无线异构环境下混合数模视频传输机制研究

Recently, mobile video traffic is growing rapidly, which has brought great pressure on wireless transmission. As a result, new efficient transmission mechanisms are desperately needed for video. Hybrid Digital-Analog (HDA) video transmission has attracted wide attention for its ability to eliminate cliff effect in traditional digital transmission and achieve efficient and robust video transmission. In this project, we attempt to solve the key theoretical and technical problems when performing HDA video transmission in wireless heterogeneous environments, including the theoretical distortion bound problem, digital-analog joint resource allocation problem and heterogeneous mobile terminal problem. Firstly, an achievable distortion region is used to characterize the theoretical distortion bound, which also conducts the optimal resource allocation. Secondly, considering bandwidth diversity in wireless heterogeneous environments, we study the digital-analog joint resource distortion optimization techniques in case of bandwidth expansion as well as bandwidth compression. Furthermore, we study the solutions to the heterogeneous mobile terminal problem. Combining source processing and resource allocation, we can achieve efficient and robust video transmission when mobile terminals with different resolution and different number of antennas are involved. Finally, we will implement an HDA video transmission based test-bed to validate our results. The results from this project will be applied to alleviate pressure on wireless transmission that is brought from growing mobile video traffic, as well as improve video experience for users with heterogeneous mobile terminals.

近年来，移动视频业务增长迅猛，给无线传输带来了巨大的压力，迫切需要新的面向视频的高效传输机制。混合数模视频传输由于消除了传统数字传输的悬崖效应，能够实现高效稳健视频传输而引起了广泛的关注。本项目研究试图解决混合数模视频传输在无线异构环境下所面临的关键理论和技术问题，包括失真性能理论界问题、数模联合资源分配问题以及异构移动终端问题。首先研究使用可获得失真区域来刻画混合数模视频传输失真性能理论界，以此来指导最优的资源分配。其次，考虑到无线异构环境下带宽的多样性，研究带宽扩展和带宽压缩场景下的数模联合资源失真优化技术。进一步地，研究异构接收用户的处理方法，结合信源处理和资源分配来解决针对分辨率和天线数量异构移动终端的高效稳健视频传输问题。最后，建立混合数模视频传输试验平台对研究成果进行验证。本项目研究成果将用于缓解不断增长的移动视频业务给无线传输带来的压力，提高使用异构移动终端的用户的视频体验

混合数模视频传输同时利用数字传输和伪模拟传输的优势，有效提升了异构环境下视频传输性能。本项目围绕这一新的传输方式在失真理论分析、资源分配、异构性处理等方面展开研究，主要成果包括：1）基于标量量化的混合数模视频传输方案，在发送端仅知道统计信道状态信息的情况下，得到了数字分量和模拟分量在中断以及非中断下的失真表达。在此基础上，以最小化重建失真为目标，在带宽压缩和带宽扩展的场景下，提出了码率分配和资源分配优化算法，来回答如何在数字分量和模拟分量间分割视频信源和分配无线资源这两个关键问题。2）混合数模视频传输的异构性适应能力来自于伪模拟传输，因此主要关注了与伪模拟传输相结合的资源分配和异构处理方案算法。首先，针对带宽受限场景下遥感图像传输问题，设计了基于压缩感知的伪模拟传输方案，构建了关于带宽和功率的系统失真最小化问题，提出了基于两步资源分配的低复杂度求解算法；其次，针对伪模拟广播下的多用户分辨率异构问题，设计了一种空域分解方法以支持多用户差异化的分辨率请求，构建了基于载波匹配与功率分配的失真最小化问题，提出了基于交替优化的求解算法；最后，设计了基于大规模天线阵列毫米波的伪模拟传输方案，并提出了动态信道下数据块调度算法和考虑路径匹配与功率分配算法来获得最优性能。3）将混合数模视频传输应用到地面卫星融合组播网络，设计了结合伪模拟传输和非正交接入技术的传输框架，提出了视频数据功率分配和数据块调度联合算法来最小化失真。本项目研究成果将推动混合数模视频传输技术在泛在异构无线环境中的应用，在提高资源利用效率的同时提升了用户体验。在项目执行期间，建立了基于USRP的混合数模视频传输试验平台，发表（含在线发表）IEEE期刊论文22篇，IEEE INFOCOM、IEEE GLOBECOM、IEEE ICC等主流国际会议论文15篇，获得IEEE GLOBECOM 2021 Best Paper Award以及2020年度AItrans智能网络技术挑战赛三等奖。