LTE系统中视频业务跨层资源调度技术研究

作     者：巨颖 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：温向明

授予年度：2013年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：LTE 视频业务 跨层设计 资源调度 QoE 节能 

摘      要：随着移动通信技术的飞速发展和移动终端产品的不断升级,视频业务将越来越多的应用在人们的日常生活中,并将成为长期演进（LTE, Long Term Evolution）移动通信系统中的主要业务形式。然而,无线资源的稀缺性和无线链路的不稳定性与用户对于视频业务质量日益提高的需求之间的矛盾给无线视频业务的发展带来了挑战。同时,随着移动用户数目的急剧增加,未来移动通信系统中视频业务的编码及传输过程将提高基站系统功耗,所排放的二氧化碳等温室气体将加剧地球“温室效应。如何降低无线视频业务功耗给移动通信技术提出了新的要求。为了应对以上问题与挑战,采用跨层资源调度技术,通过打破各个协议层的独立性,可以抑制无线信道的不稳定性带来的消极影响,并且可以充分考虑业务需求,将应用层参数与媒体接入控制层、物理层的系统参数进行联合优化,达到保证业务质量要求的同时提高系统性能的目标。 本论文针对LTE系统中的视频业务,从跨层动态调整各层参数实现优化业务及系统性能的目标出发,设计并实现了高效的跨层资源调度算法。本论文的主要工作如下： 在构建峰值信噪比（PSNR, Peak Signal to Noise Ratio）与平均意见分数（MOS, Mean Opinion Score）映射模型的基础上,提出了体验质量（QoE, Quality of Experience）驱动的LTE视频业务跨层资源调度算法。用户的主观感知决定着视频业务的质量,因此利用QoE衡量视频业务质量比服务质量（QoS, Quality of Service）更加准确。本方案首先建立了基于双曲正切函数的PSNR-MOS映射模型,该模型跨层优化了应用层、媒体接入控制层、物理层参数,能够准确并简单的反映客观参数与用户主观质量感知之间的关系。在此模型的基础上,建立QoE预测函数,以最大化用户整体QoE并保证用户间公平性为目标。最后,利用粒子群算法求解资源分配及参数优化策略,降低求解复杂度并保证调度策略最优性。 针对无线视频业务快速发展将带来的系统功耗提高问题,本论文提出了一种绿色视频跨层资源调度算法。根据视频业务失真特性及视频业务功耗特性,该方案建立了跨层“功率—业务及系统参数—失真模型,该模型能够有效反映视频业务功耗、视频业务失真、业务及系统参数三者间的关系。在该模型基础上,在保证视频业务失真不超过阈值的前提下建立以最小化视频业务功耗为目标的效用函数,通过动态调整视频编码速率、调制编码方案（MCS, Modulation and Coding Scheme）模式等参数达到降低功耗的目标。 建模并实现了LTE跨层资源调度仿真平台。按照模块化的设计思想,将整个仿真平台分为业务级仿真模块、系统级仿真模块、链路级仿真模块和跨层优化器四个独立模块。利用该仿真平台,可以对研究中的新技术和新算法进行方便、快速、直观的验证和评估,节省了新技术开发的成本和周期。