5G SCMA无线网络中视频跨层传输

赵敏丞，李阳阳，赵大伟，张 义

(1. 中国电子科技集团公司第二十研究所, 西安 710068;2.中国电子科学研究院，北京 100041;3.中国信息通信研究院，北京 100191)

0 引 言

为了优化SCMA上行链路中视频业务的传输质量，笔者提出了一种基于视频业务特性感知的SCMA接入方法。基站根据用户所发送视频业务的码率失真关系，结合无线信道情况和SCMA的码本向每个用户分配无线子信道，使得系统中用户发送的视频质量最佳。本优化问题可以归纳为二进制整数规划问题，并用L-W贪婪算法解决此问题。仿真结果证明所提出优化方法有效提高5G SCMA上行链路的视频传输质量。

1 相关工作

1.1 无线视频跨层传输

在多用户通信系统中，无线链路的资源分配决定无线接入速率，无线带宽对视频的传输至关重要。如果带宽分配不合理，无论如何动态调整视频码率，其传输质量仍难以得到改善。对视频传输友好的资源分配策略需要考虑视频质量、用户体验等诸多因素。大量的研究者[4-6]都结合视频业务特性，设计更合理的无线资源分配策略。文献[4]在应用层计算每个视频分组丢失造成的失真值，并把这个失真值作为分组重要性的依据，失真值越大表示视频分组越重要。然后根据每个用户窄带信道的信噪比，分别以视频质量和公平性最优为目标分配无线资源。文献[5]则建立了估计AVC 视频的端到端失真模型，然后采用纳什均衡的策略来分配无线资源，达到视频传输质量最优的目标。文献[6]则额外考虑了视频抖动对用户观感的影响，并根据无线信道和无线资源的情况，采用动态递归和贪婪的方法优化视频码率的选择。

1.2 SCMA

SCMA是华为提出的一种新型非正交多址接入技术，它将OFDM 与 CDMA 结合，即在每个时频资源上以码分的方式叠加更多用户，以满足未来5G大容量、海量连接低延时接入等需求。SCMA是基于低密度扩频(LDS)技术[1]。LDS是一种特殊的CDMA序列设计方法，它使得较长的扩频码中包含少量的非零元素。如图1所示，SCMA与LDS不同之处在于，它将调制映射和扩频相结合，直接用设计的码本对数据进行编码，得到调制后的符号。因此SCMA的码本设计可以看作稀疏扩频和多维调制的联合优化。通过重组低维调制星座图可以使得相同用户在不同子载波上的码字不同，通过调整星座图角度可以使得不同用户的码本不同[7]。由于SCMA采用了低密度扩频的结构，可以采用低复杂度的消息传递算法(Message Passing Algorithm，MPA)在接收端进行解码。

图1 SCMA原理示意图

2 视频特征感知的SCMA资源分配

2.1 系统模型描述

如图2所示，假设在一个单蜂窝SCMA上行链路中，若干用户n∈{1,2,…,N}发送不同视频流，并将所发送视频流的“质量-速率”关系通告给基站。其“质量-速率”关系可以表示为：

UGi(Ri)=ailg(biRi+ci)+di

(1)

图2 基于无线SCMA的视频跨层传输系统

其中，UGi表示视频i的质量，ai、bi、ci和di是视频特征参数，不同视频i的特征参数不同。Ri表示用户的无线接入速率。基站将系统无线带宽分成若干子载波k∈{1,2,…,K}。假设每个SCMA层代表一个用户，则基站最多为用户分配J个码本。每个码本包含M个长度为K的码字，每个码字中包含dv个非零元素。用户发送的log2M比特信息映可映射为对应码本的稀疏码字。假设基站可以获取所有用户全部的信道状态信息(CSI，Channel State Information)，并根据分配的码本和用户视频的特征关系为不同用户分配无线资源。

2.2 问题建模

在小区中，每个用户发送的视频数据都被映射为对应码本上的稀疏码，所有N个SCMA层的数据都多路复用到K个共享子载波上。基站在子载波SCk上接收的信号可以表示为：

从2002年到2014年，鲁花先后在山东定陶、河南周口、湖北武汉、江苏常熟、内蒙临河、湖北襄阳、河北深州、江苏新沂、辽宁阜新、广东东莞、重庆等花生产区建立油厂。

(2)

(3)

xkn∈{0,1}

(4)

Ikn=∑m∈{Nk||hkm|2>|hkn|2}pkm|hkm|2

(5)

由公式(1)和(2)可以计算每个用户可发送的视频质量为：

(6)

在SCMA资源分配中，一个子载波最多可以分配给df个用户，即表示为：

∀k∈K

(7)

并且一个用户同时最多可以从dv个子载波上发送数据，即满足：

∀n∈N

(8)

手机的发射功率不能超过额定值P，因此还需要满足：

∀n∈N

(9)

因此视频特征感知的SCMA资源分配问题可以表示为：

subjectto:Eq.(9)

(10)

视频特征感知的SCMA资源分配问题等价于从如图 3所示的矩阵中选择若干个值(这些值表示用户在不同子载波上传输的数据量)，使得用户发送视频的质量最佳，且必须满足每行最多选择dv个数，每列最多选择df个数。

图3 视频特征感知的SCMA资源分配问题

2.3 L-W贪婪算法

视频特征感知的SCMA资源分配问题可以归纳为二进制整数规划问题，此类问题一般可以采用拉格朗日对偶方法得到最优解，但是由于此问题的导数方程难以计算，无法获得最佳值，因此笔者采用L-W贪婪算法寻求问题的次优解。为了简化此问题的求解，将手机功率在不同SCMA层上平均分配。结合图3的描述，所推荐L-W贪婪算法具体步骤如下：

Step 1: 基站根据不同用户更新的平均接入速率、用户发送视频流的质量-速率关系和信道质量，计算资源k分配给用户n时，用户k可发送视频的质量增益值，从而获得类似图3的矩阵。

Step 2. 从第一列中未加入标记集合的数中选择L个最大的数作为标记集合Φ的数，所选择数所在行中加入标记集合Φ的数不大于dv，且满足第一列在标记集合Φ中的数不大于df。

Step 3. 从第一列中在标记集合Φ的数中选择最小的W个数，组成集合Ψ，如果集合Ψ中的数ψ所在行中未加入标记集合Φ最大的数φ比ψ大，则用未加入标记集合的数φ替代ψ加入标记集合Φ。

Step 4. 逐列依次进行2、3两步操作，直到满足每行最多选择dv个数，每列最多选择df个数。

Step 5. 所选的标记集合Φ中的数即为资源分配的结果。

3 仿真结果及分析

在MATLAB仿真平台中，对移动环境下的OFDMA+比例公平(PF)、SCMA+随机分配和SCMA+L-W贪婪算法进行对比，其中L-W选取了1-0, 2-1, 4-2, 6-0这四个取值。无线网络仿真具体参数如表1所示。在SCMA环境中，dv取3，df取6。

表1 仿真参数

同时采用JSVM工具来对CIF视频“News”, “Hall”, “Foreman”进行编码。帧速率设置为25帧/秒，GoP设置为16。如图4所示，对视频流采样可以获取相应的码率-失真样本点，结合公式(1)描绘出其码率失真曲线。将仿真程序运行500次，得到以下仿真结果。

图4 视频业务特征函数

图5 (a)系统总吞吐量;(b)用户平均速率;(c)用户发送视频的平均质量

图5分别表示用户数量不同的情况下，传输系统总吞吐量、用户平均吞吐量和用户发送视频的平均质量。可以看出SCMA +L-W贪婪算法具有最好的传输性能，SCMA+随机分配效果次之，OFDMA+PF效果最差。在SCMA环境下，随着用户数的增多，系统的总吞吐量仍缓慢上升，因为通过码分的方式，系统可以传输更多用户数据。另外用户平均发送速率和发送视频的平均质量随着用户数的增加逐步降低。

图6展示了选取不同L-W值时，贪婪算法的平均计算时间和用户发送视频的平均质量。可以看出L-W选取6-0时，算法运行时间最短，视频质量最差。L-W选取1-0时，用户发送视频的平均质量最佳，需要的运行时间也较少。2-1和4-2贪婪算法的视频质量和运行时间性能适中。因此在后续的结果中，仅呈现SCMA 1-0贪婪算法的效果。

图6 采用不同参数时，用户发送视频的平均质量和算法运行时间的关系

图7分别表示用户数为34时，用户平均接入速率和所发送视频平均质量的累计分布图。可以看出在SCMA环境下，每个用户的接入速率和发送的视频质量都较高。与其它两种方法相比，采用L-W贪婪算法可以获得最佳的效果。

图7 用户数为34时，(a)用户平均速率的累计分布图 (b)用户所发送视频平均质量的累计分布图

4 结 语

为了提高视频业务在未来5G无线通信系统的传输质量，对SCMA上行链路的视频传输优化进行了研究。基站获取了用户发送的视频业务率失真特性，根据无线信道情况和特定的编码本向每个用户分配无线子载波，使得系统的传输性能最优。本优化问题可以归纳为二进制整数规划问题，并用L-W贪婪算法解决此问题。通过在MATLAB上的仿真验证该方法能显著提高视频的传输质量。但是仍有许多问题需要解决：首先，采用的解决方法将手机功率平均分配给不同SCMA层上，没有考虑功率控制；其次，笔者采用贪婪算法求出问题的次优解，可以通过深化理论研究，进一步考虑如何优化求解算法。这些问题都需要在未来的研究工作中解决。

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[1] Nikopour H, Baligh H. Sparse code multiple access[C]. IEEE, International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC). 2013:332-336.

[2] Yuan Z, Yu G, Li W, et al. Multi-User Shared Access for Internet of Things[C]. IEEE Vehicular Technology Conference (VTC), 2016:1-5.

[3] Chen S, Ren B, Gao Q, et al. Pattern Division Multiple Access—A Novel Nonorthogonal Multiple Access for Fifth-Generation Radio Networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2017, 66(4):3185-3196.

[4] Li F, Ren P, Du Q. Application-Driven Cross-Layer Approaches to Video Transmission over Downink OFDMA Networks [C]. In Proc. IEEE Global Communications Conference (Globecom), Honolulu, HI, USA, 2009: 1-6.

[5] Lu Z,Wen X, ZhengW, et al. Gradient projection based QoS driven cross-layer scheduling for video pplications.

[C]. In IEEE International Conference on Multimedia and Expo (ICME), Barcelona, Spain, 2011: 1-6.

[6] Chen J, Mahindra R, A (Amir) Khojastepour M, et al. A scheduling framework for adaptive video delivery over cellular networks [C]. In Proc. ACM the international conference on Mobile computing and networking (Mobicom), Miami, FL, USA, 2014: 389-400.

[7] Taherzadeh M, Nikopour H, Bayesteh A, et al. SCMA Codebook Design[C]. IEEE, Vehicular Technology Conference (VTC), 2014:1-5.