基于VBLAST 系統(tǒng)的并行圖像傳輸策略優(yōu)化

張庭園，李 俊，李小兵，景小榮

(1.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所北京100029;2.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶400065;3.中興通訊股份有限公司，深圳518057)

0 引言

在無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)中，受系統(tǒng)帶寬的限制在無(wú)線環(huán)境中要實(shí)現(xiàn)高效圖像傳輸，將面臨許多挑戰(zhàn)。

為了緩解無(wú)線信道帶寬的限制，圖像數(shù)據(jù)在傳輸之前必須進(jìn)行高效壓縮。當(dāng)前圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)中，以可伸縮編碼算法為主。在可伸縮編碼算法中，多級(jí)樹集合分裂(set partitioning in hierachical trees，SPIHT)［1］算法由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而被得到廣泛的應(yīng)用。但是，可伸縮信源編碼器輸出碼流對(duì)無(wú)線信道衰落及噪聲非常敏感，因此，在無(wú)線圖像傳輸中必須采取高效的抗誤碼技術(shù)，以保證圖像重建的視覺(jué)效果。

在眾多抗誤碼技術(shù)中，不等錯(cuò)保護(hù)(unequal error protection，UEP)作為無(wú)線信道中提高可伸縮碼流傳輸魯棒性的有效方法得到了廣泛地應(yīng)用。根據(jù)可伸縮碼流中不同位置比特重要性不同的特點(diǎn)，截止目前，基于傳輸資源分配，涌現(xiàn)出了許多UEP實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)［2］提出了基于漸進(jìn)重要性映射的的UEP方法。文獻(xiàn)［3］提出了基于信源信道聯(lián)合編碼(joint source channel coding)的UEP方法，該方法在分組大小固定的條件下，通過(guò)優(yōu)化各分組中信源和信道編碼碼率，實(shí)現(xiàn)接收端圖像重建優(yōu)化。文獻(xiàn)［4］則對(duì)具有不等重要性碼流，采用低密度校驗(yàn)碼(low density parity check codes，LDPC)來(lái)實(shí)現(xiàn)UEP，從而提高圖像傳輸?shù)目垢蓴_能力。文獻(xiàn)［5］通過(guò)對(duì)信源編碼器輸出碼流采取層層級(jí)聯(lián)信道編碼，以此來(lái)對(duì)不等重要性的碼流實(shí)現(xiàn)UEP策略，進(jìn)而根據(jù)不同信道環(huán)境，自適應(yīng)調(diào)整信源比特和信道比特的分配來(lái)取得最優(yōu)圖像重構(gòu)質(zhì)量。文獻(xiàn)［6］在發(fā)射總功率固定的條件下，通過(guò)能量與調(diào)制階數(shù)自適應(yīng)分配來(lái)實(shí)現(xiàn)UEP，以達(dá)到優(yōu)化圖像傳輸性能的目的。Said A等人基于分層調(diào)制，結(jié)合循環(huán)冗余校驗(yàn)(cyclic redundancy check，CRC)碼和碼率兼容刪除卷積碼(rate-compatible punctured convolution，RCPC)以對(duì)具有不等重要性的壓縮碼流實(shí)現(xiàn)UEP，提出了一種漸進(jìn)圖像傳輸方案［7］。文獻(xiàn)［8］則針對(duì)不同失真類型，通過(guò)自適應(yīng)信道編碼和調(diào)制，達(dá)到對(duì)不等重要碼流采用不等層數(shù)保護(hù)。這些研究成果均基于單輸入單輸出(single input single output，SISO)傳輸模式。

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的SISO傳輸模式已經(jīng)無(wú)法滿足人們對(duì)多媒體業(yè)務(wù)快速增長(zhǎng)的需求，在這種需求推動(dòng)下，3GPP(3rd generation partnership project)組織提出了以多天線輸入輸出(multiple input multiple output，MIMO)技術(shù)為核心的長(zhǎng)期演進(jìn)(long term evolution，LTE)計(jì)劃，旨在利用當(dāng)前的有限帶寬，為用戶提供高服務(wù)質(zhì)量的移動(dòng)寬帶多媒體服務(wù)［9］。由于MIMO技術(shù)中的垂直－貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(vertical bell labs layered space time，VBLAST)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)并行高速數(shù)據(jù)傳輸，因此，特別適宜于圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸。盡管MIMO技術(shù)可以有效地提高數(shù)據(jù)傳輸率，但是畢竟系統(tǒng)帶寬有限。因此，為了有效地利用頻帶，必須盡可能充分地利用信道帶寬。文獻(xiàn)［10］通過(guò)信源編碼器將圖像壓縮成數(shù)個(gè)具有不等重要性的碼流，進(jìn)而采用自適應(yīng)分配策略，將各不等重要性碼流動(dòng)態(tài)地分配給各MIMO子信道，以提高傳輸性能。

文獻(xiàn)［11］在通過(guò)理論和仿真分析空時(shí)編碼(space-time coding，STC)OFDM系統(tǒng)誤碼性能的基礎(chǔ)上，基于JSCC，結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制階數(shù)選擇策略，提出了一種漸進(jìn)圖像傳輸方案。但是該方案并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)信源編碼、信道編碼及調(diào)制的整體優(yōu)化。

本文在文獻(xiàn)［11］的研究成果基礎(chǔ)上，綜合信源編碼、信道編碼及調(diào)制，提出了一種自適應(yīng)VBLAST并行圖像傳輸優(yōu)化策略，該策略可根據(jù)信道環(huán)境，自適應(yīng)選擇信源編碼、信道編碼、調(diào)制和發(fā)送功率以滿足并行傳輸各層的誤碼率要求，從而綜合協(xié)調(diào)系統(tǒng)資源來(lái)提高接收端圖像的重建質(zhì)量。

1 傳輸系統(tǒng)模型

VBLAST自適應(yīng)并行圖像傳輸系統(tǒng)模型如圖1所示。圖1中包括4個(gè)模塊:信源編碼及碼流分層模塊、信道編碼模塊、自適應(yīng)處理模塊、VBLAST傳輸模塊。下面分別對(duì)其進(jìn)行介紹。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，文中假設(shè)發(fā)射端已知信道狀態(tài)信息。

圖1 傳輸系統(tǒng)模型Fig.1 Transmission system model

1.1 信源編碼及碼流分成模塊

圖像數(shù)據(jù)送入 SPIHT［1］信源編碼器，其中，SPIHT信源編碼包括2步:第1步通過(guò)若干級(jí)二維離散小波變換，原始圖像被分解成一系列具有不等分辨率的子圖像;第2步通過(guò)排序和精細(xì)過(guò)程，形成具有不等重要性的原始碼流;進(jìn)而該碼流被分割成若干子流，每個(gè)子流與一個(gè)傳輸層相對(duì)應(yīng)。

1.2 信道編碼

信道編碼采用碼率兼容的刪除Turbo碼，即RCPT(rate compatible punctured Turbo)碼，Turbo碼采用并行級(jí)聯(lián)卷積(parallel concatenated convolutional code，PCCC)方案，將其輸出按不同的方式進(jìn)行刪除，即可得到碼率不同的RCPT碼。文中假設(shè)RCPT 碼的可選碼率集合 R={r1，r2，…，rm1}，滿足r1＜r2＜… ＜rm1。

1.3 自適應(yīng)處理模塊

該模塊包括自適應(yīng)調(diào)制和功率分配單元，該模塊根據(jù)當(dāng)前信道環(huán)境，確定與各傳輸層相對(duì)應(yīng)的信道編碼碼率Ri、調(diào)制模式Qi及功率Pi，其中i表示傳輸層編號(hào)。

1.4 VBLAST 并行傳輸

考慮一Nr×NtVBLAST系統(tǒng)，Nr，Nt分別表示接收端和發(fā)送端天線數(shù)，假設(shè)接收端和發(fā)送端處于理想的同步狀態(tài)。記 y=［y1，y2，…，yNr］T為接收信號(hào)矢量，x=［x1，x2，…，xNt］T為發(fā)送符號(hào)矢量，則在某一離散時(shí)刻，發(fā)送符號(hào)矢量x與接收到的基帶信號(hào)矢量y之間滿足關(guān)系

(1)式中:H表示信道信息矩陣;N表示附加白高斯噪聲矢量，滿足0均值、方差為δ2INr。

假設(shè)發(fā)射端確知信道狀態(tài)信息，對(duì)H進(jìn)行奇異值分解(singluar value decomposition，SVD)，即

(2)式中:V和U分別表示接收成形濾波和發(fā)射預(yù)濾波器;D=diag (λ1，λ2，…，λM)為對(duì)角矩陣，滿足λ1＞λ2＞… ＞λM＞0。

(4)式中，Pi為第i個(gè)子信道分配的功率(Pi實(shí)際上和各個(gè)子信道所選擇的信道編碼和調(diào)制方式有關(guān))，滿足關(guān)系，ST代表總發(fā)射功率，i=1，2，…，M 。

2 基于VBLAST系統(tǒng)的并行自適應(yīng)圖像傳輸策略優(yōu)化

基于VBLAST系統(tǒng)的并行自適應(yīng)圖像傳輸策略優(yōu)化的目的是:在特定信道環(huán)境下，根據(jù)自適應(yīng)模塊取得當(dāng)前條件下最優(yōu)信道編碼，調(diào)制方式和功率分配組合{R*，Q*，P*}，以實(shí)現(xiàn)終端重建圖像質(zhì)量的優(yōu)化。具體流程包括:首先通過(guò)自適應(yīng)模塊取得最優(yōu)信道編碼集合 R*={R*1，R*1，…，R*M}、調(diào)制方式集合Q*={Q*1，Q*2，…，Q*M}和功率分配集合P*={P*1，P*2，…，P*M}，以確定各傳輸層信道編碼碼率、調(diào)制階數(shù)和功率分配等級(jí)，然后根據(jù)當(dāng)前R*，Q*值確定總的信源傳輸速率rs，并將其反饋給信源編碼器，信源編碼器根據(jù)當(dāng)前優(yōu)化傳輸碼率對(duì)原始圖像進(jìn)行壓縮處理和碼流分層處理，進(jìn)而根據(jù)優(yōu)化參數(shù)集合{R*，Q*，P*}對(duì)各分層碼流處理，最后通過(guò)VBLAST系統(tǒng)傳輸出去。

2.1 自適應(yīng)編碼調(diào)制

通常情況下，接收端為了獲得較好的圖像重建質(zhì)量及視覺(jué)效果，對(duì)于重要數(shù)據(jù)傳輸，通常要求pe≤10－5，對(duì)于次要數(shù)據(jù)傳輸，要求接收誤比特率pe≤10－3。自適應(yīng)編碼調(diào)制通過(guò)改變編碼及調(diào)制階數(shù)，使其在滿足接收誤比特率前提下與當(dāng)前系統(tǒng)限制與信道環(huán)境相適應(yīng)。

對(duì)第i個(gè)傳輸層，假設(shè)對(duì)應(yīng)傳輸速率為ki∈{K0，K1，…，KN}，傳輸功率為 Pi，其中，K0代表傳輸速率為0，即不傳任何信息，i=1，…，M。為了提升終端圖像重建質(zhì)量，必須盡可能地提高系統(tǒng)的平均頻譜效率，為此，在一定發(fā)送功率、傳輸速率條件下，自適應(yīng)編碼調(diào)制就是使得頻譜效率最高，實(shí)質(zhì)上，該問(wèn)題為一非線性約束優(yōu)化問(wèn)題:

(5)式中:ASE為平均頻譜效率函數(shù);Ε［·］為期望函數(shù);BERi為第i個(gè)子信道的瞬時(shí)誤碼率;ki(λi)表示信道增益為λi的子信道上的數(shù)據(jù)傳輸率。直接對(duì)(5)式優(yōu)化求解十分困難，但由1.4節(jié)知:通過(guò)SVD，整個(gè)VBLAST系統(tǒng)可分解成M個(gè)并行SISO子系統(tǒng)(或傳輸層)，則(5)式的優(yōu)化問(wèn)題可近似轉(zhuǎn)化為

(6)式中:Pi(λi)表示信道增益為λi的子信道上分配的功率;ST表示總功率約束;pe表示誤碼率約束。實(shí)際上，每個(gè)子信道功率及碼率的自適應(yīng)調(diào)制依賴于信道增益λi。因此，將信道增益λi劃分為N+1個(gè)子集，即［υ0，υ1］，［υ1，υ2］，…，［υN，υN+1］，其中υ0=0，υN+1=∞ 。根據(jù)文獻(xiàn)［12］，(6)式的優(yōu)化可分步進(jìn)行，最終最優(yōu)速率和功率分配為

(7)—(8)式中，j=0，1，…，N+1 。(7)式意味著如果 λi在［υj，υj+1］內(nèi)，則子信道采用的傳輸速率為Kj;(8)式則對(duì)于子信道增益為λi時(shí)，對(duì)應(yīng)自適應(yīng)功率要求接收信噪比閾值為αj。由于采用Turbo-QAM編碼調(diào)制，直接獲得誤碼率與信噪比之間的解析表達(dá)式十分困難，因此，當(dāng)目標(biāo)誤碼率BER1確定后，可采用數(shù)值仿真來(lái)確定接收信噪比閾值αj。

傳輸層或子信道最優(yōu)增益邊界可按(9)式求解:

(12)式中，Al(i，d)max(Nr，Nt)－ min(Nr，Nt)，對(duì)于 Nr=Nt=M ，則d=0。經(jīng)過(guò)整理，ASE為

此時(shí)ASE只與Kj，υj和υj+13個(gè)參數(shù)有關(guān)，則此時(shí)的優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為

(14)式中，F(xiàn)(Kj，υj，υj+1)見(jiàn)(13)式。通過(guò)(14)式可以得到單個(gè)子信道的最優(yōu)速率和功率分配，進(jìn)而將其推廣到M個(gè)子信道(傳輸層)即可得到最優(yōu)速率集合{R*，Q*}和最優(yōu)功率集合P*。

2.2 基于VBLAST系統(tǒng)的分層處理

根據(jù)前述，通常情況下，終端為了獲得高質(zhì)量的重建圖像，對(duì)于重要數(shù)據(jù)層，要求接收誤比特率pe≤10－5，次要數(shù)據(jù)層，要求接收誤比特率 pe≤10－3。對(duì)于M個(gè)并行子信道，文中規(guī)定前M/2個(gè)子系統(tǒng)用于傳輸重要數(shù)據(jù)層，后M/2個(gè)子系統(tǒng)用于傳輸次要數(shù)據(jù)層。在此條件下，基于VBLAST系統(tǒng)的分層處理就是在一定信道環(huán)境(SNR)下，根據(jù)目標(biāo)誤比特率 pe－1和pe－2的限定，根據(jù)優(yōu)化(16)式，從而得到各層子信道功率分配P*和最優(yōu)信道編碼和調(diào)制模式 {R*，Q*}，進(jìn)而根據(jù){R*，Q*}確定信源碼流分配。

考慮到受實(shí)際系統(tǒng)帶寬限制，傳輸速率Rt=MB/PT要小于目標(biāo)傳輸率RT，單位為符號(hào)每像素(symbols per pixel，SPP)，PT表示圖像像素總數(shù)，B表示每根天線的固定傳輸符號(hào)數(shù)。為此，每層信息傳輸比特?cái)?shù)為

(15)式中，M*i=2Q*i，i=1，2，…，M ?？傂旁磦鬏敱忍?cái)?shù)，對(duì)應(yīng)的信源速率 rs=Btotal/PT，確定參數(shù)rs后，將其反饋給信源編碼器。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用4×4 VBLAST仿真平臺(tái)，以Lena 512×512標(biāo)準(zhǔn)灰度圖像傳輸為例。Lena圖像先通過(guò)SPIHT編碼器后，其輸出比特流被分割成4個(gè)子流，分別與4個(gè)傳輸層相對(duì)應(yīng)，其中，第1層、第2層用于重要數(shù)據(jù)層傳輸;第3層、第4層用于傳輸次要數(shù)據(jù)，各層分別經(jīng)過(guò)自適應(yīng)信道編碼和調(diào)制，經(jīng)過(guò)VBLAST系統(tǒng)傳輸。

信道編碼采用RCPT碼，其由1/4碼率、6級(jí)存儲(chǔ)母碼來(lái)獲得(打孔周期為8);考慮到信道環(huán)境好時(shí)，可不采用信道編碼，因此，信道碼率集合R={8/32，8/31，…，8/9}∪ {1};調(diào)制模式采用 BPSK，4-QAM，8-QAM，16-QAM，對(duì)應(yīng)的調(diào)制階數(shù)集合為Q={1，2，3，4}。規(guī)定系統(tǒng)總傳輸符號(hào)速率RT=0.25 SPP。

以峰值信噪比(peak signal noise ratio，PSNR)作為評(píng)價(jià)重建圖像質(zhì)量的依據(jù)，其定義為

(16)式中，MSE為重建圖像與原圖像的均方誤差。

在給定BER限制條件下，不同編碼調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的信道平均SNR如表1所示，由于篇幅所限，文中只給出信道速率為1/3和1/2時(shí)的結(jié)果。

表1 不同誤比特率要求下，各編碼調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的信道平均SNRTab.1 Average channel SNR conresponding to combination of coding and modulation types under different bit error rate requirement

由于調(diào)制模式為4QAM、碼率為1/2的RCPT碼和調(diào)制模式為8QAM、碼率為1/3RCPT碼這2種編碼調(diào)制方式的比特/碼元數(shù)相同，而4QAM、碼率為1/2RCPT碼編碼調(diào)制方式需要更高的SNR，因而自適應(yīng)鏈路中將不被采用。因此，通過(guò)2.1節(jié)中的自適應(yīng)處理方式可以得到在一定信噪比下，每層的最優(yōu)編碼調(diào)制方式如表2所示，表2中Na表示該層不傳輸信息。

為了有效地評(píng)測(cè)本文提出的傳輸優(yōu)化策略，定義如下4個(gè)不同的傳輸系統(tǒng)，并將其進(jìn)行對(duì)比:

1)基于VBLAST的自適應(yīng)編碼和調(diào)制系統(tǒng)。選擇 R={8/32，8/31，…，8/9，1}，調(diào)制集合為{0，BPSK，4QAM，8QAM，16QAM}，記為系統(tǒng) 1，表示本文所提出的優(yōu)化傳輸策略。

2)基于VBLAST的固定編碼和自適應(yīng)調(diào)制系統(tǒng)。選擇 R={1/2}，調(diào)制集合為{0，BPSK，4QAM，8QAM，16QAM}，記為系統(tǒng)2，表示部分自適應(yīng)傳輸策略，即碼率固定，調(diào)制方式采用自適應(yīng)方式選取。

表2 不同信道環(huán)境(SNR)下的各層最優(yōu)調(diào)制方式及碼率Tab.2 Optimal modualation types and coding rate for differnet channel enviroments(SNR)

3)基于VBLAST的自適應(yīng)編碼和固定調(diào)制系統(tǒng)。選擇 R={8/32，8/31，…，8/9，1}，調(diào)制模式固定為BPSK，記為系統(tǒng)3，表示部分自適應(yīng)傳輸策略，即調(diào)制模式固定，信道碼率根據(jù)信道環(huán)境自適應(yīng)選擇。

4)基于VBLAST的固定編碼和調(diào)制系統(tǒng)。固定編碼R={1/2}，固定調(diào)制模式為BPSK，記為系統(tǒng)4，表示非自適應(yīng)傳輸策略。

4個(gè)系統(tǒng)采用Monter Carlo仿真，得到如圖2所示性能曲線。從圖2中可知，系統(tǒng)1性能最好，這是由于該系統(tǒng)能夠根據(jù)信道環(huán)境，自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)調(diào)制模式和信道速率的聯(lián)合優(yōu)化，從而獲得最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)配置。系統(tǒng)性能最差的是系統(tǒng)4也就是固定編碼和調(diào)制系統(tǒng)，該系統(tǒng)不能靈活地分配系統(tǒng)參數(shù)，因而性能最差。

進(jìn)一步，系統(tǒng)1與系統(tǒng)3在SNR較低時(shí)，為了滿足誤碼條件，系統(tǒng)1中調(diào)制方式只能選擇BPSK，因此，在該條件下與系統(tǒng)3的編碼調(diào)制方式一樣，所以，在SNR較低時(shí)，2個(gè)系統(tǒng)圖像傳輸性能一樣。但是隨著SNR的提高，系統(tǒng)1的性能開(kāi)始優(yōu)于系統(tǒng)3的，此時(shí)系統(tǒng)1可以選擇更加高效的調(diào)制方式來(lái)提高系統(tǒng)容量，從而使得進(jìn)行圖像重構(gòu)的信源數(shù)更多，所以圖像重建質(zhì)量更好。

系統(tǒng)2與系統(tǒng)4在SNR較低時(shí)，由于系統(tǒng)2和系統(tǒng)4均采用固定信道編碼速率1/2，系統(tǒng)2為了滿足誤碼要求，自適應(yīng)調(diào)制方式也只能選擇BPSK，這樣與系統(tǒng)4的編碼調(diào)制方式一樣，因此，2個(gè)系統(tǒng)的圖像重建質(zhì)量性能一樣。但是隨著SNR的提高，系統(tǒng)2的性能開(kāi)始優(yōu)于系統(tǒng)4的，因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)2可以選擇更加高效的調(diào)制方式來(lái)提高系統(tǒng)容量，使得進(jìn)行圖像重構(gòu)的信源數(shù)更多，從而得到更好的圖像重建性能。

圖2 PSNR性能對(duì)比圖Fig.2 PSNR performance comparison

系統(tǒng)2與系統(tǒng)3在SNR較低時(shí)，由于系統(tǒng)3采用BPSK調(diào)制，而且可自適應(yīng)選擇信道碼率，但是系統(tǒng)2采用的固定信道碼率為1/2，為了滿足傳輸誤碼要求，系統(tǒng)2自適應(yīng)調(diào)制模式也只能選擇BPSK，因此，此時(shí)系統(tǒng)3的圖像重建性能要優(yōu)于系統(tǒng)2。隨著SNR的提高，系統(tǒng)2可采用4QAM和1/2碼率編碼調(diào)制，但此時(shí)兩個(gè)系統(tǒng)的極限容量正好一樣，因此接收端重建圖像質(zhì)量也一樣。隨著SNR的提高，系統(tǒng)2可采用更加高效的調(diào)制方式提高系統(tǒng)容量，使得進(jìn)行圖像重構(gòu)的信源數(shù)更多，從而其對(duì)應(yīng)的圖像重建性能將得到提升。

4 結(jié)論

本文在VBLAST框架下結(jié)合信源編碼、信道編碼、調(diào)制及功率的整體優(yōu)化，提出了一種基于VBLAST的并行圖像傳輸優(yōu)化策略。該策略可根據(jù)信道環(huán)境以及每層的抗誤碼要求自適應(yīng)地選擇信道編碼、調(diào)制和發(fā)送功率，從而實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的并行處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)的整個(gè)資源來(lái)提高接收端圖像的重建質(zhì)量，數(shù)值仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。

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