[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种基于层级的多质量广播波束成形方案和一种基于质量的多质量广播波束成形方案，利用可伸缩视频编码（SVC）以最小化多天线系统中的传输功率。通过利用叠加编码和连续干扰消除，该方案在特殊情况下实现了全局最优解，在一般情况下实现了局部最优解，且基于质量的方法在保持最低功率的同时具有更低的复杂度。

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.

研究动机与目标

• 解决在用户信道条件各异的异构用户环境中，传统广播波束成形带来的高能耗问题。
• 通过可伸缩视频编码（SVC）与多天线波束成形，实现对不同信道质量用户的支持，提供多质量视频传输。
• 在满足各用户质量要求的前提下，通过波束成形优化最小化总传输功率。
• 在固定功率预算下，通过联合优化层级选择与波束成形，最大化系统效用（用户满意度）。
• 设计低复杂度算法，在保持高性能的同时降低计算负载，与更复杂方案性能相当。

提出的方法

• 提出一种基于层级的波束成形方案，利用SVC的分层结构与叠加编码（SC），支持用户解码不同视频层级。
• 引入一种基于质量的波束成形方案，使用用户质量需求而非层级索引，降低复杂度的同时保持性能不变。
• 将功率最小化问题建模为非凸优化问题，通过半定松弛（SDR）与高斯随机化方法求解。
• 通过结构分析与SDR技术，推导出特殊情况下全局最优解，一般情况下获得局部最优解。
• 设计一种贪心算法，联合优化层级选择与波束成形，以在功率预算下最大化总效用，利用基于质量的功率最小化问题的最优解。
• 通过理论分析证明，基于质量的方案与基于层级的方案所需的最小功率完全相同，尽管复杂度不同。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于质量的波束成形方法是否能在降低计算复杂度的同时，实现与基于层级的方法相同的最小传输功率？
• RQ2 在多天线系统中，如何优化多质量视频广播，以在满足用户特定质量要求的前提下最小化总功率？
• RQ3 用户信道质量异质性对基于SVC的广播中高效波束成形策略设计有何影响？
• RQ4 如何通过联合优化层级选择与波束成形，在固定功率预算下最大化用户满意度？
• RQ5 在最小功率消耗方面，基于质量的波束成形方案与基于层级的方案是否存在可证明的性能等价性？

主要发现

• 基于质量的波束成形方案在计算复杂度更低的情况下，实现了与基于层级方案相同的最小总传输功率。
• 对于一类特殊情形，所提出的波束成形设计可获得全局最优解；对于一般情形，通过SDR与高斯随机化方法获得局部最优解。
• 用于联合层级选择与波束成形设计的贪心算法，为具有功率预算的NP难效用最大化问题提供了近似最优解。
• 数值结果表明，所提方案在功率效率与系统效用方面均优于现有方案。
• 理论分析证明，最优功率消耗与波束成形方案形式（基于层级 vs. 基于质量）无关，验证了基于质量方法的高效性。
• 性能增益源于通过叠加编码与连续干扰消除，有效利用了SVC的分层结构与多天线波束成形增益。