一种基于可见光通信的全息视频协作传输方法技术

本发明专利技术涉及一种基于可见光通信的全息视频协作传输方法，属于光通信和全息视频技术领域。该方法包括：S1：构建基于可见光通信的全息视频协作传输系统；S2：在满足码率选择、波束成形和信道容量的约束条件下，构建联合优化码率选择变量和波束成形变量的优化问题，最大化全息视频协作传输服务的用户体验质量；S3：将整数变量即码率选择变量松弛为连续变量，从而将问题转换为松弛后的优化问题；S4：针对松弛后的优化问题，采用交替优化迭代算法得到低复杂度连续解；S5：基于步骤S4得到的连续解，采用取整操作，得到面向全息视频协作传输系统的联合码率选择和波束成形方法。本发明专利技术能提高全息视频协作传输系统的用户体验质量性能。频协作传输系统的用户体验质量性能。频协作传输系统的用户体验质量性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于可见光通信的全息视频协作传输方法


[0001]本专利技术属于光通信和全息视频
，涉及一种基于可见光通信的全息视频协作传输方法。

技术介绍

[0002]随着无线通信、增强现实以及虚拟现实技术的发展，网络和内容提供商现在为用户提供三个自由度(3
‑
DoF)的视频内容访问，通常称为全景视频。通过使用头戴式显示器和智能手机等智能设备，用户可以沉浸在虚拟环境中，并通过改变观看方向(例如，向上、向下或向左、向右)与内容进行交互。但是，全景视频有一个局限性，用户无法在虚拟环境中自由移动，降低了整体的沉浸感，相比之下，全息视频提供了更具沉浸感的6自由度观看体验，使用户能够在物理上改变他们的位置和视角。但是全息视频的高自由度会产生大量需要传输的数据，为了解决这个问题，一种方法是提高信道容量，另一种方法是降低数据速率要求。
[0003]为了提高信道容量，可以综合采用一些先进的通信技术，如可见光通信、协作多点(CoMP)和波束成形技术。可见光通信由于其丰富且无需许可证的光谱资源，已被公认为基于射频网络的补充技术，适用于视频流等高数据速率应用。CoMP和波束成形可以通过不同的方法提高信道容量，前者协调来自多个可见光通信基站的数据传输，后者将信号定向给用户并有效利用通信资源。为了降低视频流对数据速率的要求，一些研究提出了将视频分割成若干块，只传输用户感兴趣的块，并优化各块的码率分配或有效利用通信资源。
[0004]已有的研究包括集成CoMP和波束成形以提高信道容量，通过研究波束成形来提高传统视频流的用户体验质量，研究联合码率选择和资源分配来提高传统视频流的用户体验质量，研究全景视频流的资源分配和联合码率选择及资源分配等，但上述研究获得的结果与任何视频特征(如显著性)均无关，已有工作进一步研究了全景视频显著性对用户体验质量的影响，也有研究将其推广到全息视频场景，提出了基于显著性的码率选择方案来最大化用户体验质量。但现有工作的成果大多局限于资源有限的基于射频的无线网络，该网络在提高用户体验质量性能方面有很大的空间。因此亟需一种基于可见光通信的全息视频协作传输系统及方法来提高用户体验质量性能。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于可见光通信的全息视频协作传输方法，在码率选择，波束成形及信道容量约束下，最大化全息视频用户体验质量。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种基于可见光通信的全息视频协作传输方法，具体包括以下步骤：
[0008]S1：构建基于可见光通信的全息视频协作传输系统，包括一个全息视频存储服务器、多个可见光通信基站和多个移动用户，并且全体可见光通信基站能够使用协作多点传输技术和波束成形技术为所有用户同时提供视频传输服务；
[0009]S2：在满足码率选择、波束成形和信道容量的约束条件下，构建联合优化码率选择
变量和波束成形变量的优化问题P1，该优化问题的目标是最大化全息视频协作传输服务的用户体验质量；
[0010]S3：将整数变量(即码率选择变量)松弛为连续变量，从而将优化问题P1转换为松弛后的优化问题P2；
[0011]S4：针对松弛后的优化问题P2，采用基于交替优化技术的迭代算法，将优化问题P2转换为两个子问题P3和P4来优化码率选择变量和波束成形变量，从而得到低复杂度连续解；
[0012]S5：基于步骤S4得到的连续解，采用取整操作，得到面向全息视频协作传输系统的联合码率选择和波束成形方法。
[0013]进一步，步骤S1具体包括：构建一个基于可见光通信的全息视频协作传输系统，该系统包括一个全息视频存储服务器、N个可见光通信基站和K个移动用户，分别用和来表示，并且全体可见光通信基站能够使用协作多点传输技术和波束成形技术为所有用户同时提供视频传输服务；全息视频存储服务器描绘房间中3D对象的全息视频，并通过高速低延迟的回程链路(如光纤)连接到可见光通信基站；用户佩戴无线头戴式显示器设备，通过可见光通信基站传输来自存储服务器的全息视频。
[0014]进一步，步骤S2中，构建的联合优化码率选择变量和波束成形变量的优化问题P1的数学模型为：
[0015][0016][0017][0018][0019][0020]其中，约束C1表明用户视野内传输的3D块的码率选择，约束C2表明不在用户视野内的3D块不进行传输，C3表示波束成形时的功率约束，C4表示信道容量的约束条件；Q(b)表示全息视频的用户体验质量效用函数，b表示码率选择变量，w表示波束成形变量；b
t,k
表示用户k关心的第t个3D块的码率选择，代表视频码率集合，μ
l
(单位为bps)表示质量等级为l的3D块的码率，且μ1≤μ2≤
…
≤μ
L
，集合表示质量等级；表示3D块集合，T表示全息视频被分割成T个立方体即3D块；在传输时，只传输每个用户视野内的3D块，表示用户k的视野内的3D块集合；表示第k个用户在第n个可见光通信基站的传输波束成形器，P
n
表示第n个可见光通信基站的最大传输功率(单位为Watt)；C
k
(w)表示第k个用户信道容量。
[0021]进一步，步骤S2中，全息视频的用户体验质量效用函数Q(b)的表达式为：
[0022][0023]其中，δ
t,k
∈[0,1]是第t个3D块的显著性得分，且对于所有用户均有D
t,k
表示第k个用户和第t个3D块之间的距离，α、β和γ是一些正常数。
[0024]进一步，步骤S3中，松弛后的优化问题P2的数学模型为：
[0025][0026]进一步，步骤S4中，基于交替优化技术的迭代算法具体为：将码率选择变量b和波束成形变量w在每次迭代中交替优化，用i来表示迭代索引，i＝0,1,2,
…
，在第i次迭代中，通过求解两个子问题P3和P4来优化w和b，子问题P3和P4的数学模型为：
[0027][0028]s.t.C3
[0029][0030][0031]s.t.C2,C5
[0032][0033]用(w
(i+1)
,b
(i+1)
)来表示第i次迭代的解，由于P3和P4均为凸可行性问题，因此可以用内点法得到这两个子问题的最优解；采取低复杂度的迭代算法计算问题P2可以得到松弛问题的低复杂度连续解，由于w
(i+1)
和b
(i+1)
的最优性，问题P2的序列将收敛到一个静止点，用(w
*
,b
*
)来表示。
[0034]进一步，步骤S5中，对静止点(w
*
,b
*
)采用一种适当的取整操作，具体是：对于每一个用户根据3D块是否在视野内来设置可行的码率的值，然后对码率序列进行升序排序，进而形成一个有序序列，最后根据排序的码率和在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可见光通信的全息视频协作传输方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：S1：构建基于可见光通信的全息视频协作传输系统，包括一个全息视频存储服务器、多个可见光通信基站和多个移动用户，并且全体可见光通信基站使用协作多点传输技术和波束成形技术为所有用户同时提供视频传输服务；S2：在满足码率选择、波束成形和信道容量的约束条件下，构建联合优化码率选择变量和波束成形变量的优化问题P1，该优化问题的目标是最大化全息视频协作传输服务的用户体验质量；S3：将整数变量即码率选择变量松弛为连续变量，从而将优化问题P1转换为松弛后的优化问题P2；S4：针对松弛后的优化问题P2，采用基于交替优化技术的迭代算法，将优化问题P2转换为两个子问题P3和P4来优化码率选择变量和波束成形变量，从而得到低复杂度连续解；S5：基于步骤S4得到的连续解，采用取整操作，得到面向全息视频协作传输系统的联合码率选择和波束成形方法。2.根据权利要求1所述的全息视频协作传输方法，其特征在于，步骤S1具体包括：构建一个基于可见光通信的全息视频协作传输系统，该系统包括一个全息视频存储服务器、N个可见光通信基站和K个移动用户，分别用和来表示，并且全体可见光通信基站能够使用协作多点传输技术和波束成形技术为所有用户同时提供视频传输服务；全息视频存储服务器描绘房间中3D对象的全息视频，并通过高速低延迟的回程链路连接到可见光通信基站；用户佩戴无线头戴式显示器设备，通过可见光通信基站传输来自存储服务器的全息视频。3.根据权利要求2所述的全息视频协作传输方法，其特征在于，步骤S2中，构建的联合优化码率选择变量和波束成形变量的优化问题P1的数学模型为：优化码率选择变量和波束成形变量的优化问题P1的数学模型为：优化码率选择变量和波束成形变量的优化问题P1的数学模型为：优化码率选择变量和波束成形变量的优化问题P1的数学模型为：优化码率选择变量和波束成形变量的优化问题P1的数学模型为：其中，约束C1表明用户视野内传输的3D块的码率选择，约束C2表明不在用户视野内的3D块不进行传输，C3表示波束成形时的功率约束，C4表示信道容量的约束条件；Q(b)表示全息视频的用户体验质量效用函数，b表示码率选择变量，w表示波束成形变量；b
t,k
表示用户k关心的第t个3D块的码率选择，代表视频码率集合，μ
l
表示质量等级为l的3D块的码...

【专利技术属性】
技术研发人员：温万里，张雨璐，陈晨，贾云健，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：