一种用于异构网络分层组播层速率优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及移动通信技术领域，更具体的说，本发明涉及一种用于无线异构网络 系统分层组播层速率优化方法，是一种为了解决多速率组播吞吐量最大化为目标的层速率 优化问题。
【背景技术】
[0002] 随着宽带网络和Internet快速发展，多媒体服务业务应运而生，如网络电视、远 程学习、数据内容分发、多方视频会议等，同时用户端对网络服务的多样化和质量等方面的 提出越来越高的要求。如何在现有的网络和通信技术下更为有效地利用网络资源并实现更 高质量的数据传输，已经成为通信领域最为重要的研究课题之一。实际网络中的固有异构 性，这就需要源节点能够根据异构用户的可用带宽进行最佳的数据传输，针对异构性提出 的基于网络编码的多速率分层组播方案能够有效解决异构网络中用户差异性需求，提高系 统吞吐量。
[0003] 在组播通信中以不同的速率为不同的接收用户提供服务，分层组播吞吐量最大化 问题中，涉及到用户能否接收到第k个分层的二进制参数，以及第k个分层速率rk，用户 节点对分层数的接收4取决于用户自身可用带宽和层速率rk，因而分层组播层速率优化问 题是NP-hard问题，通过线性规划求解吞吐量来直接优化分层速率是十分困难的。
[0004] 在实现本发明的过程中，发明人发现：
[0005] 现有的技术方案中，绝大部分都是在链路分配阶段不能充分的进行链路的重用， 用户剩余链路带宽减少，不能接收到更高的分层数，导致用户的实际带宽减少，继而减少了 系统吞吐量。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，提出了一种实现组播通信的用户吞吐量总和最大化的层速 率全局最优的用于异构网络分层组播层速率优化方法，本发明的技术方案如下：一种用于 异构网络分层组播层速率优化方法，其中异构网络的有向网络拓扑图用G(V，E，T，BS)表 示，其中V表示网络中所有节点集合，E为所有网络链路集合，（u，v)表示u节点到v节点的 有向链路，T为网络中所有用户节点集合，▽巧ef，网络中拥有|T |个接收用户，BS为基站， V/?,.e(K-奶-'/')为网络中继节点，并假定用户节点仅能接收信息，BS仅能发送信息，所述 速率优化方法包括以下步骤：
[0007]A.基站BS将视频流图片分层编码为L个分层；
[0008]B.在中继节点中采用网络编码法对步骤A得到的L个分层中的每个分层数据进行 编码操作；
[0009]C.根据接收用户个数，采用L层速率分配NRAA算法，将异构网络的有向网络拓扑 图G(V，E，T，BS)分解为N(N= |T|)个传输子图，以每个分层的接收用户的剩余带宽的最小 值作为分层速率，确保所有用户都能以最大带宽接收相应的分层编码包，求出各用户的实 际带宽；
[0010] D.在步骤C中每个传输子图的确立过程中，调用链路复用带宽分配LRBA算法，为 每个传输子图的接收用户分配链路带宽；
[0011] E.采用基于插板法的用户簇L层速率分配PCLRAA算法，根据用户实际带宽，引入 分簇法，采用插板算法，将N层合并为L个分层，求出最佳分簇，得出L层机制下吞吐量最大 化的最优分层速率，以及各传输子图分配的链路带宽，完成异构网络分层组播层速率优化。
[0012] 进一步的，步骤A中，基站BS将视频流图片分层编码为L个分层采用MPEG-4标 准中的精细可伸缩性视频编码FGSC编码技术，将图片分层编码为基础层和增强层次，利用 基于分块运动补偿预测编码技术和DCT变换技术进行基础层编码，利用位平面编码技术对 DCT残差进行增强层次编码。
[0013] 进一步的，步骤B中中继节点采用网络编码法具体为采用层内随机线性网络编码 ILRLNC对接收到的分层编码包分别进行编码操作。
[0014] 进一步的，步骤C中的NRAA算法，具体步骤包括：
[0015]31.初始化G(V，E，T，BS)，对于任意接收用户gT，初始化其实际接收速率 鳥f，链路（u, V) G E带宽C(u, V);
[0016] 32.初始化1 = 1以及分层总数N= |T|，第一个分层的接收用户为所有用户，也 即I\=T;
[0017] 33.第1 (1彡N)个分层的传输子图Gi以，Ei，1\，BS)的分层速率r1= 0 ;
[0018] 34.第1个分层中的初始化用户序号i= 1，对任意用户VReT；进行如下操作：
[0019] 341运行Edmonds-Karp算法，计算剩余最大流；：
[0020] 342如果，将用户1^从T冲删除；
[0021] 343 更新i=i+1 ;
[0022] 344如果i彡|T」，返回341 ;
[0023]35.如果$ 0，更新实际分层数N= 1，NRAA算法结束；
[0024] 36.更新第1层的分层速率,Vt/,e0，对任意用户e7；，更新用 户的实际带宽A.=尽.+/卜
[0025] 37.调用LRBA算法为第1层的链路带宽分配f' (u，v)，求出传输子图 G丨('VpE丨,TnBSU
[0026] 38.更新▽(?，>')￡￡，链路的剩余带宽C(u,v) -C(u,v)_f' （u,v)，更新 1 = 1+1;
[0027] 39.如果1彡N，更新I\=T丨：，返回33,否则算法结束。
[0028] 进一步的，步骤D中LRBA算法中，V中所有用户链路带宽全部用来接收该层数 据，剩余带宽值较大的用户集合T"中用户与已经分配链路带宽的用户进行重用后，若用户 A还需分配的带宽，依次选取包含最大节点出度maX(degu)的路径进行链路 带宽的分配。
[0029] 进一步的，步骤E中PCLRAA算法中，分簇数目和信源分层编码的分层总数一致； L层机制下分层速率的求取类似于N层，都是以接收用户的剩余带宽的最小值作为分层速 率，保证用户都能接收到该分层。
[0030] 本发明的优点及有益效果如下：
[0031]LRBA算法，为了保证用户全部能接收到第1层编码包，第1层的最优分层速率 为接收用户的非零剩余带宽值的最低值，LRBA算法实质是拥有最小带宽值的用户集合' 中所有用户将自身剩余带宽全部用来接收第1层编码包，具有较高剩余带宽值也即6: >〃/ 的用户集合T/'中用户，尽量多的重用其他接收用户的路径可以为更高分层编码包的接收 预留更多资源，提高链路的重用率，继而提高系统吞吐量；PCLRAA算法，将N层合并为L个 分层，在假定分簇数等于分层总数，簇Q的用户个数为ni，为实现吞吐量最大化可以将层速 率优化问题直接转化为寻找最佳分簇问题。根据已经排序的用户带宽值将用户放入相应的 簇中，类似于数学中的相同元素分堆问题，根据用户实际可用带宽3?进行相同元素捆绑后 的用户数为D，则D个用户分为L簇，共有种插板方式。利用式⑴（3)求出每种插板方 式的吞吐量，求出吞吐量最大的插板方式也即最佳分簇方式，求出分层速率以及每层的链 路带宽分配。
【附图说明】
[0032] 图1是本发明提供实施例图片信源分层编码示意图；
[0033] 图2为本发明的网络编码示意图；
[0034] 图3为本发明的NRAA算法示意图；
[0035] 图4为本发明的LRBA算法示意图；
[0036] 图5为本发明的PCLRAA算法示意图；
[0037] 图6为本发明的方法流程图。
【具体实施方式】
[0038] 以下结合附图，对本发明作进一步说明：
[0039] 参见图1，基于贪心理论，每个用户节点都期望根据自身的处理能力和可用带宽接 收尽量多的图片分层数据。在满足一定的弱公平性原则一一具有较低带宽的用户也是能够 接收到图片信息，最大化用户接收速率总和，也即最大化系统吞吐量，基于此，进行层速率 优化。
[0040] 本发明中包含三种算法：NRAA算法、LRBA算法、PCLRAA算法，图3为NRAA算法，具 体步骤包括：
[0041]31.初始化G(V，E，T，BS)，对于任意接收用户Vt/f eF:，初始化其实际接收速率 叹=〇，链路（u,v)G E带宽C(u,v);
[0042] 32.初始化1 = 1以及分层总数N= |T|，第一个分层的接收用户为所有用户，也 即I\=T;
[0043] 33.第1 (1彡N)个分层的传输子图Gi以，Ei，1\，BS)的分层速率r1= 0 ;
[0044] 34.第1个分层中的初始化用户序号i=l，对任意用户VRel；进行如下操作：
[0045] 341运行Edmonds-Karp算法，计算剩余最大流6 ;
[0046] 342如果^，将用户1^从T冲删除；
[0047] 343 更新i=i+1;
[0048]344 如果i彡1|，返回 341;
[0049] 35.如果石=0，.更新实际分层数N=1，NRAA算法结束；
[0050] 36.更新第1层的分层速率
?对任意用户VRe2；:，更新用 户的实际带宽汉=尽+巧；
[0051] 37.调用LRBA算法为第1层的链路带宽分配f' (u，v)，求出传输子图 (W,，7；屬;
[0052]38?更新V("，e￡，链路的剩余带宽c(u,v)-C(u,v) -f' (u,v)，更新 1=1+1;
[0053] 39.如果1彡N，更新I\=T::，返回33,否则算法结束。
[0054] 相应的，图4中LRBA算法，为了保证用户全部能接收到第1层编码包，第1层 的最优分层速率为接收用户的非零剩余带宽值的最低值，LRBA算法实质是拥有最小带宽值 的用户集合T/中所有用户将自身剩余带宽全部用来接收第1层编码包，具有较高剩余带 宽值也即尽的用户集合"中用户，尽量多的重用其他接收用户的路径可以为更高分 层编码包的接收预留更多资源，提高链路的重用率，继而提高系统吞吐量，LRBA算法具体步 骤包括：
[0055] 4