移动边缘网络中面向VR的多用户协作传输与资源分配算法研究

作     者：申珩 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李曦

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：虚拟现实 移动边缘计算 协作传输 资源分配 

摘      要：为了应对通信网络中爆炸式增长的移动应用数量,移动边缘网络通过将计算和存储资源放置在更加接近用户的网络边缘,为接入的移动终端提供计算卸载服务,有效缓解终端设备的计算压力并降低时延,支持虚拟现实(Virtual Reality,VR)等更多计算密集型与时延敏感型应用的发展。VR技术通过提供沉浸式的交互体验,在办公、教育、工业生产等多个领域有着广泛应用前景。为了更好的支持VR应用并有效缓解移动VR设备的渲染计算压力,通常将有着较大数据量的高清360度全景视野数据卸载到移动边缘服务器。然而在多用户VR场景中,大量有着高同步性需求的视野数据渲染任务同时卸载到移动边缘服务器上,将会消耗许多计算与通信资源,为移动边缘网络带来较大的压力。因此,如何在严格的时延要求下,利用有限的计算与通信资源完成VR视野数据的渲染与传输,将会是面向多用户VR场景的移动边缘网络中亟待解决的问题。本文围绕面向多用户VR场景的移动边缘网络中视野数据在严格时延要求下的卸载与传输需求,针对临近用户视野可以部分共享以及合成的特性,提出了基于分层渲染与视野合成技术的协作传输与资源分配算法。此外,本文还探讨了用户随机移动时,基于预渲染策略下计算与通信资源的分配与优化。具体来说,本文的主要工作与创新成果分为以下两部分:在移动边缘网络中,本文研究了多用户VR场景中用户视野数据的卸载计算问题,提出了一种基于视野合成的协作传输与资源分配策略,通过将部分用户视野合成实现,降低了服务器所需计算的总数据量。本文首先对用户物理位置与视野位置进行建模,并按照用户信道相关性进行聚类,区分出需要协作的用户。考虑到用户在虚拟现实中位置与现实世界中位置并不匹配,虚拟世界中可用于合成的周围用户视野有可能在现实世界中难以获取得到,本文将协作用户与提供视野数据的用户进行匹配,抽象为一个最大化用户虚拟视野距离增量的整数规划问题并求解。在得到用户视野匹配的最优策略后,本文将移动边缘网络中远景视野的传输过程建模为一个最大化最小用户数据吞吐量的多目标非凸优化问题,分为两个阶段,第一阶段基站向用户传输共享远景视野,第二阶段匹配用户之间通过基站分配的协作传输信道来传输合成视野。为了求解该问题,提出了一种高效的基于块坐标下降与半定松弛转换的迭代算法。仿真结果表明,所提算法能够实现高效的用户聚类匹配,提高用户最小传输数据吞吐量。针对多基站多用户VR场景中用户移动导致的服务中断问题,本文提出了一种基于预渲染的移动VR用户间协作传输策略。本文假设用户以一定的概率进入或者离开基站服务范围,并基于此对用户进行分类建模。针对可能进入基站服务范围以及始终在小区内部的两类用户,基站将会预渲染其所需视野数据。在实际传输阶段,基站基于接收信号功率可以获知实际进入或者离开基站服务范围的用户。考虑到对没有实际进入基站服务范围的用户视野数据的预渲染会额外消耗计算资源,本文推导并定义了预测损失因子,并将预渲染过程建模为一个最小化预测损失因子的问题,优化计算资源分配。而对于没有真正离开基站服务范围的用户,周围用户通过协作传输的方式共享远景视野的低分辨率转码数据。本文将整个基于预渲染的协作传输过程建模为一个多变量时延最小化问题,其中基站以频分复用的方式同时支持下行视野数据传输与用户间视野数据传输。为了求解该问题,提出了一种基于块坐标下降与连续凸逼近的迭代求解算法。仿真结果显示,在用户不同的进入/离开基站服务范围概率下,所提方案可以降低视野数据渲染传输的平均时延,并提高计算资源利用效率。