窩用戶i與D2D用戶j的最大收益和為

(19)

相較于單純存在蜂窩用戶網絡，D2D技術輔助蜂窩網絡用戶組合可取得的增益，可以表示為

(20)

2.2 多個D2D用戶資源分配

前面2.1節討論了單個D2D用戶如何優化分配視頻層和功率的問題。但網絡中往往存在多個D2D用戶需要對他們也進行頻譜資源的分配。多用戶多頻譜分配問題，可以表示為

(21)

(22)

(23)

二部圖最大權匹配問題可以用Kuhn-Munkres算法來求解，其算法時間復雜度為O(N3)。 為了方便計算，可以先檢查圖的連通性，如果圖是連接的，則采用Kuhn-Munkres算法計算整圖；否則，可以分別計算每個子圖。計算二部圖最大權匹配時并沒有使用收益進行計算，如式(21) 和式(23)中使用增益來計算。這是因為用增益計算時可能會有一些0增益的情況出現，這樣產生一些不連通的子圖，可以進行局部求解以減少計算時間。一般D2D用戶數小于蜂窩用戶數，處理時需要添加部分虛擬D2D用戶以保證和蜂窩用戶數相等方便計算。如采用收益進行計算，則矩陣中設置蜂窩用戶收益值，與使用可補零的增益計算相比較，將增大了計算難度。

3 仿真結果與分析

對本文所提方案在MATLAB仿真平臺中進行仿真驗證。本文設置一個單基站小區環境，其中傳統的蜂窩用戶在小區內均勻分布，小區的覆蓋半徑為500 m。模擬參數總結在表1中，所有仿真結果均是100次實驗的均值。

表1 仿真實驗參數設定

為了驗證本方案的有效性，使用MATLAB平臺進行了仿真驗證。在一個500 m范圍的單基站小區范圍中，蜂窩用戶呈均勻分布狀態。仿真參數見表1。仿真結果取100次實驗結果的平均值。

本文在考慮D2D用戶接入率的同時以視頻質量作為收益來評估系統性能。實驗結果主要關注3個指標，包括：D2D接入率、D2D用戶平均增益和平均視頻質量。為了展示提案方法的有效性，提案方法的實驗結果分別與無D2D用戶頻譜復用條件下的結果、用文獻[4]提案方法及文獻[13] 提案方法的實驗結果進行了比較。文獻[4]調整發射功率并為D2D用戶找到最佳復用方案。文獻[13]在選擇發射功率時采用貪心算法，并對所有可能的組合進行遍歷以尋找最佳匹配方案，其中刪除了負增益的情況以求優化系統總吞吐量。

在D2D通信半徑均為50 m的條件下，D2D用戶接入率隨D2D用戶數量的增加而減少，如圖3所示。3種算法都能保持一個較高的D2D用戶接入率，接入率都大于90%。由于文獻[13]的算法沒有發射功率調節機制，相較其它兩種方法接入率較低。本提案算法優于文獻[4]算法，原因是文獻[4]算法的復用僅能保證蜂窩用戶的最低的通信質量需求，一定程度上損害了蜂窩網絡的視頻質量。頻譜復用后計算增益為零。

圖3 接入率和D2D用戶數量關系

在D2D通信半徑均為50 m的條件下，D2D用戶的平均視頻質量增益隨著D2D用戶的增加而減少，如圖4所示。本文提案算法要優于其它兩種對比算法。這是因為對比算法以最大化吞吐量為優化目標，在做功率分配時常常做出一些極限的分配方案。比如，對緊鄰的D2D用戶相距較近，提高發射功率以提高吞吐量。在網絡吞吐量最大化目標下，一部分D2D用戶可以獲得較大吞吐量，但考慮到蜂窩用戶往往SINR值相對較低，很難獲得有效吞吐量。綜合起來對比算法并不能獲得最佳的視頻質量增益，單個D2D用戶的增益也不是很高。

圖4 D2D用戶平均增益和D2D用戶數量關系

在D2D通信半徑均為50 m的條件下，對不同算法下獲得的平均收益結果進行了比較，如圖5所示。不采用D2D技術輔助通信的場合，由于頻譜有限，隨著視頻需求用戶的增加，一些用戶將無法接入網絡，平均視頻質量顯著下降，平均收益呈明顯下降趨勢。文獻[4]與文獻[13] 對比算法的平均視頻質量變化并不不明顯，這是因為這兩種方案的平均單個D2D用戶的視頻質量增益與無D2D時蜂窩網絡的平均視頻質量在數值上差距不大。綜合平均視頻質量變化也不大。本文算法在單個D2D用戶的提供的視頻質量的增益較高，并隨著D2D用戶的增加，平均收益有所提高。

圖5 平均視頻質量和D2D用戶數量關系

D2D用戶數為50的條件下，隨著D2D半徑的增大D2D用戶接入率逐漸減少，如圖6所示。由于D2D通信半徑增大會帶來通信鏈路中信道增益減少，為了保證最低的通信需求，D2D用戶使用更大的發射功率。這樣會對復用蜂窩用戶造成干擾，干擾超過一定閾值時，D2D用戶將不能共享蜂窩用戶頻譜。

圖6 D2D用戶接入率與D2D半徑關系

圖7、圖8分別表示在D2D用戶數為50的條件下單個D2D用戶提供的視頻質量增益與D2D半徑之間的關系，以及平均視頻質量與D2D半徑之間的關系。隨著D2D半徑的增大單個D2D用戶提供的視頻質量增益和平均視頻質量都有所降低。但本文提案的方法可以獲得比對比算法更高的D2D用戶平均視頻質量增益和更好的用戶平均視頻質量。這是因為本文提案的方法在每個D2D用戶的所有復用候選對象中挑選最優的復用匹配，且考慮了所有功率分配情況。并且綜合考慮用戶整體即包含D2D用戶又包含蜂窩用戶的視頻質量，這樣可對蜂窩用戶的視頻質量形成較輕的損害。

圖7 D2D用戶平均增益和D2D半徑關系

圖8 平均視頻質量和D2D半徑關系

4 結束語

本文針對D2D輔助蜂窩網路中可伸縮視頻傳輸的網絡資源優化分配問題，提出了一種實現用戶整體視頻質量最優化的功率分配與頻譜共享方案。方案首先針對單個蜂窩用戶和D2D用戶進行傳輸視頻層和功率的分配。基于可伸縮視頻每一視頻層所需的傳輸速率，為其分配滿足限制條件的發送功率，以匹配最優的發送功率和視頻質量。然后，針對多個D2D用戶基于最大加權二部圖匹配模型，使用Kuhn-Munkres算法獲得最優的整體資源分配方案。仿真實驗表明，本文提案方法能夠在保證D2D用戶高接入率的條件下，獲得更高的D2D視頻質量增益。