一種基於視頻幀結構和D2D通信的視頻多播方法與流程

2023-07-18 10:02:41

本發明屬於無線通信(多媒體多播)技術領域，尤其涉及一種基於視頻幀結構和D2D通信的視頻多播方法。

背景技術：

無線通信採用電磁波進行信息傳遞，是近些年迅速發展起來的新技術領域，它採用的無線傳播手段代替纜線類物理傳輸媒質，使得用戶得以接入網絡，因而能夠降低成本、提高靈活性和擴展性。自七十年代末美國出現第一個用於商業的蜂窩電話系統，移動無線通信經歷了第一代蜂窩網絡到第二代移動通信技術(2G)數字蜂窩系統到第三代移動通信技術(3G)寬帶無線系統再到長期演進(LTE，Long Term Evolution)，等系統的變遷。通信技術的改進使得用戶能夠得到越來越高質量的服務。同時，隨著網際網路和智能終端的飛速發展，手機用戶隨時隨地都可能有龐大的數據業務傳輸需求，這其中以視頻業務佔主體。思科公司的報告中曾提出：到2019年，視頻流量將是2014年的15倍，佔整個移動數據流量的75％。但在如今通信需求大、頻譜資源緊張的狀況下，網絡頻譜的使用並不充分。美國聯邦委員會的研究報告表明：無線通信頻段頻譜利用率較低，一些分配的頻段非常擁擠，而一些授權頻段則長期空閒，尤其蜂窩網絡的上行頻譜使用隨機，利用率不高。如何在利用有限的頻譜資源來應對如此爆炸式增長的視頻數據流量成了亟待解決的問題。第三代合作夥伴計劃(3GPP，the third Generation Partnership Project)提出了一個解決方案就是利用無線傳輸的天然特性在蜂窩網絡中進行廣播或者多播稱為多媒體廣播多播服務(MBMS，Multimedia Broadcast Multicast Service)。在3GPP的R8階段(3GPP’s Release 8)中，MBMS已經加入LTE標準下並且被擴展成為演進的MBMS(eMBMS,evolved MBMS)。

在eMBMS網絡中，多播服務採用傳統多播方案(CMS,Conventional Multicast Scheme)，基站同時用統一的速率為多播組內用戶進行數據傳輸。在實際應用中，由於不同的用戶處在不同的地理位置，從基站到這些用戶的信道條件也各不相同。為保證多播組內所有用戶都能正確接收到數據，應用多媒體多播其中一個關鍵的挑戰是：如何處理這些各不相同的衰落信道？在這裡，我們用一個例子來說明。假設有兩個用戶，其中一個的信道「好」，另外一個信道較「差」。傳統多播方案中，基站(基站)通過較「差」的信道給這些用戶多播一個視頻流，傳輸速率較低，視頻質量較差。若基站通過「好」信道給用戶多播，信道「差」的用戶將無法解碼。為解決上述問題，學者們提出了各種各樣的解決方案。文章「T.P.Low,M.O.Pun,Y.W.P.Hong,and C.C.J.Kuo,Optimized opportunistic multicast scheduling(OMS)over wireless cellular networks」提出了機會多播方案(OMS，opportunistic multicast scheduling)，就是在每個傳輸時間間隔內(TTI，TransmissionTime Interval)，基站只為多播組中信道質量條件「好」的用戶進行服務以最大化他們的QoS。這樣的做法保證了系統傳輸速率的提升，但是顯然用戶的公平性無法得到保證。除了CMS和OMS兩種單速率(single-rate)傳輸方案外。也有一些學者致力於多速率(multi-rate)多播傳輸方案的研究，比如文章「L.Militano,M.Condoluci,G.Araniti,andA.Iera,Multicast service delivery solutions in LTE-Advanced systems」和文章「L.Militano et al,Radio resource management for grouporiented services in LTE-A」。多速率傳輸方案一般的思路是利用用戶信道質量條件的差異性，對多播組內用戶進行進一步劃分，形成子分組，對於不同的子分組採用不同的傳輸速率進傳輸。

近年來，設備之間的鏈路直傳被考慮加入多媒體多播服務，來克服上述方案只考慮將基站作為發送端帶來的一些缺點。大部分現存的設備直傳傳輸方案的焦點在於，非授權頻段上的短距離傳輸。如文章「S.C.Spinella,G.Araniti,A.Iera,and A.Molinaro,Integration of ad-hoc networks with infrastructured systems for multicast services provisioning,」，在蜂窩網絡中將一些移動終端設備作為傳輸點，通過多跳ad-hoc Wi-Fi鏈路為其地理位置附近的其他設備轉發從基站處接收到的多播數據。然而這些方案由於工作頻段跟蜂窩網絡的不統一需要對無線網絡的空中接口做一些修改，實際應用性不高。

因此，在蜂窩網絡基站統一管理下的D2D(Device-to-Device)通信和多媒體多播結合在一起顯得十分必要。引入D2D通信的蜂窩網絡有如下優點：1)基站負載低，僅在蜂窩傳輸模式下，當用戶增加或者數據傳輸需求增大時，基站的負載是呈加和形式的，其相應的數據處理能力和信息傳輸能力需要很大的提高。而D2D是設備之間的通信，數據傳輸不經過基站中轉，因而減輕了基站的負載壓力。2)終端能耗低，屬於短距離通信技術，傳輸路徑損耗相對較小，在保證目標信噪比要求下，用戶可以在一定程度上降低發射功率。當保持發射功率不變時，可以提高信噪比、增加吞吐量。當小區邊緣用戶使用D2D技術進行數據傳輸時，終端無需克服遠距離的路徑損耗與基站通信，終端設備的直接數據傳輸有助於減少發射功率、提高服務質量。3)頻譜利用率高，用戶可以基於網絡鏈路狀態及資源使用情況靈活地選擇復用的信道，充分調度頻譜資源，提高其利用率。短距離通信在提高網絡吞吐量的同時，改善了頻譜使用情況。4)可靠性高，D2D通信可以復用蜂窩網絡的授權頻段，通過基站對用戶資源分配和功率的控制自身對系統小區的幹擾，以此來提供更加穩定可靠的通信環境。D2D通信不同於藍牙等短距離通信技術，其建立和連接由蜂窩網絡系統執行，對於終端而言，屬於透明傳輸，因而改善了用戶體驗。根據D2D通信所使用的無線資源情況，D2D通信的工作模式可以分為三類：專用模式、復用模式、蜂窩模式。其中，專用模式是指D2D通信用戶利用專用的無線資源進行通信。此時，小區內的蜂窩通信用戶與D2D通信用戶利用的無線資源是相互正交的，相互之間不會產生幹擾。復用模式是指D2D通信用戶共享小區內其他的蜂窩通信用戶的無線資源。因為在蜂窩通信中，存在著上行通信鏈路和下行通信鏈路。所以，D2D通信用戶既可以復用小區內其他蜂窩通信用戶的上行通信鏈路的資源也可以共用蜂窩通信用戶的下行通信鏈路的資源。當D2D通信工作復共用模式下，蜂窩通信與D2D通信之間會產生幹擾。為了保證通信的順利進行，應該採取有效的幹擾控制技術來限制他們之間的幹擾。蜂窩模式是指D2D通信需要經過基站進行中繼轉發，此時，D2D通信不僅需要上行通信鏈路的資源也需要下行通信鏈路的資源，跟普通的蜂窩用戶沒有明顯區別。

基於D2D通信的多媒體協作多播方案中，屬於同一多播組距離較近的用戶直接可以利用蜂窩網絡資源進行設備間的鏈路直傳來克服蜂窩網絡小區邊緣用戶服務質量差的問題。屬於同一多播組的用戶在一個或者多個中繼用戶周圍形成子分組，中繼用戶從基站直接接收多播數據，而子分組內用戶通過中繼用戶對多播數據進行重傳來獲得信息。採用該方案可以使得基站使用較高的調製編碼方案(MCS，Modulation and Coding Scheme)來為中繼用戶傳輸信息，同時中繼用戶和子分組用戶之間由於距離較近採用D2D通信，鏈路質量也比較高，從而使得整個系統傳輸速率顯著提高。

將D2D通信引入多媒體多播技術中的同時也存在著新的問題如：中繼用戶如何選擇？子分組如何劃分？基站如何為不同的子分組劃分資源？等。文章「Bin Zhou,Honglin Hu et al，Intracluster Device-to-Device RelayAlgorithmWith Optimal Resource Utilization」提出了自適應的中繼數目選擇方案以最大化D2D傳輸時的資源利用率。克服了傳統中繼選擇時選擇固定中繼帶來的問題。文章「Yiqing Zhou et al，Two-Stage Cooperative Multicast Transmission with Optimized Power Consumption and Guaranteed Coverage」提出了一種在保證有效覆蓋率的前提下，最小化傳輸功率的有效方法。文章「L.Militano et al.,Wi-Fi cooperation or D2D-based multicast content distribution in LTE-A:A comparative analysis,」主要解決了中繼用戶進行D2D傳輸轉發數據時需要資源問題。上述文章中為避免子分組之間的相互幹擾，通常假設不同的D2D傳輸者之間採用相互正交的不同資源。然而這一假設會嚴重影響可以被作為中繼用戶的數目以及子分組的結構，從而限制了D2D協作多播的性能提升。為克服這樣問題，受多播廣播單頻網絡(MBSFN,Multicast Broadcast Single Frequency Network)中多個基站在進行嚴格時間同步的基礎上在相同頻段上同時發送同一信號的啟發，文章「Single Frequency-Based Device-to-Device-Enhanced Video Delivery for Evolved Multimedia Broadcast and Multicast Services」提出了中繼採用單頻的方式進行D2D傳輸，由於在同一時間所有中繼用戶採用相同頻段發送同一信號，對於子分組中的用戶來說，可以將各個中繼用戶的信號看成是同一信號的多徑成分進行處理。該文章中，基站多播時ACK-devices中的所有數據全部轉發給NACK-devices，然而這對於視頻流傳輸是實時性允許一定丟包率的業務而言並不是必要的。現有的D2D協作多媒體多播傳輸方案大多只是一味地提高總吞吐量或者總傳輸速率，從用戶角度來看在視頻傳輸時，若不考慮視頻幀結構的特殊性，並不一定會帶來視頻質量的巨大增益。文章「Yang Cao et al.,Social-Aware Video Multicast Based on Device-to-Device Communications」提出了結合視頻幀結構的多媒體多播方案。利用社交感知，使得同一多播組內的用戶形成社交互惠圈，進一步利用D2D通信進行多播數據重傳。然而該方法中，由於屬於不同社交互惠圈的多播用戶可能有相同的數據請求，這些用戶分別由同一互惠圈內用戶進行一對一重傳的方式可能會帶來時頻資源的浪費。

相比之下，本方案的提出能夠有效克服上述方案的一些問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種基於視頻幀結構和D2D通信的視頻多播方法。通過利用D2D通信，解決傳統多媒體多播方案中多播速率受到簇內最差衰落信道影響的問題。通過利用視頻幀結構的特殊性，結合用戶實際需求，在基站的協助下使得中繼用戶在同一時間傳輸相同的內容，解決現有D2D協作多播方案中常見的幹擾問題，同時採用單頻的資源分配方式，增加中繼選擇和分組的靈活性並提高頻譜效率。

本發明是這樣實現的，一種基於視頻幀結構和D2D通信的視頻多播方法，所述基於視頻幀結構和D2D通信的視頻多播方法包括以下步驟：

步驟一，基站聲明某個視頻多播服務，小區中所有感興趣的用戶加入該服務並形成多播簇，共有K個用戶；

步驟二，以視頻編碼中的一個基本單位GOP(Group of Pictures,畫面組)的傳輸為周期，基站將視頻流多播給簇內用戶

下面以一個周期的長度(也稱為一個時隙)為例，對後續步驟進行說明：

步驟三，在多播子時隙結束後，用戶檢查丟失分組的幀，並將序號上報給基站；

步驟四，基站接收用戶的反饋信息，根據待修復幀的優先級建立順序表，將當前具有最高優先級的幀稱為目標幀，建立目標幀ACK-devices、NACK-devices之間D2D鏈路的CQI矩陣；

步驟五，根據CQI矩陣進行中繼選擇和分組，計算傳輸目標幀m需要的時間Tm

步驟六，Tnow表示當前時刻，D2D子時隙開始時初始化為0，Tm+Tnow≤Deadline；若Tm+Tnow＞Deadline返回步驟三，進行下一GOP的傳輸；

步驟七，中繼用戶向其組內成員以D2D通信的方式傳輸目標幀，Tnow＝Tnow+Tm；

步驟八，結束目標幀傳輸，並將其序號從順序表中刪除，返回步驟四，進行下一目標幀的傳輸。

進一步，所述步驟四進一步包括：

某個視頻幀「價值」越大，優先級越高；

對於具有相同「價值」的視頻幀，需要的人數越多，優先級越高。

進一步，所述步驟四進一步包括：根據順序表中的序號，逐個進行傳輸，並建立當前目標幀ACK-devices和NACK-devices之間D2D鏈路的CQI矩陣表，用ck,j表示用戶k，j之間D2D鏈路的CQI等級其中ACK-devices指成功接收目標幀的用戶，用UACK表示該用戶集合；NACK-devices指目標幀有丟失分組的用戶，用UNACK表示該用戶集合；且有UNACK∩UACK＝K。

進一步，所述步驟五進一步包括：基站根據目標幀的CQI矩陣進行中繼選擇和分組；其中r∈R表示作為傳輸者的ACK-devices，稱為中繼，R表示中繼用戶的集合,Dr表示中繼用戶r的組內成員，接收其所發送數據的NACK-devices，中繼選擇和分組完成後應滿足：

對於所有的r∈R，應有Dr的併集等於NACK-devices的集合，即

進一步，所述步驟五中繼選擇和分組方法為：

1)對於所有的ACK-devices，只有那些能夠保證至少一個到NACK-devices的D2D鏈路具有最高CQI值的用戶才能被選作中繼；

2)基站為NACK-devices選擇「最好」的中繼，也就是使其具有最高CQI值的ACK-devices作為中繼；當有多個中繼可以保證相同的CQI等級時，基站選擇組成員較多的用戶作為中繼。

通過上述步驟，一方面能夠使用較少的中繼以減少用戶的功率損耗，另一方面，中繼用戶能夠採用較高的MCS，得到較高的頻譜效率。

進一步，所述中繼選擇和分組完成後，中繼到其組內成員的D2D通信可以是單播或者多播。可以通過CQI等級計算出每個中繼用戶在D2D鏈路上的MCS(Modulation and Coding Scheme，調製編碼方案)。若中繼用戶以多播的方式進行D2D傳輸，為使所有的組內成員都能正確接收數據，中繼用戶採用其在CQI矩陣中的最低值r∈R，對應的MCS。由於本方案採用單頻的資源分配方式，所有的中繼用戶都將在D2D子時隙使用相同資源塊，因此將採用統一的MCS為其組員服務，為保證所有的NACK-devics都能正確接收數據，採用的MCS應為所有lr中的最小值對應的MCS，lD2D＝min{lr}。

進一步，所述傳輸目標幀所需要時間的計算方法包括：

若Tm+Tnow≤Deadline，中繼用戶向其組內成員傳輸目標幀，並更新Tnow,Tnow＝Tnow+Tm；

若Tm+Tnow＞Deadline，則終止D2D通信，等待傳輸下一GOP，Tnow＝Tnow；

Tnow表示當前時刻，D2D子時隙開始時初始化為0，每完成一個目標幀的傳輸，將其消耗的時間累加在Tnow上；

Tm表示傳完當前目標幀m需要的時間:

Tm＝Bm/RD2D

其中Bm表示第m幀包含的總比特數bits；RD2D表示D2D通信時，所有中繼用戶的傳輸速率bit/s。RD2D＝fD2D*ND2D,fD2D為lD2D對應的MCS，單位為bit/s/Hz；ND2D為D2D子時隙的可用總資源塊數。

Deadline為當前時隙的終止時間。

本發明的另一目的在於提供一種所述基於視頻幀結構和D2D通信的視頻多播方法的視頻多播系統，所述視頻多播系統包括：

D2D控制器，用於建立和管理用戶之間的D2D連接，上述行為都是在基站的協助控制下完成；

幀分析模塊，在多播子時隙結束後，用戶檢查自己收到的信息，將GOP中有分組丟失的幀的序號上報給基站

基站的信息處理模塊，處理多播組內用戶的反饋信息，根據幀的「價值」和用戶需求，建立在D2D通信時幀的傳輸順序表並記錄序號。同時根據當前目標幀的CQI矩陣，為用戶進行中繼選擇和分組劃分，並為D2D通信階段進行時頻資源的分配。

本發明的另一目的在於提供一種應用所述基於視頻幀結構和D2D通信的視頻多播方法的多媒體多播廣播方法。

本發明的另一目的在於提供一種應用所述基於視頻幀結構和D2D通信的視頻多播方法的智慧型手機終端。

本發明的另一目的在於提供一種應用所述基於視頻幀結構和D2D通信的視頻多播方法的計算機。

本發明的另一目的在於提供一種應用所述基於視頻幀結構和D2D通信的視頻多播方法的多媒體業務移動收發機。

本發明提供的基於視頻幀結構和D2D通信的視頻多播方法，聯合考慮視頻幀結構和用戶需求，利用D2D通信技術，有效克服多媒體多播中，多播速率總是受到簇內最差衰落信道的影響，從用戶角度出發在有限頻譜資源內較大程度地提高視頻質量。通過理論計算和仿真分析表明：本發明能夠提高多播簇內用戶平均有效視頻幀比率(valuable video frame ratio，表示整個視頻流的多播傳輸期間，用戶接收到可成功解碼的視頻幀和基站發送的總視頻幀之間的比率)約30％，提高視頻圖像的峰均信噪比(PSNR，Peak Signal to Noise Ratio)10dB左右。在第一階段進行傳統多播，在同一多播組內正確解碼目標幀的用戶稱為「ACK-Devices」，而未能成功解碼的用戶稱為「NACK-Devices」。然後在第二階段中繼用戶和其組內成員之間通過D2D通信的方式進行數據重傳，由於D2D通信收/發者之間距離很近，因此信道增益相比於基站到NACK-devices之間有很大的提高，能夠產生更大的速率。本發明從多媒體傳輸中視頻幀結構的特殊性以及用戶的實際需求出發，對同一GOP內不同類型幀的重要程度劃分等級，對於優先級越高的幀越先傳輸，以保證能夠利用有限的資源，進行最有效的數據重傳。同時，由於本發明在第二階段即D2D通信階段能夠使得所有中繼同一時間傳輸相同的內容，能夠有效避免幹擾，頻譜資源分配的也更加靈活。通過採用單頻的資源分配方式，所有中繼用戶使用相同的頻譜資源與其組內成員進行D2D通信，這樣一方面能夠提高頻譜效率，另一方面由於不同分組之間傳輸速率相同，保證了所有NACK-devices同一時間完成目標數據塊(目標幀)的傳輸，不存在「拖後腿」的現象，節省了時間資源。

將視頻幀結構的特殊性和傳統多媒體多播有效結合，能夠從用戶需求出發，對視頻幀的重要程度劃分等級。如在實際應用中，假設多播簇內所有用戶已成功接收I幀，本發明在D2D子時隙時優先傳輸P幀，使得NACK-devices通過現有的I幀就能成功解碼，提升視頻質量。在之後的D2D子時隙的每一輪(Round)中，如果能夠成功接收B幀，那麼將進一步提升視頻質量；而即使沒有成功接收，對於用戶而言視頻質量也比先前要好，保證了在有限時頻資源內，傳輸最有效的數據。在頻譜資源分配方面：現有的D2D協作兩階段多播方案中，基站為不同的分組分配不同的正交資源塊以避免幹擾。這樣的資源分配方式頻譜效率還有待提高。本發明由於同一時間不同中繼傳輸相同的數據，不存在幹擾問題，可以採用單頻的D2D通信方式。在D2D子時隙直接將可用資源整塊分配給充當中繼用戶，能夠有效提高頻譜利用率。且每次傳輸目標幀時，所有中繼同時傳完，同步性好，節約了時間資源。本發明提供的技術可廣泛應用於智慧型手機終端，各種類型的計算機等硬體設備以及所有支持多媒體業務移動收發機中。多媒體多播可以應用在一些重要的場景如：1)體育賽事的現場直播，比如著名的奧運會等是在網絡上有直播資源並可用在手機上進行觀看的；2)突發性的新聞視頻，如突發的自然災害和軍隊戰爭等消息發生時，許多人會試圖在行動裝置比如手機上，對這一相同的消息進行點擊。這些大約在同一時間提出的數據請求可以通過多播傳輸的方式進行批處理。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的基於視頻幀結構和D2D通信的視頻多播方法流程圖。

圖2是本發明實施例提供的蜂窩網絡中的多媒體多播場景示意圖。

圖3是本發明實施例提供的GOP結構圖，其中從幀X指向幀Y表示，X幀的解碼需要幀Y的信息。

圖4是本發明實施例提供的GOP傳輸和播放示意圖。

圖5是本發明實施例提供的基於視頻幀結構和D2D通信的視頻多播系統工作流程圖。

圖6是本發明實施例提供的基於視頻幀結構和D2D通信的視頻多播系統結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發明實施的基於視頻幀結構和D2D通信的視頻多播方法包括以下步驟：

S101：基站聲明某個視頻多播服務，小區中所有感興趣的用戶加入該服務並形成多播簇，共有K個用戶；

S102：以視頻編碼中的基本單位一個GOP(Group of Pictures,畫面組)的傳輸時間為周期，基站將視頻流多播給簇內用戶；

S103：以一個周期的長度(也稱為一個時隙)為例進行說明，在多播子時隙結束後，用戶檢查丟失分組的幀，並將序號上報給基站；

S104：基站接收用戶的反饋信息，根據待修復幀的「價值」建立順序表，將當前具有最高優先級的幀稱為目標幀，建立目標幀ACK-devices、NACK-devices之間D2D鏈路的CQI矩陣；

S105：根據CQI矩陣進行中繼選擇和分組，計算傳輸目標幀m需要的時間Tm；

S106：Tnow表示當前時刻，D2D子時隙開始時初始化為0，Tm+Tnow≤Deadline；若Tm+Tnow＞Deadline返回步驟S103，進行下一GOP的傳輸；

S107：中繼用戶向其組內成員以D2D通信的方式傳輸目標幀，Tnow＝Tnow+Tm；

S108：結束目標幀傳輸，並將其序號從順序表中刪除，返回步驟S104，進行下一目標幀的傳輸。

下面結合具體實施例對本發明的應用原理作進一步的描述。

對應用本發明時使用的系統模型進行描述。如圖2所示，考慮在LTE系統下的單小區結構，一個具有K個用戶的集合ψ＝{1,2,...,K}，屬於相同的多播簇。基站分配M個RB(Resource Block)資源塊為用戶進行視頻多播，其中RB是LTE系統下分配給用戶的最小頻譜單位。用戶待接收視頻流用{GOP1,GOP2,...,GOPn}表示，以一個GOP的傳輸時間為周期，基站將視頻流多播給簇內用戶。進一步，用C表示可用CQI等級數目，用ck,j∈{1,2,...,C}表示用戶k，j之間D2D鏈路的CQI等級k,k≠j。每個CQI等級關聯一個指定的MCS。對於給定的MCSm∈{1,2,...,C}可得到的速率取決於該特定MCS下對應的頻譜效率bm(bit/s/Hz)和分配的資源塊數Mm。

不失一般性，本發明作以下假設：

a.視頻流通過使用GOP(Group ofPictures,畫面組)結構進行編碼來減少自身的總帶寬需求，常用的編碼規範有MPEG-4和H.264。如圖3所示，一個GOP由多個編碼幀組成，這些編碼幀通常分為三類：I幀、P幀、B幀。I幀即Intra-coded picture(幀內編碼圖像幀)，不參考其他圖像幀，只利用本幀的信息進行解碼；P幀即Predictive-coded Picture(預測編碼圖像幀)，利用之前的I幀或P幀，採用運動預測的方式進行幀間預測解碼；B幀即Bidirectionally predicted picture(雙向預測編碼圖像幀)，提供最高的壓縮比，它既需要之前的圖像幀(I幀或P幀)，也需要後來的圖像幀(P幀)，採用運動預測的方式進行幀間雙向預測解碼。

b.視頻傳輸時，以一個GOP為基本單位周期性地進行傳輸，同時GOP中的每個編碼幀被處理成多個分組。跟瀏覽網頁或者下載文檔等數據傳輸不同的是，視頻傳輸是一個對時延要求高的實時業務；也就是說，一旦開始播放，小區中的用戶希望視頻可以連續順暢地播放，因此，每個GOP都被賦予了一個Deadline(最後期限)，一旦錯過Deadline該GOP將會被丟棄。

如圖4所示，考慮視頻流的每一個GOP有一個最大容忍時延，該時延和一個GOP的播放時間相等。基站在Deadline之前緩存一個GOP的所有數據並且盡它可能向用戶發送。當Deadline到達，該GOP會被基站丟棄。

將一個GOP從開始傳輸到該GOP終止傳輸的時間間隔，稱為一個周期，也稱為時隙(phase)。如圖5所示，本發明中系統的工作流程圖是基於時間劃分的。每個時隙被劃分成兩部分，多播子時隙(Multicast Sub-phase)，D2D子時隙(D 2D Sub-phase)。在每個時隙的開頭，基站以一個GOP為基本單位對視頻流進行多播直到多播子時隙結束。在D2D子時隙時，用戶之間相互共享數據，幫助部分用戶進行重傳，修復丟失分組的幀以提高視頻質量。進一步，將傳輸一個目標幀在D2D子時隙中佔用的時間稱為一輪(Round)，在每個Round的開頭，都有一個窗(Window)，在這個時間段內，進行具體的操作是：

1)建立傳輸某目標幀的ACK-devices和NACK-devicesz直接D2D鏈路的CQI矩陣；

2)進行中繼選擇和分組並由基站進行資源分配；

3)計算傳輸該目標幀需要的時間；每個Round中剩下的時間將進行D2D通信來傳輸目標幀。

通過現存的文獻可以知道，D2D通信可以根據使用頻段類型的不同分為兩種：

1)帶寬內(in-band)D2D通信:D2D通信佔用的頻段和普通蜂窩網絡中佔用的頻段相同。因此，D2D和蜂窩鏈路通過同一個空中接口共享相同頻譜資源。

2)帶寬外(out-band)D2D通信：D2D通信佔用的頻段和普通蜂窩網絡中佔用的頻段不同，比如5GHz或者38GHz。顯然這種方式下D2D連接和蜂窩連接可以通過不同的空中接口同時進行。

c.由於在本方案場景中，多播簇內用戶短距離通信的特點和其較低的移動性，D2D鏈路的信道狀態一個Round內看以看作是靜態的。在LTE-A網絡中，用戶可以用CQI(Channel Quality Information)衡量信道質量。基於CQI，傳輸者(基站或者用戶)可以選擇某個鏈路上最大程度上支持的調製編碼方案(MSC，Modulation and coding scheme)。通過利用信道反饋和CQI-MCS映射表，傳輸者選擇合適的MCS，使得接收端可以正確解碼。對於給定的MCSm∈{1,2,...,C}可得到的速率取決於該特定MCS下對應的頻譜效率bm(bit/s/Hz)和分配的資源塊數Mm。

fm＝bm*Mm；

其中fm表示傳輸速率(bit/s)。

表1表示一個CQI和MCS映射的示例。

表1

當基站試圖給多播簇內具有不同信道質量條件的用戶進行視頻多播時，基站必須選擇一個的MCS。用ci表示，用戶i的CQI值，用cmin表示能正確解碼基站多播數據所要求的最小信道質量條件。若ci≥cmin，用戶i可以正確解碼該分組，否則認為對於用戶i而言，該分組丟失。

進一步，多播簇內用戶之間D2D鏈路的CQI值在每個CQI反饋(CFC,CQI feedback cycle)中進行更新，其反饋周期可以是一個或多個TTI(一個TTI等於1ms)。

如圖5所示，本發明實施例的基於視頻幀結構和D2D通信的視頻多播系統包括：

幀分析模塊：幀分析模塊存在於用戶終端。經過分析，用戶可以知道哪些幀的分組在多播子時隙中丟失，成為D2D通信時待傳輸的目標幀。

不同的視頻幀在GOP中扮演不同的角色。為考慮視頻幀結構特殊性並達到提高視頻質量的目的，本發明中將賦予每個幀一個「價值」來表示該幀的重要程度，用vh表示第h幀的「價值」。其中：

表示在一個GOP中，需要第h幀才能正確解碼的最大幀數。

舉例說明：在一個GOP中有一個I幀，2個P幀，4個B幀，如圖3所示。那麼顯然I幀有因為P幀和B幀都依靠I幀才能解碼。

基站的信息處理模塊：處理多播簇內用戶的反饋信息，根據待修復幀的「價值」和用戶需求，建立順序表；將當前順序表中具有最高優先級的幀稱為目標幀，建立目標幀的ACK-devices和NACK-devices之間D2D鏈路的CQI矩陣；根據當前目標幀的CQI矩陣，進行中繼選擇和分組，以及時頻資源的分配。

D2D控制器：本發明是在基站控制下進行的D2D協作多播。其中，每個節點(基站或者用戶)中都有一個D2D控制器，負責建立和管理用戶之間的D2D連接。具體來說，由基站統一的管理，通過基站信息處理模塊後，能夠進行D2D通信的用戶之間會在基站的協助下建立D2D連接。

下面對本發明實施例中的每一個步驟進行具體的說明：

1)D2D用戶簇的形成：基站聲明某個視頻多播服務，小區中所有感興趣的用戶試圖加入該服務。同時由於在相近地理環境的用戶常常具有相同數據請求的特點，比如音樂會的現場或者是重大新聞事件的發生地。利用這一特性，用戶在基站的控制下聚簇，稱為D2D用戶簇或者多播簇。基站以統一控制的方式對用戶的通信進行調度管理。

2)基站進行多播時，以視頻編碼中的一個基本單位(GOP)的傳輸時間為周期進行傳輸。下面以一個GOP的傳輸過程(一個時隙的長度)為例進行說明：基站從源節點接收數據在多播子時隙向簇內的用戶在M個RB上進行多播。需要注意的是，由於本方案將傳統的一階段多播分成D2D通信協作下的兩階段多播。多播階段MCS的選擇上有很大不同。

傳統的一階段多播中，一個GOP的多播時間為整個時隙T，設其對應的調製編碼方案為m1。在本方案中，一個GOP的多播時間僅為多播子時隙T1，設其對應的調製編碼方案為m2。顯然由於T>T1，在使用相同RB數目的條件下，本方案的頻譜效率更高，基站多播時採用更高的MCS。雖然由於MCS的提高，在第一階段用戶能正確解碼的幀數變少，但在第二階段，通過D2D協作重傳，多播簇內用戶之間進行數據共享，第一階段不完整的幀得以修復。

通過對中繼用戶的合理選擇，基站可以使用高性能的MCS將數據傳輸到中繼用戶，同時具有高信道增益的D2D鏈路使得中繼用戶和小區邊緣用戶之間也能使用較高的MCS。

3)多播完成後，每個用戶檢查自己丟失分組的幀，並通過進行幀分析過程，將情況上報給基站，基站通過以下規則建立一個順序表：

a.若某個視頻幀具有比較高的vh值，優先級越高；

b.對於具有相同vh值的幀，需要的人數越多的幀，優先級越高。

4)選擇順序表中具有最高優先級的幀作為目標幀，優先進行D2D傳輸。假設目標幀序號為h,建立第h幀ACK-devices和NACK-devices之間D2D鏈路的CQI矩陣：

其中ACK-devices指成功接收第h幀的用戶，用UACK(h)表示該用戶集合；NACK-devices指該幀有丟失分組的用戶，用UNACK(h)表示該用戶集合。且有UNACK(h)∩UACK(h)＝K。為方便表示，通常用UACK、UNACK表UACK(h)、UNACK(h)。表格2為例進行說明:

表格2 ACK-NACK設備之間的CQI矩陣

5)基站根據目標幀的CQI矩陣進行中繼選擇和分組。其中r∈R表示作為傳輸者的ACK-devices，稱為中繼，R表示中繼用戶的集合,Dr表示中繼用戶r的組內成員，接收其所發送數據的NACK-devices，中繼選擇和分組完成後應滿足：被選做中繼的ACK-devices應能夠成功為所有NACK-devices傳輸目標幀，也就是說對於所有的r∈R，應有Dr的併集等於NACK-devices的集合，

中繼選擇和分組策略：

在這一步中要解決的問題是：如何以最有效的方式進行對目標幀進行D2D重傳。顯然在頻譜資源一定的情況下，傳輸目標幀花費的時間越少，順序表中後面的幀越有機會進行重傳，從用戶角度而言視頻質量越好。

以第h幀為例，設第h幀包含的比特數為Bh.當只有一個ACK-devices作為中繼時，D2D傳輸消耗的最小時頻資源可表示為：

在給定頻譜資源數的情況下，上式可簡化為D2D傳輸消耗的最小時間，

其中ekj表示用戶k，j在D2D鏈路上的頻譜效率，單位為bit/s/Hz，由該鏈路CQI等級對應的調製編碼方案決定。表示當任意一個ACK-devices作為中繼時，D2D多播的頻譜效率由該中繼到所有組內成員中(當只有一個中繼時，組員為全部的NACK-devices)最差的信道質量條件即最小的CQI等級決定。表示選擇某一ACK-devices作為中繼，以消耗最小的時頻資源，得到最高的資源。

通過上式可以發現，當中繼數目為一個時，傳輸目標幀需要的時間資源由某個中繼和該中繼到所有NACK-devices中最差的信道質量條件決定。若將中繼數目增加至兩個，中繼用戶分別只需要為一部分NACK-devics服務。利用D2D信道之間的差異性，可以將原來較低的單一速率，變成兩個較高的D2D多播速率。

兩中繼時，傳輸目標幀消耗的最小時間可表示為：

其中，i，j表示作為中繼的ACK-devices。Di，Dj分別代表接收中繼用戶i，j發送數據的NACK-devics的集合。表示以i，j作為中繼的分組中，各自D2D多播的調製編碼方案。各自D2D多播的調製編碼方案。別需要的時間。表示只有「最慢」的分組傳輸完成，才算完成目標幀的傳輸。進一步，由於本方案採用單頻的資源分配方式，在中繼選擇和分組完成後，各個中繼使用相同的頻譜資源進行D2D重傳，因此必須採用相同的MCS。因此在D2D傳輸階段採用的調製編碼方案為所有中繼中採用的最小調製編碼方案。即

同理，當選擇L個ACK-devices作為中繼時，傳輸目標幀消耗的最小時間表示為：

由於MCS和CQI是一一對應的關係，反應到CQI上，上式子可改寫為：

為使，目標函數cost最小，顯然應有cd2d最大，進一步應有各個分組中最差D2D鏈路的CQI等級最大。為保證達到這一目標，應採取的做法是：

基站為NACK-devices選擇「最好」的中繼，也就是使其具有最高CQI值的ACK-devices作為中繼；當有多個中繼可以保證相同的CQI等級時，基站選擇組成員較多的用戶作為中繼。

下面是算法流程，其中3-10行一個篩選過程：對於所有的ACK-devices，只有那些能夠保證至少一個到NACK-devices的D2D鏈路具有最高CQI值的用戶才能被選作中繼。

中繼選擇和分組完成後，在D2D子時隙的調製編碼方案中繼用戶r∈R傳輸速率為：RD2D＝lD2D*M；lD2D為cd2d映射的調製編碼方案。

計算傳完當前目標幀所需要的時間：

由於基站建立的順序表中會有多個幀需要在D2D子時隙時傳輸。隨著目標幀的傳輸，計算順序表後面的幀是否還有足夠的時間進行D2D重傳顯得十分必要。同時，由於視頻傳輸是一種「try best」的業務，不像文件下載一樣必須保證所有的數據都完整的接收到，它容忍一定的丟包率。當D2D傳輸進行到某一目標幀時，若通過計算得出該幀已經沒有足夠的時間在本時隙中傳輸。則終止當前目標幀的D2D傳輸，將直接等待傳輸下一GOP。即：

若Tm+Tnow≤Deadline，中繼用戶向其組內成員傳輸目標幀，Tnow＝Tnow+Tm；

若Tm+Tnow＞Deadline，則不再進行D2D通信，等待傳輸下一GOP，Tnow＝Tnow；

Tnow表示當前時刻，D2D子時隙開始時初始化為0，每完成一個目標幀的傳輸，將其消耗的時間累加在Tnow上；

Tm表示傳完當前目標幀m需要的時間:

Tm＝Bm/RD2D

其中Bm表示第m幀包含的總比特數bits；RD2D表示D2D通信時的傳輸速率bit/s。

6)若有足夠的時間傳輸下一目標幀，則按照5)中的速率進行D2D通信。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。