一种多用户协作博弈的视频机会传输路由算法-吴红海，马华红，邢玲，郑国强.pdf

上善若水

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2022-05-24

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软件学报 ISSN 1000-9825, CODEN RUXUEW E-mail: jos@iscas.ac.cn

Journal of Software,2020,31(12):3937−3949 [doi: 10.13328/j.cnki.jos.005857] http://www.jos.org.cn

一种多用户协作博弈的视频机会传输路由算法

∗

吴红海

1,2

马华红

邢

玲

郑国强

(河南科技大学信息工程学院,河南洛阳 471023)

(河南科技大学控制与科学博士后流动站,河南洛阳 471023)

通讯作者: 吴红海, E-mail: honghai2018@haust.ed u.cn

摘要: 移动用户间日益普及的视频数据传输,使得传统无线通信网络上的流量爆炸性增长问题变得愈发严重,

而基于 D2D 通信的数据机会传输被认为是能够实现数据卸载的有效方法.然而在移动机会网络中,数据传输主要通

过数据复制和机会转发而实现.为了获得较高的投递率和较低的投递时延,数据复制往往被过度使用,冗余的数据包

不仅会消耗大量的设备和网络资源,还会增加网络的传输负载,降低网络性能.对于视频数据传输,由于其较强的持

续性和远高于一般标量数据的数据量,该问题会更加突出.因此,基于多人协作博弈,提出了一种面向视频传输质量

的机会路由算法 VOR-MG,实现对视频传输质量和传输开销的优化.具体来讲,首先建立视频数据包的边缘质量增益

模型,然后把多用户相遇时的视频数据传输建模为一个多用户协作博弈,最后,基于其纳什最优解来对每个视频数据

包的复制或者转发进行决策,从而保证在视频传输质量最优的情况下,使得网络中的视频数据包备份个数最少.基于

合成数据集和真实数据集的仿真结果表明:其视频传输质量比对比算法高出 1 dB~2dB,但是平均最大数据包备份数

仅为同类算法的 25%左右.

关键词: 数据卸载;移动机会网络;视频传输;路由算法;备份控制;多用户协作博弈

中图法分类号: TP393

中文引用格式: 吴红海, 马华红, 邢玲,郑国强.一种多用户协作博弈的视频机会传输路由算法. 软件学报,2020,31(12 ):

3937−3949. http ://www.jos.org.cn/1000-9825/5857.htm

英文引用格式: Wu HH, Ma HH, Xing L, Zheng GQ. Routing algorithm for video opportunistic transmission based on multi-

player cooperative game. Ruan Jian Xue Bao/Journal of Software, 2020,31(12):3937−3949 (in Chinese). http:// www. jos.org .cn/

1000-9825/5857.ht m

Routing Algorithm for Video Opportunistic Transmission Based on Multi-player Cooperative

Game

WU Hong-Hai

1,2

, MA Hua-Hong

, XING Ling

, ZHENG Guo-Qiang

(School of Information Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

(Postdoctoral Research Station of Control Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023,

China)

Abstra ct : The increasing popularity of video delivery among mobile users makes the problem of explosive traffic growth becoming

more and more serious for traditional wireless networks, and video transmission based on D2D (device-to-device) communication through

MONs (mobile opportunisti c networks) is regarded as an ideal way to resolve this issue. However, data transmission in MONs is mainly

through the two ways: data r eplication and d ata forwarding. Thus, to achieve high delivery r atio and lo w delivery delay, data replication is

∗ 基金项目: 国家自然科学基金(61772175, 61771185, 61701172); 河南省科技攻关项目(182102210285, 182102210044); 河南省

高等学校重点科研项目(17A520005, 18A510009)

Foundation item: National Natural Science Foundation of China (61772175, 61771185, 61701172); Science and Technology

Research Project of Henan Province (182102210285, 182102210044); Key Science and Research Program in University of Henan

Province (17A520005, 18A510009)

收稿时间: 2018-06-08; 修改时间: 2019-03-04; 采用时间: 2019-04-27

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Journal of Software 软件学报 Vol.31, No.12, December 2020

usually excessively exploited, and the large nu mber of redundant replicas will not onl y consume larg e amount of nodal resource but also

greatly increase the overlo ad of n etworks. For vid eo tr ansmission, th is issue becomes more sev ere for i ts volu me and continuit y. Thus, this

study proposes a novel routing scheme for video data transmission in MONs, based on multi-player cooperative game, which can

maximize the quality of reconstructed video data while minimizing the overhead of nodal and network resources. Specifically, the

marginal gain model is first constructed for video delivery quality, and then the video data transmission is modeled among multiple

encounters as a multi-player cooperative game. Under the guidance of Nash equilibrium theory, the video data carried by these

encountering nodes is adaptively and optimally re-assigned among them. Extensive simulations based on real-life mobility traces and

synthetic traces have v alidated th e effectiveness of the pr oposed routing algorith m.

Key words: data offloading; mobile opportunistic networks; video transmission; routing algorithm; replication control; multi-player

cooperative game

微电子和无线通信技术的飞速发展,使得智能终端设备在近 10 年间得以快速普及,而其内嵌的各种传感设

备也赋予了人们对外部环境进行视频感知的能力.同时,受益于移动互联网的快速发展,视频数据可以随时随地

在用户间进行分享,并能够给用户提供各种应用和服务

[1−5]

.但是,移动设备的激增带来了移动数据流量的爆炸

式增长,而其中视频数据占据了很大比重,依据思科的预测,该数值在 2018 年末将达到 84%

[6]

.然而移动数据流

量主要通过移动蜂窝网络(3G/4G,LTE)进行传输,尽管移动通信技术在最近几年得以长足发展,但其仍然无法满

足海量的数据流在传输速率和网络容量等方面对网络的需求

[7]

把需要通过移动蜂窝网络进行传输的移动数据流通过其他辅助的网络和手段进行传输和分流,称之为移

动数据卸载(mobile data offloading).目前,移动数据卸载被认为是能够解决上述困境的最有效的方法

[8−10]

.Wi-Fi

热点常被用来作为移动蜂窝网络的辅助手段进行数据传输,但由于部署成本和传输距离等因素,其很难在一个

广域的范围内组成一个全覆盖的无线网络提供数据传输服务.因此,如何进行便捷、高效的移动数据卸载,尤其

是视频数据卸载,已成为当前学术界和工业界广泛关注的一个问题.针对该问题,本文提出通过移动机会网络,

基于用户间的机会传输进行视频数据卸载.图 1 给出了一个具体的应用实例.在城市区域,移动用户和配置智能

终端的车辆组成一个机会网络.用户 A 可以充分利用设备间的机会接触,通过无线多跳的方式把视频数据投递

给用户 B,而不是通过移动蜂窝网络进行数据传输.这样,通过一系列有序的 D2D( device -to-de vice)数据通信,成

功实现对蜂窝网络的视频数据卸载.

Fig.1 E xampl e of vide o data offloading thr ough mobi le oppo rtuni stic net works

图 1 视频数据通过机会传输实现流量卸载示例

尽管上述方法能够有效实现数据卸载,但视频数据通过移动机会网络进行传输时仍面临两个挑战性问题.

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