基于M-QAM和UEP的無線可伸縮視頻聯(lián)合優(yōu)化傳輸

　　摘 要：可伸縮視頻編碼可以根據(jù)信道波動(dòng)的情況傳輸部分碼流獲取較低的視頻質(zhì)量以適應(yīng)無線信道的波動(dòng)。在滿足信道傳輸速率的約束條件下，給出了率失真意義下聯(lián)合優(yōu)化多進(jìn)制正交調(diào)幅子信道分配、可伸縮視頻編碼的傳輸層致以及各層的信道編碼保護(hù)級別的視頻傳輸算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在加性高斯白噪聲信道下，與等重保護(hù)且不考慮多進(jìn)制正交調(diào)幅子信道差異的機(jī)制相比，該傳輸方案能夠取得平均1．5～2 dB的解碼增益，顯著提高了可伸縮視頻碼流無線傳精的魯棒性。

　　關(guān)鍵詞：可伸縮視頻編碼；非等重錯(cuò)誤保護(hù)；多進(jìn)制正交調(diào)幅；碼率兼容刪除卷積碼

　　隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對無線媒體業(yè)務(wù)的需求正在快速增長。為了解決無線視頻傳輸的抗誤碼性能問題，研究人員提出了許多容錯(cuò)的信源信道編碼技術(shù)。為了適應(yīng)信道的時(shí)變特性，人們提出了可伸縮視頻編碼方法。可伸縮視頻編碼生成多層碼流，傳輸?shù)膶訑?shù)越多，解碼的視頻質(zhì)量越好。這使得可伸縮視頻編碼成為解決適應(yīng)信道波動(dòng)和終端處理能力異構(gòu)的有效手段。為了實(shí)現(xiàn)良好的容錯(cuò)性能和較高的編碼效率，視頻比特流不同部分重要性不同，對重要部分的優(yōu)先保護(hù)稱為非等重錯(cuò)誤保護(hù)(unequal error protection，UEP)。

　　多進(jìn)制正交調(diào)幅(mulriple quadratureamplitude modulation，M-QAM)星座信號點(diǎn)不同比特位置具有不同的抗噪性能，可在不增加信道帶寬的前提下提供不等的錯(cuò)誤保護(hù)能力，提高視頻傳輸?shù)聂敯粜浴?/P>

　　考慮信道編碼能夠在惡劣的信道條件下提供良好的保護(hù)能力，本文提出了一種在M-QAM不同的子信道具有不同的信道容量的約束下，聯(lián)合優(yōu)化選擇可伸縮視頻編碼的傳輸層數(shù)，各層的前向糾錯(cuò)編碼保護(hù)級別的率失真優(yōu)化算法。

　　l M-QAM不同等級的子信道劃分

　　目前，許多不同的星座已經(jīng)被采用，對于高斯信道，圖1的方形星座是最優(yōu)的，相對于星形星座，在同樣的平均信號功率的下，方形星座的平均最小距離比星形星座大20％。

　　不同的M進(jìn)制QAM有不同的分區(qū)方法，這里給出16-QAM、64-QAM和256QAM的分區(qū)方法。對于16-QAM中每個(gè)信號點(diǎn)相關(guān)的二進(jìn)制碼字采用Gray編碼。16-QAM形成2種不同等級的子信道。對于I相位和Q相位的4位碼字i1、q1、i2、q2的2個(gè)最重要的比特位i1、q1，50 %的情況下判決距離是3d，50％的情況下判決距離是d，因此平均的保護(hù)距離是2d。對于最不重要的比特位i2、q2判決距離總是d。因此把16-QAM調(diào)制信道判分成C1和C2個(gè)子信道，C1信道比C2信道的誤比特率低。對于AWGN信道，C1和C2信道比特錯(cuò)誤率分布為：

　　其中：d為信號點(diǎn)最小距離；No／2為雙邊功率譜密度；Q函數(shù)為為平均的信號點(diǎn)能量。圖2給出了AWGN信道下，16-QAM的C1和C2的誤比特率P1G、P2G與Eo/No關(guān)系的實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果。

　　對于64-QAM，允許將視頻碼流分區(qū)成3個(gè)或更多的信道，提供更加靈活的非等重子信道分割方式。對于64QAM，每個(gè)信號點(diǎn)用2個(gè)6位的碼字表示：i1、q1、i2、q2、i3、q3,可以將64QAM進(jìn)行(3-3)劃分，從而形成(i1，q1，i2)和(q2，i3，q3)2個(gè)子信道，或者進(jìn)行(2-4)劃分，形成(i1，q1)、(i2，q2，i3，q3)2個(gè)子信道，或者按(2，2，2)劃分成3個(gè)子信道。對于可伸縮視頻碼流可將重要性高的基本層或者低的增強(qiáng)層放在高優(yōu)先級的子信道上傳輸，而把重要性低的增強(qiáng)層放在低優(yōu)先級的子信道上傳輸。

　　2 可伸縮視頻編碼

　　一般可伸縮視頻編碼生成1個(gè)基本層和L個(gè)增強(qiáng)層；只有基本層和第l，2，…，l-l層增強(qiáng)層均已傳輸時(shí)，第l層才能正確解碼。MPEG-4提出了的細(xì)粒度可伸縮視頻編碼技術(shù)是一種有效的視頻編碼技術(shù)，它生成2個(gè)碼流：基本層和增強(qiáng)層。基本層碼率較低，增強(qiáng)層可以劃分為多層，可以根據(jù)信道波動(dòng)進(jìn)行截?cái)?。在流化傳輸時(shí)可根據(jù)信道約束選擇一定層數(shù)的碼流進(jìn)行傳輸，層數(shù)越多，獲得視頻幀的解碼圖像質(zhì)量越好，但所需傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)也越多。

　　3 率失真意義最優(yōu)的聯(lián)合子信道和信源信道編碼碼率分配的算法

　　在給定信道容量的條件下，M-QAM的每個(gè)子信道容量固定。可伸縮視頻編碼器每幀編碼后可得到m層碼流，在流化傳輸時(shí)選擇一定層數(shù)的碼流進(jìn)行傳輸，層數(shù)越多，獲得視頻幀的解碼圖像質(zhì)量越好；為了對抗無線信道誤碼，提高視頻傳輸?shù)姆€(wěn)健性，需要對各層碼流采取一定的信道糾錯(cuò)編碼，信道編碼的冗余越多，視頻傳輸?shù)聂敯粜栽胶茫珪?huì)增大信道的傳輸碼率；可伸縮視頻的各層碼流具有不同的重要性，在總的信道冗余約束下，需要對各層碼流優(yōu)化分配信道冗余提高端到端視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量。

　　記各視頻幀基本層為第O層，其余各增強(qiáng)層依次為l，2，…；假設(shè)M-QAM等效的每條信道傳輸速率為Ci，視頻第i幀選取0～li層碼流進(jìn)行流化傳輸，其對應(yīng)的比特?cái)?shù)為ri(li)，各層選取的信道編碼效率分別為，其中：假設(shè)打包時(shí)數(shù)據(jù)

　　包信息比特?cái)?shù)為L，則視頻第i幀第j層采用效率為的信道編碼進(jìn)行編碼后，數(shù)據(jù)包長度為,數(shù)據(jù)包數(shù)目為ri(li)/L；假設(shè)視頻第i幀當(dāng)?shù)?～t層正確接收且第t+1層未正確接收時(shí)，視頻失真為。

　　3．1 數(shù)據(jù)包傳輸信道優(yōu)化選擇

　　由于各子信道具有不同的誤碼率，在滿足各子信道傳輸速率的前提下，故需要根據(jù)數(shù)據(jù)包的重要性選擇最優(yōu)的傳輸信道，重要性較高的數(shù)據(jù)包應(yīng)優(yōu)先選擇誤碼率較低的信道進(jìn)行傳輸；各子信道編號為0，1，…，誤碼率依次升高；假設(shè)視頻第i幀第j層經(jīng)信道編碼后第k(1≤k≤ti(j)/L)個(gè)數(shù)據(jù)包選擇的傳輸信道為由于可伸縮碼流的從基本層到增強(qiáng)層，各層重要性依次降低，顯然數(shù)據(jù)包傳輸信道選擇滿足以下2個(gè)約束：

　　3．2 可伸縮視頻層數(shù)和信道編碼效率聯(lián)合優(yōu)化選擇

　　假設(shè)第m條信道上的采用效率為η的信道編碼后，數(shù)據(jù)包的正確解碼概率為pm(η)，于是視頻第i幀第j層的正確接收概率為

　　在滿足信道傳輸速率的約束下，需要優(yōu)化選擇可伸縮視頻編碼的傳輸層數(shù)li和各層的信道編碼效率；在一定的可伸縮視頻的傳輸層數(shù)和信道編碼效率選擇條件下，根據(jù)上述的數(shù)據(jù)包傳輸信道選擇，端到端的視頻第i幀失真的期望為

　　可伸縮視頻層數(shù)和信道編碼效率聯(lián)合優(yōu)化選擇可表示為以下約束優(yōu)化問題：

　　約束條件為式(4)和(5)。上述約束問題可以采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃進(jìn)行求解。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)采用16-QAM調(diào)制，總的信道速率為1．4Mb／s。測試采用QCIF(quarter common intermediaformat)的Stefan序列，視頻編碼幀率為30幀／s，采用JSVM-1可伸縮視頻編碼器，編碼層數(shù)為1個(gè)基本層和4個(gè)增強(qiáng)層。速率兼容的懲罰卷積碼(rate compafible punctured convolutional code．RCPC)的速率集合{5／6，2／3，4／7}。信源數(shù)據(jù)包長度為72B。從圖3可以看出，與不區(qū)分M-QAM子信道差異和等重保護(hù)的機(jī)制相比，本傳輸方案在信道信噪比為7～10 dB時(shí)能夠取得平均0．5～2 dB的解碼增益。從圖4可以看出，當(dāng)信道信噪比降低的時(shí)候，本方案考慮了信道的差異因而增益明顯。

　　5 結(jié) 論

　　本文根據(jù)M-QAM子信道不同劃分方法具有不同的錯(cuò)誤特性，給出了對可伸縮視頻具有不等重要性的編碼層在不同的子信道分配以及不同的信道編碼保護(hù)的無線視頻傳輸機(jī)制。同時(shí)給出了優(yōu)化選擇可伸縮視頻編碼的傳輸層數(shù)，各層的前向糾錯(cuò)保護(hù)級別的率失真算法，優(yōu)先分配重要性高的編碼層到高優(yōu)先級的子信道，最小化端到端的視頻平均失真。實(shí)驗(yàn)給出在加性高斯白噪聲信道下的仿真結(jié)果，與等重保護(hù)的不考慮M-QAM子信道差異和等重保護(hù)的機(jī)制