具有延迟约束的无线网络资源控制机制研究

目前，无线网络越来越多地被用来承载延迟敏感业务，包括面向音视频等的流媒体业务、实时控制系统中的信息传输与中继业务等，对于这些业务来说，延迟成为决定无线网络资源控制机制有效性的一个关键性的约束。本项目将研究具有延迟约束的无线网络资源控制机制，力图在给定资源约束下，为应用提供统计服务质量（Statistic QoS）保证,以更加有效地利用动态无线网络的资源。这是一个新兴的研究领域，同时也是无线网络业务发展的迫切需求，需要新的理论和方法。主要研究内容包括：创新性地建立具有延迟约束的无线网络队列分析模型，在此基础上研究有效的资源控制优化机制，包括调度优化、功率控制优化及网络编码等，并且考虑这些机制之间的联合优化。针对视频流等具体延迟约束应用，首次建立基于内容结构的性能衡量模型，进行理论分析。最终形成有学术价值和应用潜力的理论和算法。

随着宽带无线接入技术快速发展和智能移动设备的普及，视频等延迟约束应用产生的业务增长显著，并且已经成为无线业务的主流。本项目研究针对延迟约束应用的无线网络资控制机制，即在给定功率、带宽等资源约束下，最大化延迟约束应用的服务质量。主要的研究成果包括：在队列分析模型方面，我们首先建立了面向多媒体业务的服务质量队列分析模型。我们考虑多媒体业务的自相似特性并且从队列理论的角度提出了一个应用于可变容量无线网络的有效分析模型，得到了队列延迟尾分布等服务质量度量的表达式，这些结果可以为资源分配优化提供有效的依据。其次，在队列分析的基础上，我们提出了一种无线环境下具有延迟约束的队列管理机制。在资源控制优化机制方面，我们首先在队列分析的基础上，考虑业务的延迟约束，给出了时变信道下多用户系统的有效容量表达，提出基于有效容量的多用户功率分配算法（MPAS）。其次，在用户信道异构的无线多播通信系统中，结合网络编码来提高数据传输效率，提出了一种基于信道预测的多播速率选择算法（MDCP）来最小化传输延迟，同时，还提出了适用于双源可靠组播的静态和动态交替调度算法，该算法通过交替传输编码数据包，可充分挖掘组播成员到不同源节点链路质量的差异性。最后，考虑到无线网络中分组大小对传输延迟的影响，提出了基于分组大小调整的传输延迟优化机制。在视频流等延迟约束应用方面，考虑到具体视频编码结构，研究最小化失真的资源控制优化机制。首先，提出了一种内容感知的分组打包策略来增强已编码H.264视频流在无线网络中的传输性能。其次，在所提出的分组级别视频传输失真衡量模型的基础上，我们提出了一种基于梯度的失真和延迟感知视频分组调度算法。最后，提出了一种自适应混合数模视频传输方法（A-HDAVT），该方法同时利用了数字和模拟传输的优点，通过基于信道预测的自适应功率失真优化来提高无线衰落信道下的传输性能。