[論文レビュー] Multi-Quality Multicast Beamforming based on Scalable Video Coding

Chengjun Guo, Ying Cui+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2016

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、スケーラブルビデオコーディング（SVC）を用いたレイヤー基準および品質基準のマルチクオリティキャスティングビームフォーミング方式を提案し、マルチアンテナシステムにおける送信電力の最小化を目的としている。スーパポジションコーディングと逐次干渉キャンセレーションを活用することで、特殊ケースではグローバル最適解を達成し、一般ケースでは局所最適解を達成する。品質基準方式は、計算量が低く、レイヤー基準方式と同一の最小電力性能を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we consider multi-quality multicast beamforming of a video stream from a multi-antenna base station (BS) to multiple single-antenna users receiving different qualities of the same video stream, via scalable video coding (SVC). Leveraging the layered structure of SVC and exploiting superposition coding (SC) as well as successive interference cancelation (SIC), we propose a layer-based multi-quality multicast beamforming scheme. To reduce the complexity, we also propose a quality-based multi-quality multicast beamforming scheme, which further utilizes the layered structure of SVC and quality information of all users. Under each scheme, for given quality requirements of all users, we formulate the corresponding optimal beamforming design as a non-convex power minimization problem, and obtain a globally optimal solution for a class of special cases as well as a locally optimal solution for the general case. Then, we show that the minimum total transmission power of the quality-based power minimization problem is the same as that of the layer-based power minimization problem, although the former incurs a lower computational complexity. Next, we consider the optimal joint layer selection and quality-based multi quality multicast beamforming design to maximize the total utility representing the satisfaction with the received video quality for all users under a given maximum transmission power budget, which is NP-hard in general. By exploiting the optimal solution of the quality-based power minimization problem, we develop a greedy algorithm to obtain a near optimal solution. Finally, numerical results show that the proposed solutions achieve better performance than existing solutions.

研究の動機と目的

• 異なるチャネル状態を有するユーザ環境における従来のマルチキャストビームフォーミングの高いエネルギーコストを低減すること。
• スケーラブルビデオコーディング（SVC）とマルチアンテナビームフォーミングを用いて、異なるチャネル品質を持つユーザに対してマルチクオリティビデオ配信を可能にすること。
• ビームフォーミング最適化を用いて、個々のユーザのクオリティ要件を満たす条件下で、合計送信電力を最小化すること。
• 固定の電力予算下で、レイヤー選択とビームフォーミングを共同最適化することにより、システムのユーティリティ（ユーザ満足度）を最大化すること。
• より複雑な手法と同等の性能を達成しながら、計算負荷を低減する低複雑性アルゴリズムの開発

提案手法

• SVCの階層的構造とスーパポジションコーディング（SC）を活用するレイヤー基準ビームフォーミング方式を提案し、異なるビデオレイヤーを復元するユーザをサポートする。
• レイヤーインデックスではなくユーザのクオリティ要件を用いる品質基準ビームフォーミング方式を導入し、複雑さを低減しながら性能を維持する。
• 電力最小化問題を非凸最適化問題として定式化し、半定値緩和（SDR）とガウスノイズ乱数化を用いて解く。
• 構造的解析とSDR技術を用いて、特殊ケースではグローバル最適解、一般ケースでは局所最適解を導出する。
• 電力予算下での総ユーティリティを最大化するための、レイヤー選択とビームフォーミングの共同最適化に向けたグリーディアルゴリズムを提案。品質基準電力最小化問題の最適解を活用する。
• 解析的に、品質基準方式とレイヤー基準方式の最小電力要件が同一であることを証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 品質基準ビームフォーミング方式は、計算量を低減しながらも、レイヤー基準方式と同等の最小送信電力を達成できるか？
• RQ2 マルチアンテナシステムにおけるマルチクオリティビデオマルチキャストを最適化することで、合計電力を最小化し、ユーザ固有のクオリティ要件を満たすことは可能か？
• RQ3 ユーザのチャネル品質の不均一性は、SVCベースのマルチキャストにおける効率的なビームフォーミング戦略の設計にどのような影響を与えるか？
• RQ4 固定の電力予算下で、レイヤー選択とビームフォーミングの共同最適化により、ユーザ満足度を最大化する方法は何か？
• RQ5 最小電力消費という観点から、品質基準方式とレイヤー基準方式の間で、性能の同等性が解析的に保証されるか？

主な発見

• 品質基準ビームフォーミング方式は、計算量が低いにもかかわらず、レイヤー基準方式と同一の最小合計送信電力を達成する。
• 特殊ケースのクラスにおいて、提案されたビームフォーミング設計はグローバル最適解を達成する。一般ケースでは、SDRとガウスノイズ乱数化を用いて局所最適解が得られる。
• 電力予算下でのNP困難なユーティリティ最大化問題に対して、レイヤー選択とビームフォーミングの共同最適化に向けたグリーディアルゴリズムが、近似的に最適な解を提供する。
• 数値結果により、提案手法が、電力効率およびシステムユーティリティの両面で従来手法を上回ることが確認された。
• 理論的解析により、最適な電力消費量がビームフォーミング定式化の選択（レイヤー基準対品質基準）に依存しないことが証明され、品質基準方式の有効性が裏付けられた。
• 性能向上は、スーパポジションコーディングと逐次干渉キャンセレーションを用いたSVCの階層的構造およびマルチアンテナビームフォーミングの利点の効果的な活用に起因する。