基于視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量優(yōu)化的認(rèn)知無線電傳輸信道選擇

1、基于視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量優(yōu)化的認(rèn)知無線電傳輸信道選擇摘要：認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，次級用戶選擇信道的傳統(tǒng)技術(shù)基于信道特性對傳輸信道進(jìn)展隨機選擇，忽略了應(yīng)用層視頻業(yè)務(wù)對信道質(zhì)量的要求。針對該問題提出了一種基于視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量優(yōu)化的信道選擇技術(shù)，優(yōu)化視頻業(yè)務(wù)端到端的傳輸質(zhì)量。通過最小化端到端視頻失真，跨層優(yōu)化綜合選擇物理層傳輸信道、自適應(yīng)調(diào)制與編碼形式以及應(yīng)用層的編碼量化參數(shù)。該方法在多信道認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)展了大量的視頻傳輸仿真模擬實驗。實驗結(jié)果說明該方法可以比不含信道選擇的跨層優(yōu)化方法進(jìn)步認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)下次級用戶的視頻傳輸業(yè)務(wù)客觀質(zhì)量1.5dB以上。關(guān)鍵詞：認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)；信道選擇；跨層優(yōu)化；視頻傳輸業(yè)務(wù)中圖分

2、類號： TN926；TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A英文摘要Abstract：The conventional channel selection approach in cognitive radio network is random selection of the transmission channel based on the channel characteristics while neglecting the channel quality requirement of the video streaming at the application layer. Aiming at

3、solving this problem， a crosslayer optimized channel selection method targeting on the video streaming quality optimization was presented. Via minimizing the endtoend video distortion， the video encoding quantization parameter at the application layer and the adaptive modulation and channel coding a

4、s well as the specific transmission channel at the physical layer were jointly selected. The proposed method was simulatedA large number of video transmission simulation experiments were made for the proposed algorithm over the multichannel cognitive radio networks. The experimental results show tha

5、t this kind of crosslayer optimized channel selection approach can efficiently improve the objective quality of second user video streaming more than 1.5dB over the crosslayer optimization without channelselection method over cognitive radio networks.英文關(guān)鍵詞Key words：cognitive radio network； channel s

6、election； crosslayer optimization； 關(guān)鍵詞中英文不一致，題目中video streaming對應(yīng)視頻業(yè)務(wù)將中文關(guān)鍵詞quot;視頻傳輸quot;改為quot;視頻傳輸業(yè)務(wù)quot;。 這里英文題目有些問題：需要修訂為quot;Transmission channel selection of cognitive radio networks based on quality optimization for video streamingquot;video streaming0 引言在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，次級用戶通過頻譜感知和監(jiān)測可用頻段。得到空閑頻段之后通過

7、頻譜分析估計其特性，選擇最適宜的頻段用于數(shù)據(jù)傳輸。在頻譜感知之后，在同一時刻可以被次級用戶使用的信道可能有多個異構(gòu)信道。它們具有不同的發(fā)送速率、不同的信道信噪比，以及不同的主用戶活潑程度。這些不同的信道特性對次級用戶的數(shù)據(jù)傳輸具有很大的影響。在過去的研究中，動態(tài)頻譜接入Dynamic Spectrum Access，DSA的研究主要是為理解決在頻譜感知信息不是特別完美的條件下，在最小化對主用戶信道干擾的同時，最大化頻譜資源的利用率1。在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中，接入信道的選擇一般是由接入控制Medium Access Control，MAC層來完成的。近年來，研究人員已經(jīng)提出了許多不同的認(rèn)知無線電環(huán)境

8、下的MAC協(xié)議。自組織網(wǎng)絡(luò)次級接入控制協(xié)議 Adhoc Secondary MAC，ASMAC是文獻(xiàn)2中提出的一種用于進(jìn)步授權(quán)頻段頻譜利用率的共享帶寬的算法。該算法限制次級用戶系統(tǒng)只能使用主用戶系統(tǒng)剩余資源，在主用戶系統(tǒng)和次級用戶系統(tǒng)之間沒有信息交互的條件下要求不能對主用戶系統(tǒng)造成影響。文獻(xiàn)3提出了一種與拓?fù)錈o關(guān)的動態(tài)預(yù)約方式的多信道MAC協(xié)議。文獻(xiàn)4-5根據(jù)是否存在中心控制節(jié)點，將認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中各種MAC層協(xié)議分為集中式和分布式。集中式頻譜分配依賴于基站或者其他中心節(jié)點。而AdHoc等網(wǎng)絡(luò)中往往不存在中心節(jié)點，這時那么需要采用分布式MAC協(xié)議。不管是何種類型的MAC協(xié)議都是側(cè)重研究如何利用

9、已經(jīng)檢測的某一信道，防止在次級用戶之間發(fā)生沖突，而至于如何選擇最正確信道接入那么很少被提及。文獻(xiàn)6提出一種基于系統(tǒng)吞吐量和不同次級用戶公平性折中的信道選擇方法，可以在保證較好的公平性條件下進(jìn)步30%以上的系統(tǒng)吞吐量。文獻(xiàn)7提出一種基于基站的信道分配方法，該方法通過將主用戶占用可能性最小的信道分配給次級用戶，同時相應(yīng)限制次級用戶的接入時間長度來減少次級用戶和主用戶的碰撞。文獻(xiàn)8提出一種認(rèn)知無線電自組網(wǎng)中信道選擇方法，利用信道時隙劃分的方式進(jìn)步網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸成功率。文獻(xiàn)9以次級用戶的時延作為效勞質(zhì)量 Quality of Service，QoS 標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)展信道的選擇，忽略了信道選擇對主用戶的影響。

10、除了MAC層的信道管理，還有一些方法從路由層進(jìn)展信道的選擇。文獻(xiàn)10提出一種多接口多信道的條件下無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，它根據(jù)不同信道的帶寬等不同鏈路特性選擇接入信道，增大了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。 綜上所述，當(dāng)前有許多不同的方法從頻譜感知、MAC層調(diào)度、路由層信道選擇等不同的角度來選擇接入信道，它們可以在一定條件下減小不同用戶之間的碰撞概率和進(jìn)步認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。但是當(dāng)前認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中信道選擇仍然是一種局部的優(yōu)化，沒有綜合考慮其他協(xié)議層次參數(shù)對傳輸效率的影響，最為重要的是沒有考慮信道選擇方法對應(yīng)用層實時視頻傳輸業(yè)務(wù)帶來的影響。為了優(yōu)化次級用戶的視頻傳輸質(zhì)量，本文提出一種基于接收端視頻質(zhì)量為優(yōu)化

11、目的進(jìn)展最正確信道選擇的技術(shù)，支持跨層優(yōu)化視頻傳輸。1 認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的多信道模型傳統(tǒng)的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)模型基于信道檢測和信道的實際狀態(tài)等對單信道進(jìn)展建模，但是沒有考慮主用戶到達(dá)的分布等因素。而且，當(dāng)檢測到信道繁忙的時候采用的是等待的狀態(tài)，本文那么考慮可以切換至其他不同的信道之上。為了在不同信道之間進(jìn)展有效的選擇，需要對認(rèn)知無線電多信道模型進(jìn)展進(jìn)一步的詳細(xì)描繪。多信道模型的詳細(xì)描繪如圖1所示。2 基于視頻質(zhì)量優(yōu)化的信道選擇算法圖2中：SNR表示信噪比Signal to Noise Ratio，SNR；B表示帶寬；P_idle表示空閑狀態(tài)。在認(rèn)知無線電環(huán)境下傳輸視頻過程中，次級用戶傳輸信道的選擇

12、將影響接收端的視頻質(zhì)量。首先，信道的瞬時信噪比影響視頻傳輸?shù)某晒β?。?采用自適應(yīng)調(diào)制和編碼Adaptive Modulation and Channel coding，AMC形式和數(shù)據(jù)包長度一定的條件下，瞬時信噪比越高，成功傳輸可能性越大，從而導(dǎo)致視頻失真越小。但是不能只單一地考慮信噪比，因為假設(shè)選擇了信噪比高而帶寬較小的信道，那么有可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包無法按時到達(dá)。此外，在傳輸?shù)倪^程中，主用戶也有可能來占用信道，此時次級用戶和主用戶發(fā)生碰撞，在這種碰撞中次級用戶的數(shù)據(jù)包喪失概率為100%。因此，一個數(shù)據(jù)包因碰撞發(fā)生丟包的概率等于在其傳輸時間內(nèi)主用戶到達(dá)的概率，假設(shè)某一數(shù)據(jù)包的傳輸時長為t，詳細(xì)

13、可以通過包長L和信道i的平均有效帶寬得到：其中：EDx表示數(shù)據(jù)包正常收到時的視頻失真，其主要取決于編碼所采用的量化參數(shù)；Ex，r和Ex，l分別是解碼端收到和喪失數(shù)據(jù)包后經(jīng)過過失隱藏的視頻失真期望，可以通過前一幀的視頻失真期望進(jìn)展遞歸計算得到12；x和x-1是當(dāng)前包和前一個包的丟包概率，可以通過式7得到，和所選用的調(diào)制編碼形式和采用的信道直接相關(guān)。式8中：為備選的調(diào)制和編碼形式集合，其備選形式種類由文獻(xiàn)12可以得到；是備選的視頻編碼的量化參數(shù)集合，其范圍為050，可以用來控制視頻的編碼碼率。由約束條件來看，式8是一個典型的非線性優(yōu)化問題，其可以通過拉格朗日松弛算法或者全局迭代搜索算法求解14。由

14、于本文問題在實際應(yīng)用中的參數(shù)組合數(shù)量有限，所以式8可以通過遍歷相應(yīng)的參數(shù)組合，比較視頻失真的大小，然后得到最優(yōu)的視頻編碼量化參數(shù)、自適應(yīng)調(diào)制和編碼形式以及傳輸信道。3 實驗結(jié)果與分析基于H.264/AVC視頻編碼、Matlab認(rèn)知無線電信道仿真和NS2網(wǎng)絡(luò)模擬，本文實現(xiàn)了基于信道選擇的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化視頻傳輸實驗。在實驗中，假設(shè)次級用戶的無線收發(fā)器可以使用每一個傳輸期間內(nèi)任意一條可用的信道，而且假設(shè)在一個感知周期內(nèi)切換時不需要重新對信道進(jìn)展檢測，這種假設(shè)可以采用多接口多信道模型來實現(xiàn)，如圖3所示。這些信道可以通過頻譜池分配的方法15得到。圖5展示的是Highway視頻序列的視頻質(zhì)量隨時間

15、變化的效果。從圖5可見，包含信道選擇的跨層優(yōu)化以及無信道選擇的常規(guī)跨層優(yōu)化都能自適應(yīng)地調(diào)節(jié)視頻質(zhì)量滿足不同的信道條件；并且由于包含信道選擇的跨層優(yōu)化選擇后的信道條件更好，所以根本上所有時刻都可以獲得比常規(guī)跨層優(yōu)化以及非跨層優(yōu)化更好的視頻質(zhì)量。Highway 序列PSNR隨幀號變化圖中為“非CLO，AMC=2，QP=22，為何宇圖4a中不一致，核實是否有誤 這里沒有錯誤。不同的視頻序列采用的實驗條件不同。圖6展示了Highway視頻序列第 23 幀的主觀質(zhì)量圖。從圖6可以看出，包含信道選擇優(yōu)化的跨層優(yōu)化獲得了最正確的視頻質(zhì)量，而常規(guī)跨層優(yōu)化質(zhì)量比不包含跨層優(yōu)化的質(zhì)量也要好一些。這一點進(jìn)一步從主觀

16、質(zhì)量的角度證明了提出的算法的先進(jìn)性。4 結(jié)語本文提出了一種基于視頻業(yè)務(wù)質(zhì)量優(yōu)化的認(rèn)知無線電傳輸信道選擇技術(shù)。通過在跨層優(yōu)化架構(gòu)下對視頻失真的統(tǒng)一描繪，綜合調(diào)節(jié)編碼量化參數(shù)和自適應(yīng)調(diào)制編碼形式的條件下，以最優(yōu)化視頻質(zhì)量為目的，選擇能讓接收端獲得最正確視頻質(zhì)量的信道進(jìn)展通信。這種信道選擇技術(shù)可以有效地進(jìn)步頻譜利用率，進(jìn)而進(jìn)步接收端的視頻業(yè)務(wù)主觀質(zhì)量。參考文獻(xiàn)：2XING Y， MATHUR C， HALEEM M， et al. Dynamic spectrum access with QoS and interference temperature constraints J. IEEE Tra

17、nsactions on Mobile Computing， 2007， 64： 423-433.3SANKARANARAYANAN S， PAPADIMITRATOS P， MISHRA A， et al. A bandwidth sharing approach to improve licensed spectrum utilization C/ DySPAN 2005：Proceedings of the 2005 First IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks. Piscataway： IEEE， 2005： 279-288.4ZHENG X，