基于M-QAM和UEP的無線可伸縮視頻聯合優化傳輸

　　摘 要：可伸縮視頻編碼可以根據信道波動的情況傳輸部分碼流獲取較低的視頻質量以適應無線信道的波動。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合優化多進制正交調幅子信道分配、可伸縮視頻編碼的傳輸層致以及各層的信道編碼保護級別的視頻傳輸算法。實驗結果表明，在加性高斯白噪聲信道下，與等重保護且不考慮多進制正交調幅子信道差異的機制相比，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。

　　關鍵詞：可伸縮視頻編碼；非等重錯誤保護；多進制正交調幅；碼率兼容刪除卷積碼

　　隨著無線通信技術的飛速發展，人們對無線媒體業務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的信源信道編碼技術。為了適應信道的時變特性，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，傳輸的層數越多，解碼的視頻質量越好。這使得可伸縮視頻編碼成為解決適應信道波動和終端處理能力異構的有效手段。為了實現良好的容錯性能和較高的編碼效率，視頻比特流不同部分重要性不同，對重要部分的優先保護稱為非等重錯誤保護(unequal error protection，UEP)。

　　多進制正交調幅(mulriple quadratureamplitude modulation，M-QAM)星座信號點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誤保護能力，提高視頻傳輸的魯棒性。

　　考慮信道編碼能夠在惡劣的信道條件下提供良好的保護能力，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，聯合優化選擇可伸縮視頻編碼的傳輸層數，各層的前向糾錯編碼保護級別的率失真優化算法。

　　l M-QAM不同等級的子信道劃分

　　目前，許多不同的星座已經被采用，對于高斯信道，圖1的方形星座是最優的，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進制QAM有不同的分區方法，這里給出16-QAM、64-QAM和256QAM的分區方法。對于16-QAM中每個信號點相關的二進制碼字采用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調制信道判分成C1和C2個子信道，C1信道比C2信道的誤比特率低。對于AWGN信道，C1和C2信道比特錯誤率分布為：

　　其中：d為信號點最小距離；No／2為雙邊功率譜密度；Q函數為為平均的信號點能量。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關系的實驗模擬結果。

　　對于64-QAM，允許將視頻碼流分區成3個或更多的信道，提供更加靈活的非等重子信道分割方式。對于64QAM，每個信號點用2個6位的碼字表示：i1、q1、i2、q2、i3、q3,可以將64QAM進行(3-3)劃分，從而形成(i1，q1，i2)和(q2，i3，q3)2個子信道，或者進行(2-4)劃分，形成(i1，q1)、(i2，q2，i3，q3)2個子信道，或者按(2，2，2)劃分成3個子信道。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層放在高優先級的子信道上傳輸，而把重要性低的增強層放在低優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個基本層和L個增強層；只有基本層和第l，2，…，l-l層增強層均已傳輸時，第l層才能正確解碼。MPEG-4提出了的細粒度可伸縮視頻編碼技術是一種有效的視頻編碼技術，它生成2個碼流：基本層和增強層。基本層碼率較低，增強層可以劃分為多層，可以根據信道波動進行截斷。在流化傳輸時可根據信道約束選擇一定層數的碼流進行傳輸，層數越多，獲得視頻幀的解碼圖像質量越好，但所需傳輸的比特數也越多。

　　3 率失真意義最優的聯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，在流化傳輸時選擇一定層數的碼流進行傳輸，層數越多，獲得視頻幀的解碼圖像質量越好；為了對抗無線信道誤碼，提高視頻傳輸的穩健性，需要對各層碼流采取一定的信道糾錯編碼，信道編碼的冗余越多，視頻傳輸的魯棒性越好，但會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，需要對各層碼流優化分配信道冗余提高端到端視頻傳輸的質量。

　　記各視頻幀基本層為第O層，其余各增強層依次為l，2，…；假設M-QAM等效的每條信道傳輸速率為Ci，視頻第i幀選取0～li層碼流進行流化傳輸，其對應的比特數為ri(li)，各層選取的信道編碼效率分別為，其中：假設打包時數據

　　包信息比特數為L，則視頻第i幀第j層采用效率為的信道編碼進行編碼后，數據包長度為,數據包數目為ri(li)/L；假設視頻第i幀當第0～t層正確接收且第t+1層未正確接收時，視頻失真為。

　　3．1 數據包傳輸信道優化選擇

　　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，故需要根據數據包的重要性選擇最優的傳輸信道，重要性較高的數據包應優先選擇誤碼率較低的信道進行傳輸；各子信道編號為0，1，…，誤碼率依次升高；假設視頻第i幀第j層經信道編碼后第k(1≤k≤ti(j)/L)個數據包選擇的傳輸信道為由于可伸縮碼流的從基本層到增強層，各層重要性依次降低，顯然數據包傳輸信道選擇滿足以下2個約束：

　　3．2 可伸縮視頻層數和信道編碼效率聯合優化選擇

　　假設第m條信道上的采用效率為η的信道編碼后，數據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，需要優化選擇可伸縮視頻編碼的傳輸層數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和信道編碼效率選擇條件下，根據上述的數據包傳輸信道選擇，端到端的視頻第i幀失真的期望為

　　可伸縮視頻層數和信道編碼效率聯合優化選擇可表示為以下約束優化問題：

　　約束條件為式(4)和(5)。上述約束問題可以采用動態規劃進行求解。

　　4 實驗結果

　　實驗采用16-QAM調制，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，編碼層數為1個基本層和4個增強層。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}。信源數據包長度為72B。從圖3可以看出，與不區分M-QAM子信道差異和等重保護的機制相比，本傳輸方案在信道信噪比為7～10 dB時能夠取得平均0．5～2 dB的解碼增益。從圖4可以看出，當信道信噪比降低的時候，本方案考慮了信道的差異因而增益明顯。

　　5 結 論

　　本文根據M-QAM子信道不同劃分方法具有不同的錯誤特性，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的無線視頻傳輸機制。同時給出了優化選擇可伸縮視頻編碼的傳輸層數，各層的前向糾錯保護級別的率失真算法，優先分配重要性高的編碼層到高優先級的子信道，最小化端到端的視頻平均失真。實驗給出在加性高斯白噪聲信道下的仿真結果，與等重保護的不考慮M-QAM子信道差異和等重保護的機制