基于M-QAM和UEP的无线可伸缩视频联合优化传输

　　摘 要：可伸缩视频编码可以根据信道波动的情况传输部分码流获取较低的视频质量以适应无线信道的波动。在满足信道传输速率的约束条件下，给出了率失真意义下联合优化多进制正交调幅子信道分配、可伸缩视频编码的传输层致以及各层的信道编码保护级别的视频传输算法。实验结果表明，在加性高斯白噪声信道下，与等重保护且不考虑多进制正交调幅子信道差异的机制相比，该传输方案能够取得平均1．5～2 dB的解码增益，显著提高了可伸缩视频码流无线传精的鲁棒性。

　　关键词：可伸缩视频编码；非等重错误保护；多进制正交调幅；码率兼容删除卷积码

　　随着无线通信技术的飞速发展，人们对无线媒体业务的需求正在快速增长。为了解决无线视频传输的抗误码性能问题，研究人员提出了许多容错的信源信道编码技术。为了适应信道的时变特性，人们提出了可伸缩视频编码方法。可伸缩视频编码生成多层码流，传输的层数越多，解码的视频质量越好。这使得可伸缩视频编码成为解决适应信道波动和终端处理能力异构的有效手段。为了实现良好的容错性能和较高的编码效率，视频比特流不同部分重要性不同，对重要部分的优先保护称为非等重错误保护(unequal error protection，UEP)。

　　多进制正交调幅(mulriple quadratureamplitude modulation，M-QAM)星座信号点不同比特位置具有不同的抗噪性能，可在不增加信道带宽的前提下提供不等的错误保护能力，提高视频传输的鲁棒性。

　　考虑信道编码能够在恶劣的信道条件下提供良好的保护能力，本文提出了一种在M-QAM不同的子信道具有不同的信道容量的约束下，联合优化选择可伸缩视频编码的传输层数，各层的前向纠错编码保护级别的率失真优化算法。

　　l M-QAM不同等级的子信道划分

　　目前，许多不同的星座已经被采用，对于高斯信道，图1的方形星座是最优的，相对于星形星座，在同样的平均信号功率的下，方形星座的平均最小距离比星形星座大20％。

　　不同的M进制QAM有不同的分区方法，这里给出16-QAM、64-QAM和256QAM的分区方法。对于16-QAM中每个信号点相关的二进制码字采用Gray编码。16-QAM形成2种不同等级的子信道。对于I相位和Q相位的4位码字i1、q1、i2、q2的2个最重要的比特位i1、q1，50 %的情况下判决距离是3d，50％的情况下判决距离是d，因此平均的保护距离是2d。对于最不重要的比特位i2、q2判决距离总是d。因此把16-QAM调制信道判分成C1和C2个子信道，C1信道比C2信道的误比特率低。对于AWGN信道，C1和C2信道比特错误率分布为：

　　其中：d为信号点最小距离；No／2为双边功率谱密度；Q函数为为平均的信号点能量。图2给出了AWGN信道下，16-QAM的C1和C2的误比特率P1G、P2G与Eo/No关系的实验模拟结果。

　　对于64-QAM，允许将视频码流分区成3个或更多的信道，提供更加灵活的非等重子信道分割方式。对于64QAM，每个信号点用2个6位的码字表示：i1、q1、i2、q2、i3、q3,可以将64QAM进行(3-3)划分，从而形成(i1，q1，i2)和(q2，i3，q3)2个子信道，或者进行(2-4)划分，形成(i1，q1)、(i2，q2，i3，q3)2个子信道，或者按(2，2，2)划分成3个子信道。对于可伸缩视频码流可将重要性高的基本层或者低的增强层放在高优先级的子信道上传输，而把重要性低的增强层放在低优先级的子信道上传输。

　　2 可伸缩视频编码

　　一般可伸缩视频编码生成1个基本层和L个增强层；只有基本层和第l，2，…，l-l层增强层均已传输时，第l层才能正确解码。MPEG-4提出了的细粒度可伸缩视频编码技术是一种有效的视频编码技术，它生成2个码流：基本层和增强层。基本层码率较低，增强层可以划分为多层，可以根据信道波动进行截断。在流化传输时可根据信道约束选择一定层数的码流进行传输，层数越多，获得视频帧的解码图像质量越好，但所需传输的比特数也越多。

　　3 率失真意义最优的联合子信道和信源信道编码码率分配的算法

　　在给定信道容量的条件下，M-QAM的每个子信道容量固定。可伸缩视频编码器每帧编码后可得到m层码流，在流化传输时选择一定层数的码流进行传输，层数越多，获得视频帧的解码图像质量越好；为了对抗无线信道误码，提高视频传输的稳健性，需要对各层码流采取一定的信道纠错编码，信道编码的冗余越多，视频传输的鲁棒性越好，但会增大信道的传输码率；可伸缩视频的各层码流具有不同的重要性，在总的信道冗余约束下，需要对各层码流优化分配信道冗余提高端到端视频传输的质量。

　　记各视频帧基本层为第O层，其余各增强层依次为l，2，…；假设M-QAM等效的每条信道传输速率为Ci，视频第i帧选取0～li层码流进行流化传输，其对应的比特数为ri(li)，各层选取的信道编码效率分别为，其中：假设打包时数据

　　包信息比特数为L，则视频第i帧第j层采用效率为的信道编码进行编码后，数据包长度为,数据包数目为ri(li)/L；假设视频第i帧当第0～t层正确接收且第t+1层未正确接收时，视频失真为。

　　3．1 数据包传输信道优化选择

　　由于各子信道具有不同的误码率，在满足各子信道传输速率的前提下，故需要根据数据包的重要性选择最优的传输信道，重要性较高的数据包应优先选择误码率较低的信道进行传输；各子信道编号为0，1，…，误码率依次升高；假设视频第i帧第j层经信道编码后第k(1≤k≤ti(j)/L)个数据包选择的传输信道为由于可伸缩码流的从基本层到增强层，各层重要性依次降低，显然数据包传输信道选择满足以下2个约束：

　　3．2 可伸缩视频层数和信道编码效率联合优化选择

　　假设第m条信道上的采用效率为η的信道编码后，数据包的正确解码概率为pm(η)，于是视频第i帧第j层的正确接收概率为

　　在满足信道传输速率的约束下，需要优化选择可伸缩视频编码的传输层数li和各层的信道编码效率；在一定的可伸缩视频的传输层数和信道编码效率选择条件下，根据上述的数据包传输信道选择，端到端的视频第i帧失真的期望为

　　可伸缩视频层数和信道编码效率联合优化选择可表示为以下约束优化问题：

　　约束条件为式(4)和(5)。上述约束问题可以采用动态规划进行求解。

　　4 实验结果

　　实验采用16-QAM调制，总的信道速率为1．4Mb／s。测试采用QCIF(quarter common intermediaformat)的Stefan序列，视频编码帧率为30帧／s，采用JSVM-1可伸缩视频编码器，编码层数为1个基本层和4个增强层。速率兼容的惩罚卷积码(rate compafible punctured convolutional code．RCPC)的速率集合{5／6，2／3，4／7}。信源数据包长度为72B。从图3可以看出，与不区分M-QAM子信道差异和等重保护的机制相比，本传输方案在信道信噪比为7～10 dB时能够取得平均0．5～2 dB的解码增益。从图4可以看出，当信道信噪比降低的时候，本方案考虑了信道的差异因而增益明显。

　　5 结 论

　　本文根据M-QAM子信道不同划分方法具有不同的错误特性，给出了对可伸缩视频具有不等重要性的编码层在不同的子信道分配以及不同的信道编码保护的无线视频传输机制。同时给出了优化选择可伸缩视频编码的传输层数，各层的前向纠错保护级别的率失真算法，优先分配重要性高的编码层到高优先级的子信道，最小化端到端的视频平均失真。实验给出在加性高斯白噪声信道下的仿真结果，与等重保护的不考虑M-QAM子信道差异和等重保护的机制相比，本传输方案能够取得平均1．5～2dB的解码增益。本方案是一种固定子信道传输速率方案，根据信源编码层不同层的速率比例，采用更复杂的星座信号点分区方法来联合优化非等重保护传输问题，这是下一步的研究方向。