面向SVC视频的蜂窝网可伸缩传输理论与方法研究

摘要

随着视频编码技术和蜂窝网络传输技术的迅速发展，移动数据流量呈现爆炸式增长，视频业务逐渐成为移动通信的主流业务。人们对于视频业务的服务质量如速率、延迟以及清晰度等的要求也越来越高。一方面，蜂窝网络由传统的单一类型基站组成的同构网络发展为多类型基站组成的异构网络。网络中的信道衰落、干扰和拥塞等的时变特性使得网络的传输环境是动态变化的。另一方面，用户终端在显示屏分辨率和处理器等方面的不同使得其对视频的需求也呈现出多样性。为了应对动态的网络传输环境和满足用户的差异化需求，视频编码技术由传统的固定码率的视频编码发展为可伸缩视频编码，即视频源端根据分辨率、帧率以及视频质量等三个维度将视频编码为一个基本层和多个增强层。视频源端可以根据网络传输条件以及用户需求，自适应地选择传输不同编码层次的视频。
　　本文首先对蜂窝网络中基站的空间分布进行了建模，并分析了网络中的干扰和信干噪比的统计特性。然后选取蜂窝网络中SVC视频的传输为切入点，从传输控制与优化的角度出发，结合SVC视频的分层编码结构和蜂窝网络的异构性、基站协作技术以及数模混合传输技术，提出了三种传输方法，即分层传输、CoMP传输以及数模混合传输;另外考虑到用户对于不同类型视频的偏好，通过在基站上部署缓存，提出了基于缓存的SVC视频传输方法。本文的主要贡献如下:
　　1)利用蜂窝网络中多层基站的异构特性以及SVC视频的分层编码结构，将SVC视频的基本层和增强层的传输与宏基站层和小基站层的传输结合起来。根据用户与基站的连接状态，蜂窝网络选择不同的传输策略。同时也分析了蜂窝网络中不同的频谱分配策略以及干扰管理对于视频传输性能的影响。仿真结果表明，分层传输能够实现较低的视频中断率以及较高的视频高清率，同时也可以降低移动用户的视频切换率。
　　2)异构蜂窝网络中基站采用CoMP多点协作传输技术来传输SVC视频，利用信道的分集增益提高SVC视频的传输性能。提出了一种子信道的分配方法，并给出了非相干联合传输方式下的系统SINR分布的理论推导，同时也分析了视频中断率和高清率等系统性能指标。仿真结果表明在系统频谱资源较为丰富时，CoMP传输方法比分层传输方法好，能够在保证一定的视频中断率下实现较高的视频高清率。
　　3)利用低SINR下数字传输技术的抗噪声性以及高SINR下模拟传输能够消除阶梯效应而实现传输质量连续自适应信道质量变化这一特性，提出了一种数模混合传输方法，即SVC视频的基本层采用数字传输技术，而增强层采用模拟传输技术。主要研究数模混合传输下数字BL和模拟EL的功率分配问题，宏基站层和小基站层之间的频谱分配问题。以视频中断率和视频失真率为系统指标，优化SVC视频的数模混合传输，并与分层数字传输方案进行比较。
　　4)蜂窝网络传输能力的增强总是落后于实际生活中人们对于各种各样的视频应用的传输需求。传统的通过增加基站和频谱以及各种提高频谱效率的手段所带来的网络传输能力的提升依然不够，而边缘存储和计算是一种新的有效的手段，通过在基站等网络边缘设备上缓存部分热门视频，从而可以极大地提高网络能力和增强用户体验。本文主要研究SVC视频的缓存以及传输方案，即在一定的存储空间大小限制下选取何种质量的何种视频来缓存。分析了视频流行度与视频质量两个视频特征对缓存和传输方案的影响，同时也分析了受限回程链路与视频缓存之间耦合关系对于系统性能的影响。

目录

声明

摘要

插图索引

主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 论文的研究背景和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 相关工作与研究现状

1．2．1 异构蜂窝网络中的SVC视频分层传输

1．2．2 异构蜂窝网络中的SVC视频CoMP传输

1．2．3 异构蜂窝网络中的SVC视频数模混合传输

1．2．4 基于缓存的蜂窝网络SVC视频传输

1．3 本文的结构和主要贡献

第二章 蜂窝网络基站位置的空间分布建模

2．1 引言

2．2 点过程模型

2．2．1 Poisson Point Process

2．2．2 Strauss Proeess

2．2．3 Materu Cluster Process

2．3 基站位置的空间分布拟合方法

2．3．1 最大伪似然法

2．3．2 最小误差法

2．4 基站位置的空间分布建模准确性的评估

2．4．1 L函数评估法

2．4．2 覆盖概率评估法

2．5 网络参数对于建模结果的影响

2．5．1 路损因子

2．5．2 基站发射功率比

2．5．3 接入策略

2．5．4 基站层间相关性

2．6 小结

第三章 异构蜂窝网络中的SVC视频分层传输

3．1 引言

3．2 系统模型

3．2．1 网络模型

3．2．2 视频业务模型

3．2．3 频谱分配方法

3．2．4 传输协议

3．3 用户负载和子信道占用率

3．3．1 用户负载

3．3．2 子信道占用率

3．4 覆盖概率以及速率

3．4．1 PPP+PPP时系统的覆盖概率

3．4．2 PPP+MCP时系统的霜羔概塞

3．4．3 速率

3．5 系统性能

3．5．1 中断率

3．5．2 高清率

3．5．3 切换率

3．6 干扰消除协议

3．7 仿真结果和分析

3．8 小结

第四章 异构蜂窝网络中的SVC视频CoMP传输

4．1 引言

4．2 系统模型

4．2．1 网络模型和视频业务模型

4．2．2 频谱分配方法

4．2．3 传输协议

4．3 用户负载、子信道占用率、覆盖概率和速率

4．3．1 用户负载

4．3．2 子信道占用率

4．3．3 覆盖概率

4．3．4 速率

4．4 系统性能

4．5 仿真结果和分析

4．6 小结

第五章 异构蜂窝网络中的SVC视频数模混合传输

5．1 引言

5．2 系统模型

5．2．1 网络模型和视频业务模型

5．2．2 频谱分配方法

5．2．3 传输协议

5．3 覆盖概率和速率

5．3．1 用户连接到宏基站的链路的覆盖概率

5．3．2 用户连接到小基站的链路的覆盖概率

5．3．3 速率

5．4 系统性能

5．4．1 中断率

5．4．2 高清率

5．4．3 失真率

5．5 功率分配

5．6 仿真结果和分析

5．6．1 数值仿真

5．6．2 实际场景仿真

5．7 小结

第六章 基于缓存的蜂窝网络SVC视频传输

6．1 引言

6．2 系统模型

6．2．1 网络模型

6．2．2 视频业务模型

6．3 缓存策略、传输协议以及传输速率

6．3．1 缓存策略

6．3．2 传输协议

6．3．3 传输速率

6．4 系统性能

6．4．1 回程链路分流效率

6．4．2 用户满意度指数

6．5 仿直结果和分析

6．6 小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 未来研究计划与展望

7．2．1 未来研究计划

7．2．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

攻读博士学位期间的项目经历