基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無線多媒體高效多播機制研究.pdf

1、隨著無線寬帶技術(shù)的快速發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)的容量有了很大提升。各種差錯控制技術(shù)的不斷改進也為無線網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸提供了一定保障。這些技術(shù)的結(jié)合使得無線通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)承載能力大大增強，為諸如流媒體傳送等新興服務(wù)類型的出現(xiàn)提供了契機。尤其是可擴展視頻編碼技術(shù)的提出和標(biāo)準(zhǔn)化，在解決無線多播的異質(zhì)終端問題的道路上邁出了一大步，它使得源端可以通過一次多播滿足多個不同終端的數(shù)據(jù)接收需求，能夠真正發(fā)揮多播的優(yōu)勢。然而，無線網(wǎng)絡(luò)上的寬帶多媒體業(yè)務(wù)的推廣仍然存在

2、著許多挑戰(zhàn):一方面，盡管網(wǎng)絡(luò)的容量有所增加，其增加速度仍然無法與多媒體業(yè)務(wù)對帶寬的需求增長速度相比，相對于旺盛的市場需求，帶寬仍然是制約無線多媒體業(yè)務(wù)的一個重要因素;另一方面，盡管可以在傳輸中采取諸如自動請求重傳、不等錯誤保護以及前向錯誤糾正等差錯控制手段保護傳送的數(shù)據(jù)，由于無線信道先天的物理特性，丟包仍然是不可避免的。重傳所丟失的數(shù)據(jù)包所帶來的時延會對用戶的服務(wù)體驗造成重大影響。與設(shè)計普通業(yè)務(wù)在無線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸機制不同的是，包時延、抖

3、動、或者丟包率等傳統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）參數(shù)并不能準(zhǔn)確的刻畫多媒體業(yè)務(wù)的實際傳輸質(zhì)量，用戶的主觀體驗質(zhì)量(Quality of Experience，QoE)才是評價傳輸效果的重要依據(jù)。而用戶的服務(wù)體驗質(zhì)量是多個復(fù)雜因素共同作用的結(jié)果，很難映射為具體的技術(shù)參數(shù)。因此，在設(shè)計無線多媒體業(yè)務(wù)傳輸機制時，需要同時考慮具體應(yīng)用的傳輸需求和用戶對傳輸效果的要求，利用有限的無線網(wǎng)絡(luò)資源，為用戶提供優(yōu)質(zhì)體驗的多媒體

4、數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。研究證實，網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)能夠增大多播網(wǎng)絡(luò)容量，縮短重傳時延。因此，在多媒體業(yè)務(wù)傳輸過程中恰當(dāng)?shù)睦镁W(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)能夠提高傳輸效率。
　　本文針對無線網(wǎng)絡(luò)多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w應(yīng)用場景，討論了利用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效可靠傳輸，為終端用戶提供滿意的服務(wù)體驗的問題。論文首先研究了利用網(wǎng)絡(luò)編碼優(yōu)化按需數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的接入時間的問題，提出一個啟發(fā)式算法對所有用戶的接入時間進行優(yōu)化;然后，研究了可擴展視頻業(yè)務(wù)的傳輸優(yōu)化問題，對可擴

5、展視頻流的重傳時延的優(yōu)化是一個混合優(yōu)化問題，我們也提出一個啟發(fā)式算法進行求解;最后，受可擴展視頻的優(yōu)化問題的啟發(fā)，我們對一類具有解碼依賴關(guān)系的有序數(shù)據(jù)的傳輸優(yōu)化問題進行了研究。
　　主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點包括如下幾個方面:
　　1)研究了按需數(shù)據(jù)分發(fā)業(yè)務(wù)的用戶接入時間最小化問題。通過分析多個用戶所請求的數(shù)據(jù)之間存在的相關(guān)性，提出一個啟發(fā)式的編碼算法。該算法在每次多播前貪婪的搜索能滿足最多用戶的數(shù)據(jù)集合，并對該集合中的包進行線

6、性編碼后發(fā)送給用戶。與直接采用隨機線性編碼算法進行多播相比，所提出的算法充分考慮了用戶的實時收包情況，在普遍情況下具有更好的時延性能;只有當(dāng)所有用戶請求的數(shù)據(jù)和所接收到的數(shù)據(jù)的分布情況一致時，直接采用隨機線性編碼算法才具有較好的時延性能。
　　2)研究了無線網(wǎng)絡(luò)多播可擴展視頻的視頻重建時間最小化問題。從可擴展視頻流的結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，提出了一個兩階段的可靠傳輸方案。
　　(a)第一階段是多播階段，由于可擴展視頻的所有增強層的解碼

7、都依賴于基層的正確解碼，引入了層次化網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)對視頻的基層提供保護，保證在信道條件不佳的情況下，用戶仍然可以有一定的概率解碼基層，獲得基本的重建視頻質(zhì)量。
　　(b)第二階段是重傳階段，根據(jù)第一階段用戶的收包情況和用戶對視頻重建的質(zhì)量要求，重傳視頻包。提出一個最大化可解碼用戶數(shù)的編碼算法，優(yōu)化用戶恢復(fù)視頻所需要的等待時延。所提出的算法在重傳過程中能夠為用戶提供一種“軟”的視頻恢復(fù)效果，視頻重建的質(zhì)量隨著收包數(shù)的增加而提升。此外，

8、算法還兼顧了各視頻用戶之間的公平性，具有低恢復(fù)質(zhì)量要求的用戶可以比高要求的用戶更快的得到滿足。
　　3)研究了有序數(shù)據(jù)的漸進式重傳問題。有序數(shù)據(jù)指的是一類具有優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的解碼依賴于高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)的解碼。因此，傳輸此類數(shù)據(jù)時需要考慮數(shù)據(jù)在接收端的實際解碼時延。
　　(a)研究了理想反饋條件下有序數(shù)據(jù)的重傳問題。采用包權(quán)重刻畫數(shù)據(jù)間的優(yōu)先級以及解碼依賴關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，提出了兩個優(yōu)先級編碼算法。所提算法能夠為用戶

9、提供即時解碼功能，使用戶可以邊接收包邊解碼，漸進的恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。此外，用戶也可以根據(jù)自己的需要制定接收結(jié)束時刻。與文獻相比，所提出的算法對應(yīng)特定優(yōu)先級數(shù)據(jù)的解碼時延更短，且系統(tǒng)的總接入時延也更小。
　　(b)研究了非理想反饋條件下有序數(shù)據(jù)的重傳問題。在已有工作的基礎(chǔ)上，針對用戶反饋丟失的情況，設(shè)計了相應(yīng)的包更新策略，提出了非理想反饋的包選擇編碼算法。大量的實驗結(jié)果表明所提出的算法能夠較好的抵抗用戶反饋丟失的事件，與文獻相比，同等條

10、件下具有更短的解碼時延和總接入時間。
　　無線網(wǎng)絡(luò)多媒體通信方興未艾，用戶的服務(wù)體驗是能否吸引訂單的一個決定性因素。本論文從技術(shù)和用戶需求角度出發(fā)，考慮在多種特定應(yīng)用場景中優(yōu)化用戶的等待時延，提升用戶服務(wù)體驗。所提出的算法一方面能夠更快的使用戶接收到所要求的數(shù)據(jù);另一方面還為用戶提供了一個功能，使用戶可以根據(jù)自己情況，“定制”服務(wù)，當(dāng)用戶主觀上已經(jīng)滿意時，可以主動中斷數(shù)據(jù)傳輸。這一功能貼合了無線用戶的異質(zhì)性要求，在信道帶寬有限時也