基于拍卖的最优资源配置和向量的h .可伸缩的视频质量最大化定价4 g无线系统

文摘

我们提出的新方案最优OFDMA比特率分配对视频质量最大化h .可伸缩视频编码(SVC)的4 g无线系统。我们使用视频特征的速度和质量模型的SVC扩展h / AVC和发展框架的最优可伸缩的视频传输。随后,我们推导出封闭形式解的最优h .可伸缩视频量化参数和视频质量最大化的单播和多播4 g WiMAX自适应调制和编码(AMC)的场景。我们也制定一个Vickrey-Clarke-Groves(向量)基于拍卖的时频(TF)动态比特率分配资源的定价方案,同时预防恶意用户的视频质量退化H.264-based可伸缩的视频传输。仿真结果表明应用该最优4 g OFDMA计划单播或多播视频质量最大化收益率显著优越性能相比,固定利率视频不可知论者分配。

1。介绍

的迅速崛起对无处不在的移动宽带无线接入的需求促使开发4 g LTE和WiMAX无线标准。这些技术提供高数据速率和可靠的无线服务用户。重要组成部分的4 g无线流量包括视频和多媒体等丰富的应用程序监视、多媒体流媒体、移动电视、视频会议。一个典型的4 g无线通信场景为上述应用程序如图1。4 g蜂窝网络的关键挑战的背景下,视频传输是支持可靠的视频流在飘忽不定的衰落无线频道。这自然消退可能导致无法忍受的抖动和延迟导致了糟糕的用户体验的高度敏感的多媒体应用。无线信道的衰落特性可以成功地减轻使用正交频分复用(OFDM) [1,2),从而确保传输干扰自由传输频率选择无线频道。正交频分多址(OFDMA)是基于OFDM的多址技术,不同的用户或用户组(单播)(多播)分配总额的一小部分副载波在一段时间内。这也被称为时频在OFDMA系统资源分配。

支持视频应用对无线链接需要复杂的多媒体编解码器的发展为不稳定的移动无线环境的适用性。一个独特的挑战在4 g无线视频传输系统是确保质量视频传输的时变衰落无线通道移动用户设备不同的功能和QoS要求。这已导致发展的可伸缩视频编码(SVC)的h / AVC [3,4),可以随时采用单播和多播无线场景的视频传输。可伸缩视频编码可以将视频内容编码和存储最高保真度水平,从哪个部分可以动态地提取流较低的忠诚和适应满足用户的需求和无线连接。比特率和视频编码的视频流的质量取决于帧率、空间分辨率和量化参数(5]。因此,必须明智地选择视频编码参数来最大化最终用户视频质量和经验。此外,这直接影响最终用户的服务质量(QoS)抖动和延迟等方面。可伸缩性的时空模式相比,视频流的量化参数可以应用在更细的规模和对理想的时频资源分配允许更大的灵活性。分配的比特率和视频质量主要取决于内在的视频运动参数。在这种背景下,我们认为最优的框架H.264-coded视频率时频资源分配在4 g无线基站(BS)视频质量最大化。在这种范式,用户请求视频单独或多播组,和服务器分配时间/频率在OFDMA系统资源。

以前的作品,如在6考虑基于优先级调度和资源分配和延迟。然而,大多数这些先前的方法并不是专业的背景下视频,不考虑视频传输的可伸缩特性。这导致次优的资源分配和净减少视频质量交付给最终用户。作者在7)分配时间/频率资源分层实时视频传输的WiMAX假设固定比特率分配到每一个多播组。每个多播组的工具被认为是凹函数分配的比特率。然而,认为利率依赖通用效用函数不是一个视频质量的精确表示。在我们的工作中,我们考虑真正的感知质量优先的效用函数。因此,我们的框架提供了一个更好的视频终端用户体验,因为它直接优化相关的视频质量。在[8),提出了一种方案的时间资源分配在HSDPA蜂窝网络。该方案在需要用户请求视频质量水平,与视频质量定义为一个函数的数量增强层和累积数据速率。然而,这个框架并不考虑视频质量的依赖和比特率量化质量和帧速率。进一步,它不考虑现实的优化框架相比,这项工作中所描绘的一个上下文中的一个实际的4 g WiMAX系统。因此,有效的资源分配在4 g无线系统的关键在于视频速度和质量特征参数的解释导致最优比特率分配。这需要最优的发展方案时频资源分配和管理。提出最优分配时频资源分配方案计算比特率视频序列的视频质量最大化的物理层。

因此,我们考虑一个框架优化OFDMA时频资源分配根据特征的视频质量和可伸缩的视频比特流的比特率模型量化参数和帧速率的函数。我们计算h . SVC编码流的比特率模型使用JSVM [9]参考编解码器和采用标准视频参数等工作(5,10)描述质量对帧率的依赖,量化参数编码的视频。基于这些模型,我们制定最优OFDMA约束凸优化问题时频资源分配。我们采用凸优化的健壮框架(11)提供一个封闭的形式表达的计算最优编码视频参数。服务器可以使用这些参数来计算最优资源分配基于用户的需求和可用的带宽。这个结果可用带宽的有效利用最大化传播视频的质量和最终用户的视频体验。我们的研究结果表明,使用该模型优化产量显著提高视频质量比单播和多播的视频不可知论者平等的比特率分配场景在OFDMA系统中。

进一步,在实际4 g系统,恶意用户可以在QoS扭曲资源配置方案实施点(如基站和服务网关在WiMAX)通过谎报参数值,从而导致次优的资源分配和不成比例的恶意用户利益。最优解和最高的视频质量因此获得只有当参数准确地报道了单播和多播用户或服务提供者。

博弈理论(12,13)的拍卖提供了一个框架来分配资源在这种扭曲的存在恶意用户。这个随着优化框架可以用来分配比特率视频序列,阻止恶意用户。其应用最近扩展到无线通信领域,特别是在资源优化的背景下(14]。作者在15)定义一个效用函数基于传输速率和分组错误概率和目标来实现高质量的体验。在4 g无线视频通信的背景下,游戏理论基础Vickrey-Clarke-Groves(向量)拍卖过程可以用于时频资源分配(TF)。拍卖物品在这个上下文相对应的比特率分配TF资源,和投标人/决策者服务提供者或用户自己。拍卖人QoS政策执行者在4 g无线网络。各决策者之间的这种相互作用是类似于一个战略游戏,和决策者也称为参与者博弈理论的术语。我们假设所有的玩家都是理性和驱动对效用最大化。每个用户报告政策执行者的视频特征参数值计算和效用函数。与传统基于用途的独家视频质量,向量过程采用pricing-based净效用函数,这价格特遣部队按照分配的资源。因此,视频特征参数对优化至关重要的知识流的比特率和质量的视频。

一些研究关于博弈论与恶意用户的使用被认为是在16在点对点直播的背景下。研究[17维克里)提出了一个方案计算最短路径在一个分散的网络。作者在18]目前向量过程在机制设计上的应用。在本文中,我们主要关注谎报quantizer-based率和质量的参数值。框架可以很容易地扩展为恶意用户谎报其他VCG-based优化参数值。

在仿真结果中,我们专门算法考虑到不同的调制和编码率在4 g WiMAX场景和证明提出的优化方案提供了在视频质量显著改善内容无关的nonscalable等于符号率分配方案为单播和多播场景。我们进一步考虑到参数可能会颠覆一组用户受益。拟议中的向量过程确保用户谎报参数由QoS惩罚执行者通过更高的资源定价,反过来导致恶意用户净效用减少。因此,向量过程自然不鼓励用户的恶意倾向谎报,迫使他们报告准确的参数值对净效用最大化。

剩下的纸是组织如下。部分2描述了4 g的底层框架基于wimax h .可伸缩视频传输考虑本文的速率和质量模型的视频。随后,节3我们描述了方案最佳视频TF资源分配在一个OFDM帧。部分4描述了向量的资源分配方式,以避免谎报恶意用户的参数。节5我们提出的仿真结果提出优化单播或多播视频资源分配方案在4 g OFDMA无线系统和现有方案的性能比较。最后,我们总结论文部分6。

2。系统模型和4 g OFDMA WiMAX框架

在OFDMA系统,高数据率输入流分为多种并行数据率低流随后装上正交副载波。每个符号在时域中包含的几个副载波正交。几个这样的副载波被指定为飞行员和卫队副载波在OFDMA系统组成一个开销。飞行员副载波是用来估计时间和频率同步参数,以便抵消错误最小化,而保安副载波避免与邻近OFDM乐队重叠。OFDMA调度器分配时间/频率资源块,由分配OFDM符号/副载波的特点,分别对用户。OFDMA系统的比特率取决于符号的数量在每个OFDM帧,使用的副载波数量在每个符号,调制和信道编码格式。图2介绍了粗糙的OFDMA帧WiMAX的示意图。

在这种背景下,4 g无线移动WiMAX标准(19],它雇佣了OFDMA的物理层传输的比特旨在提供高数据速率的宽带空气界面下用户加上无缝的数据传输高速流动。WiMAX服务提供服务,如主动赠款(UGS)恒定比特率VOIP应用程序、实时轮询服务(rtp)实时视频传输等应用,为大型数据传输和非实时轮询服务最大的努力服务的web应用程序。调度器出席基站有助于优化分配带宽资源,旨在避免交通堵塞和数据饥饿。因此,DL调度器的关键任务最优带宽分配,选择调制和编码方案和数据爆发根据服务优先级和无线链路质量决定从通道质量指标(CQICH)反馈通道。然后生成包含控制信息的UL / DL地图供用户访问他们的爆发。因此,我们建议的模型旨在优化分配的时频资源UL和DL调度器最大化网络视频质量。

2.1。可伸缩的视频速度和质量模型

给定的参数模型(5)可以方便地用来模拟视频比特率。作为这项工作的证明,我们模型作为一个产品的标准化的帧速率的函数和量化参数。我们雇佣JSVM参考编码计算速度参数的量化参数范围的时间间隔,和帧率,fps。我们使用四个时间层和一层质量JSVM获得这些层的比特率。是指出,量化参数和量化步长()相关。归一化率函数的帧率和量化参数分别给出了, 视频特征参数和模型的比特率变化帧率和量化参数的函数,分别。的参数和高与低运动视频内容。这些视频特征参数和获得通过最小化平均平方误差(MSE)获得的测量速度之间使用JSVM编解码器和建模视频序列帧率15 fps和30 fps。帧率低于fps导致明显的工件由于人类视觉系统的持久性。图3展示的情节与量化步长为标准Akiyo测试序列。因此,由此产生的关节速度函数给出的归一化率的功能呢作为 在哪里是比特率最高质量的视频序列对应编码帧率和量化参数。情节在图4表明该费率模型密切观察到的速度。视频编码的低价值的量化参数导致一个指数增加的比特率,因此不适合在带宽受限的无线传输场景。此外,我们限制了量化参数,因为更高的值导致显著的视频质量退化。

同样,规范化视频质量的功能的帧速率和量化参数分别可以建模为 质量功能描述了质量的变化作为帧速率的函数特点是参数值。这个值在较低的视频运动内容相比更高和更高程度的运动视频。这个函数很近似的线性函数量化参数作为显示在图5。的参数,被拟合线性模型导出的视频质量点和使用在指定的模型5),而参数值给出了(5为CIF分辨率和线性外推了剩下的不同分辨率的视频中给定的值(10]。生成的视频质量所描述的产品功能: 常数当视频编码质量在哪里和可以规范化。对于一个固定的帧速率fps,质量完全取决于的量化参数。这个函数可以用来处理最大化视频质量。

3所示。最优比特率计算

让表示总符号率对应的副载波和WiMAX OFDMA帧,相对应的用户数量多播组。让代表的质量和速度视频序列对应的量化参数对于一个给定的帧速率。让每个符号的比特数,也就是说,调制和秩序的编码速率用户在单播的场景中。让表示引入的位错误导致所需的比特率为视频序列。率分配对视频质量的优化标准最大化可以制定 拉格朗日上述优化问题可以表示使用拉格朗日乘数法作为 在哪里,数量相对应的最大比特率吗视频。上面的马条件与拉格朗日优化标准,可以制定如下: 在最后的互补松弛条件遵循以上不等式约束。假设和,最佳的拉格朗日乘子的表达式可以推导出 替代的价值,和在第一个马方程收益率闭型最优量化参数的表达式作为

替换在(2)和(4)提供所需的比特率和最大质量为每个视频。图6显示最优视频质量和比特率的视频序列的阴谋Akiyo(CIF)作为最大速率的函数在不同的帧率。这对应于单播的场景在上面的框架。可以看到,视频质量是附近比特率的范围Kbps。较低的帧率可以看到,它(4),质量在更高的比特率低于因为质量归一化函数为7.5 fps。

基于上述分析,我们提出了一个快速算法计算最优量化参数采用封闭形式表达(9)。该算法计算复杂度很低,因此可以使用快速计算的最优参数。算法1描述了一般情况下的多播视频传输。这可以方便地用于单播场景取代。

4所示。VCG-Based视频资源分配

在本节中,我们提出了向量定价,12,13)基于TF对视频质量最大化资源分配过程。我们考虑净VCG-allocated效用的变化作为报道的函数参数和并证明其应用在视频速度和质量优化导致净效用函数的最大化。效用函数在此背景下的单播或多播视频传输,视频的质量,这是作为一个函数的量化参数(4)。球员/用户可能误报的参数值和破坏分配实现不成比例的比特率,因此高质量的视频在降低质量成本的其他用户。的总体效用和有效配置不同的视频比特率是因此受损。这样的恶意用户通过向量惩罚基于拍卖的TF资源定价,它自动导致高定价和净效用减少用户谎报视频特征参数值。让实际的报道效用函数用户是用和,分别。QoS执行者决定了优化配置的效用函数。让表示的最优量化参数分配决定从上面的凸优化框架。同时,让数量为用户定义的函数效用函数对所有作为 向量的拍卖价格的视频传输到TF资源分配th用户给出的关系: 的数量被定义为。它可以容易基于拍卖的定价方案的结果证明了这样一个向量为适当的惩罚不诚实的用户和服务提供者。考虑净效用的th球员作为 也就是原始视频质量调整的价格向用户提供服务。上面的净效用可以表达的真正的效用函数和报告的效用函数作为 最后一学期在上面的表达式是独立的报道效用函数用户。因此,它可以观察到的球员是最大的资源分配,根据优化计算框架,只有当效用函数真正的效用函数是一致的。因此,向量过程有效地惩罚恶意用户故意歪曲他们的视频参数。这TF资源分配过程是基于向量应用到所有球员/服务提供商参与给定的场景。我们现在算法2计算向量的参数和在下面。

5。仿真结果

给出仿真结果说明本文所提出的优化方案的性能OFDMA视频传输采用DL / UL PUSC(部分使用副载波)多样性排列方案用于副载波在WiMAX渠道化。我们认为WiMAX概要文件与带宽Mhz, OFDMA帧时间女士(50%分裂为UL和DL流量,即。,5 ms subframe for DL and UL) and number of subcarriers(19]。副载波的数据的数量与每个DL帧组成的44个OFDM符号的数据传输的总可用48符号。因此,有效的下行符号率Msym / s。我们假设信道间干扰和多普勒效应的扭曲效应可以忽略不计,由于强劲的物理层的信号处理。

5.1。最佳的4 g网络视频资源分配

我们认为最佳的时频资源分配WiMAX的背景下的视频传输系统。我们开始与单播视频传输的情况下,每一个地方标准的视频测试序列(20.]各种空间分辨率(QCIF、CIF和4 CIF)列在表中1连同相关的视频特征参数值,个人用户流。表2介绍了符号率和质量最优,同等的符号率分配。视频正在考虑有不同的分辨率和不同程度的运动。调制指数的值随机地选择为每个用户设置相应标准的WiMAX BPSK调制格式,QPSK, 16-QAM,分别和64 - qam。编码率也同样选择了从一组随机吗标准的WiMAX编码率。最优视频质量最大化比特率分配和相关的量化参数通过求解优化问题的计算(5)用人标准CVX基于凸解算器(21)和基于封闭形式的解决方案计划算法1。每个视频序列对应的归一化质量是列在表中1最优和等于符号率分配方案fps从它很容易看出最优资源分配方案优于不平等的资源分配方案。图7显示了上面的单播这些计划的比较场景在不同的符号率的值,清楚地展示了部分中描述的优化配置方案的效率3。此外,最优资源分配计算采用封闭形式的解决方案(9)和相关的快速算法中描述的算法1实现CVX解算器的性能接近,从而验证了理论分析。

图8显示了多播这些计划的比较场景的多播用户从一组随机挑出来的在帧速率fps。的bit-errors被认为是随机的时间间隔。的参数和对于每一个多播组中随机选择所述单播的场景。类似于单播的场景中,可以观察到最优资源分配的结果在逐步大收益相比,次优的资源分配。此外,净规范化视频品质的资源分配方案在上述标准WiMAX多播方案Msym / s表3为每个帧率和fps。可以清楚地看到,优化配置结果大约在一个重要的改进在视频质量相等的资源分配。我们示意图表示时间/频率资源的优化、平等分配OFDMA象征的单播传输数据9和10分别与每个颜色代表DL子帧的一部分分配给一个特定的视频序列属于组正在考虑。最后,我们现在这些单播视频传输方案的比较,尽管在不同的符号率和不同的在图11。同样,图12显示了单播与这些计划的比较,尽管在不同的和不同调制顺序。我们得出的结论是,更高的调制和编码率为用户提供更高的网络质量。总的来说,最优资源分配算法提出了OFDMA-based时频资源分配可极大地提高网络视频质量。

5.2。向量基于拍卖的4 g网络视频资源分配

在本节中,我们研究的影响参数和视频的比特率和质量。然后我们展示的应用程序,当用户提出了向量误报的参数值。我们考虑,,对所有研究谎报的效果和。我们认为TF资源的优化配置在这个场景中不同的组织和相对应的净效用准确、错报,参数。我们首先考虑两个独立的情况下,单个用户的标准测试视频序列足球CIF (20.误报的参数值(速率参数)和(质量参数)。与多个用户场景谎报多个参数被认为是在以后的模拟。

5.2.1。行为对应谎报

在本节中,我们说明的错误报告的影响参数标准的足球视频序列对整个比特率分配。图13描述了序列的比特率足球对应于作为一个量化参数的函数不同的报告率参数值,真正的参数。相对应的曲线谎报参数,即和可以看到。例I, II和III在桌子上4证明了分配量化参数和相应的比特率时,和分别在议员的标准足球CIF序列。考虑到不良场景,在用户/服务提供者报告案例二所示。这导致次优的特遣部队分配资源,alloation不成比例的Kbps。这是在降低成本的其他用户的视频质量。在以后的模拟,结果表明,应用向量过程确保这样的恶意用户通过减少处罚产生的净效用向量分配。当认为,以防三世,所分配的比特率Kbps远低于率Kbps(对应于我)。因此,没有激励的恶意用户误报较低价值的参数。然而,实际的视频编码与较低的价值分配的量化参数将比特率Kbps(对应于我),从而导致违反总比特率限制。因此,恶意用户在这个场景中被迫计算量化参数相应的分配比特率Kbps确保率约束不受侵害。这将导致低质量。

5.2.2。行为对应谎报β

我们现在考虑错报的影响参数视频序列的整体资源分配特遣部队。图14描述了视频质量的函数量化参数的真正价值和被扭曲的价值观。例I, II, III在桌子上5显示计算量化参数和分配的比特率的视频序列,和分别在议员的标准视频序列足球CIF。当被扭曲案例二,最优比特率分配的结果Kbps,区别Kbps获得通过的部分从其他视频。因此,类似于报告的价值较低如上图所示,恶意用户报告的动机较低价值的参数。例III,对应,获得的比特率Kbps,如表所示5。质量较低时的情况相比呢据报道。因此,没有激励的恶意用户报告更高价值的质量参数。

5.2.3。基于TF资源分配向量过程

在本节中,我们说明了向量过程的有效性基础部分中描述的资源分配4对惩罚这样的恶意用户和减少净效用,从而抑制虚假报道的视频参数。类似于上面提到的场景,我们考虑的视频流视频序列与和。TF资源分配的最优解对应的效用函数最大化报道(5)向量的价格计算(11)。数据15和16显示,净效用函数作为符号率的一个函数对应的向量过程基于TF资源分配视频序列足球。可以看出其中的净效用函数最大时是正确的参数和。因此,惩罚的向量过程用户谎报视频特征参数通过减少净效用。在这些场景中,我们只考虑单个参数(的错误报告或,但不是由单个用户)。下面,我们考虑到场景中,多个用户同时谎报一个或多个视频特征参数。

我们假设以下误传参数值,,,,,与用户3谎报和考虑模拟数据17和18。在图17我们把用户的净效用3对应谎报和几个可能的误报和。可以看出,在所有的净效用曲线,一个对应于导致净效用的最大化。同样,在图18我们把错误报告的净效用和一些可能的误报率参数和质量参数。再一次,可以看出,报告的真正价值结果在净效用最大化用户3。因此,应用向量过程导致惩罚参数谎报恶意用户,从而鼓励用户报告真实的视频特征参数,从而导致特遣部队资源配置最优。

6。结论

我们提出了一种新颖的时频资源分配方案OFDMA-based 4 g无线系统针对视频质量最大化。H.264-based可伸缩视频模型用来描述视频比特率和质量作为量化参数的函数。基于这些模型,约束凸优化框架提出了最优OFDMA-based单播或多播资源分配。基于封闭形式解的快速算法的资源优化问题提出了计算最优量化参数。已经观察到模拟,提出最优方案产生了一个相当大的改善视频质量。此外,多播方案的性能收益逐渐增加越来越多的用户。PUSC WiMAX的具体案例副载波和帧时间女士,提出最优方案获得的质量获得在不平等的符号率分配方案。

我们还提出了一种新颖的特遣部队资源分配向量过程的最优方法对可伸缩的视频传输。在传统4 g基于质量最大化和资源分配,有一个激励恶意用户误报视频质量参数对比例张来武分配,从而导致次优性和颠覆的基站调度程序操作。拟议的资源分配向量过程是有效的在这样的场景,因为它惩罚恶意用户通过pricing-based优化资源配置,从而抑制虚假报告。此外,上面的附带结果VCG-based分配TF资源分配的价格点。因此,该方案也可以作为一个有效的TF资源定价算法用于OSS模块的核心网络,进而导致整体最优的资源分配。

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