下一代小蜂窝网络的多媒体业务的多播无线资源管理研究

摘要

移动宽带连接数和网络流量的爆炸性增长将给下一代无线接入网络带来更高的要求和更艰巨的挑战，例如：覆盖密度、容量和用户体验质量等。小蜂窝基站相对于传统宏蜂窝基站更加靠近用户，通过对宏基站的流量卸载来缓解网络流量的爆炸性增长问题。据预测，以视频为代表的传统多媒体业务将占据90％的网络流量，而以超高清视频为特点的新型多媒体业务已显得越来越受欢迎，可能成为未来的主流业务。其典型应用场景包括虚拟现实（virtual reality）和增强现实（augmented reality）等。除了超高清晰度特点，新型多媒体业务还具有其他特点，例如：多视角与自由切换、超高带宽、超高服务质量（quality-of-service，QoS）等，这些新特点将给传统小蜂窝网络带来新挑战。针对挑战，本文立足无线通信网络，面向高清图像视频业务的传输，以新型多媒体业务为主题，无线多播为主线，从多播源、多播组和多播传输等三个方面，面向即将承载新型多媒体业务的下一代小蜂窝网络展开资源管理方面的研究并提出解决方案，所研究的问题具体包括：
　　一、在多播源方面：
　　1）面向具有实时多视角特点的新型多媒体业务，探讨多媒体业务的多播源管理，研究基于缓存技术的解决方案。建立缓存约束下的系统最大化吞吐率优化模型，提出业务的缓存代价公式、多播组覆盖概率和各态历经（Ergodic）速率公式、中继选择算法，解决多个视频流在网络中的不同步传输影响业务的自由切换体验。经理论分析和仿真，所提算法在中继选择增益和系统吞吐率性能方面相对于已有算法有显著提升，同时可以接近理论最优值。
　　2）面向具有超高清晰度、超高带宽需求的新型多媒体业务，探讨多媒体业务的多播源管理，研究基于移动边缘计算技术的解决方案。建立用户满意度与带宽需求比的优化模型，提出结合拉格朗日和级数法的求解方法，解决因硬件解码能力受限对用户向新业务快速迁移的影响。经理论分析和仿真，本节工作相比于已有工作可以改善用户的硬件受限困境，提升多播系统的满意度与带宽需求比。
　　二、在多播组方面：
　　1）面向具有实时多视角特点的新型多媒体业务，探讨多媒体业务的多播组管理，研究基于冗余的多播组划分方案。建立冗余视频分割模型和多播组分割模型，提出基站带宽节省值表达式，解决具有冗余的多个视角视频流在无线网络中的带宽资源浪费问题。经理论分析和仿真，所提模型可以显著的节省视频传输带宽，有效的降低系统总体的带宽消耗和功率消耗。
　　2）面向具有多视角、自由切换特点的新型多媒体业务，探讨多媒体业务的多播组管理，研究基于用户移动和视频切换的多播组划分方案。建立基于移动和切换的马尔科夫模型和多播系统吞吐率最大化优化模型，提出区域选择算法，解决用户的自由视角切换带给多播组用户的频繁变更问题。经理论分析和仿真，在不同的多播组数目和用户分布下，所提算法的性能优于已有算法，且更加接近于最优解。
　　三、在多播传输方面：
　　1）面向具有超高分辨率、超高服务质量（QoS）需求的新型多媒体业务，探讨多媒体业务的多播传输管理，研究面向软频率复用与多播传输相结合场景下的资源管理。建立QoS约束下多播系统功率最小化的优化模型，提出理论求解方法以及相应的资源分配算法，解决无线网络中小区边缘用户因受到干扰而影响用户QoS的问题。经理论分析和仿真，在不同多播组数目下，所提算法在系统功率开销方面的性能优于已有算法且可以接近最优解。
　　2）面向具有超高带宽需求的新型多媒体业务，探讨多媒体业务的多播传输管理，研究基于用户间通信的多播组与传统多播组共存场景下的资源管理。建立多种多播组之间协同调度下的最大化吞吐率的优化模型，提出资源分配算法，解决业务在容量受限的无线网络中的传输面临的带宽瓶颈问题。经理论分析和仿真，在不同多播组数量条件下，所提算法在多播组增益和多播系统的整体吞吐率方面的性能优于已有算法，并且可以接近最优解。
　　本论文所提出的模型、建立的优化目标、展开的理论推导、设计的算法和完成的仿真分析可以针对新型多媒体业务给小蜂窝网络带来的新问题与挑战提供解决思路。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 新型多媒体业务带给小蜂窝网络的挑战

1.3 研究基础

1.4 研究内容和创新点

1.5 论文组织结构

第二章 新型多媒体业务的多播源管理

2.1 引言

2.2 相关研究工作

2.3 基于缓存的多播源选择

2.4 基于移动边缘计算的多播源选择

2.5 本章小结

第三章 新型多媒体业务的多播组管理

3.1 引言

3.2 相关研究工作

3.3 基于冗余帧分割的多播组性能分析

3.4 基于切换频度的多播组划分策略

3.5 本章小结

第四章 新型多媒体业务的多播传输管理

4.1 引言

4.2 相关研究工作

4.3 面向软频率复用的资源分配

4.4 面向用户间通信的资源分配

4.5 本章小结

第五章 总结

一、多播源方面

二、多播组方面

三、多播传输方面

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果