基于信道特性的混合數(shù)字模擬視頻傳輸方案

張 帆，王安紅

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

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基于信道特性的混合數(shù)字模擬視頻傳輸方案

張 帆，王安紅

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

無線視頻組播在無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用越來越多，如何使具有異構(gòu)特性的視頻組播用戶得到與其信道條件相匹配的視頻質(zhì)量和實現(xiàn)視頻質(zhì)量的平滑降級，是無線視頻組播面臨的難題。提出了一種基于信道特性的混合數(shù)字模擬視頻傳輸(Hybrid Digital-Analog video transmission，HDACast)方案。將數(shù)字編碼和模擬編碼的優(yōu)勢結(jié)合，利用子載波分配算法實現(xiàn)HDACast方案的傳輸，同時利用注水算法作為功率分配算法，從而實現(xiàn)了性能的進一步提升。與具有相同目標的視頻軟播(SoftCast)和HDACast的仿真結(jié)果比較表明了該方案具有更高的單播效率和組播效率。

信道特性；子載波分配；功率分配

無線視頻組播在無線網(wǎng)絡(luò)中是一個很重要的應(yīng)用，例如：移動電視，移動視頻電話，無線視頻會議等，其主要的挑戰(zhàn)是不同的用戶有不同的信道條件及視頻質(zhì)量的平滑降級。

傳統(tǒng)的數(shù)字視頻傳輸方案由數(shù)字視頻壓縮編碼和數(shù)字信道編碼組成。數(shù)字視頻傳輸方案只適合于視頻單播，當(dāng)其應(yīng)用于視頻組播時，會引起用戶之間的不公平性。數(shù)字視頻傳輸方案僅支持如802.11協(xié)議中所規(guī)定的特定比特率，即當(dāng)視頻用低比特率傳輸時，對具有較好信道條件的用戶不公平；當(dāng)視頻用高比特率傳輸時，信道條件差的用戶不能解碼視頻，同樣引起了用戶之間的不公平。此外，傳統(tǒng)的數(shù)字方案會引起懸崖效應(yīng)，包括兩種，第一種是當(dāng)信道信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)大于某一值時，視頻恢復(fù)質(zhì)量不會升高，原因是信源編碼的量化技術(shù)帶來了不可恢復(fù)的失真；第二種是當(dāng)信道SNR小于某一值時，視頻恢復(fù)質(zhì)量急劇下降，原因是糾錯碼不能準確的糾錯。

分層數(shù)字方案的出現(xiàn)緩解了懸崖效應(yīng)，即，將分層視頻編碼和分層視頻傳輸方案結(jié)合。具體而言，數(shù)字視頻廣播地面標準(Digital Video Broadcast- Terrestrial，DVB-T)[1]將可伸縮視頻編碼(Scalable Video Coding，SVC)[2]和異構(gòu)調(diào)制(Hierarchical Modulation，h-mod)[3]相結(jié)合。通過上述方案，信道條件差的接收者只能接收基本層數(shù)據(jù)，從而得到基本的視頻質(zhì)量，而信道條件好的接收者則能接收到基本層和增強層數(shù)據(jù)，從而得到更好的視頻質(zhì)量。但是，分層數(shù)字方案由于只有有限的層數(shù)，因此并沒有徹底解決懸崖效應(yīng)，它只是將大的懸崖變?yōu)榱诵〉碾A梯，出現(xiàn)了階梯效應(yīng)。

視頻軟播(SoftCast)[4]，即模擬方案，的出現(xiàn)完全克服了懸崖效應(yīng)，實現(xiàn)了視頻質(zhì)量的平滑降級。不同于傳統(tǒng)的視頻傳輸方案，SoftCast的發(fā)送端包括離散余弦變換(Discrete Cosine Transform，DCT)，功率分配，白化。SoftCast在有損的信道中傳輸DCT系數(shù)，信道噪聲直接加在DCT系數(shù)上，這就使得接收者的重構(gòu)視頻質(zhì)量僅僅取決于接收者的信道信噪比(Channel SNR，CSNR).應(yīng)用于視頻組播時，用戶通過接收不同數(shù)目的數(shù)據(jù)包，SoftCast也能夠提供可伸縮的視頻質(zhì)量。但是，由于SoftCast沒有使用預(yù)測編碼，因此，其編碼效率較低。

除了數(shù)字方案和模擬方案，近幾年也提出了混合數(shù)字模擬方案。例如DCast[5]，WaveCast[6]，HDACast[7]等。DCast在視頻組播中應(yīng)用了分布式源編碼理論，避免了錯誤蔓延的同時達到了更高的編碼效率。WaveCast基于三維小波變換，使用運動補償時域濾波器來探索幀間冗余，同時使用傳統(tǒng)的數(shù)字框架傳輸運動信息。由于WaveCast在有損的模式下直接傳輸DWT系數(shù)，因此實現(xiàn)了視頻組播中要求的平滑降級。國內(nèi)的研究人員也提出了一些視頻組播方案[8-10]，但是這些傳輸方案都是將數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制的信號進行疊加或者使用時分或者帶分的方式進行傳輸。

通過上述分析，無線視頻傳輸方案在以下兩個方面應(yīng)該有更好的性能：(1)單播效率。一個靜態(tài)接收者的接收視頻質(zhì)量越高，則單播效率越高。(2)組播效率。組播效率越高，則每一個接收者都能接收到匹配其信道條件的恢復(fù)視頻質(zhì)量。即，反映了所有接收者之間的公平性。

然而，上述方案的傳輸均沒有考慮信道特性，因此在HDACast方案的基礎(chǔ)上，提出了基于信道特性的混合數(shù)字模擬視頻傳輸方案。通過子載波分配實現(xiàn)對數(shù)字調(diào)制信號和模擬調(diào)制信號的傳輸，同時采用注水算法作為功率分配算法，從而實現(xiàn)了性能的進一步提升。實驗結(jié)果表明，與SoftCast和HDACast相比，本文方案取得了更好的單播效率和組播效率。

1 HDACast方案

HDACast由數(shù)字部分和模擬部分組成。在發(fā)送端，視頻序列首先通過H.264/AVC編碼器進行編碼，編碼得到的碼流經(jīng)過信道編碼，調(diào)制和能量分配，得到數(shù)字部分的輸出。而殘差則采用修正的視頻軟播(Modified SoftCast，MSoftCast)進行處理，即DCT變換，能量分配，隨機重排，從而得到模擬部分的輸出。然后，數(shù)字部分和模擬部分的輸出進行疊加，傳輸進入OFDM信道：

x=xd+xa

(1)

式中，xd是數(shù)字部分的輸出，xa是模擬部分的輸出，x是兩部分的疊加，即傳輸信號。

HDACast方案中功率分配的原則是保證數(shù)字部分可以準確恢復(fù)：

(2)

式中，Pa和Pd分別是是分配給xa和xd的平均能量。N0是信道噪聲的平均方差，γ0是保證數(shù)字部分解碼的誤碼率(BitRateError，BER)小于目標BER的最小SNR.

2 基于信道特性的混合數(shù)字模擬視頻傳輸方案

提出的傳輸方案如圖1所示。在編碼端，視頻序列首先通過H.264/AVC編碼器進行編碼，所得比特流通過前向糾錯(ForwardErrorCorrecting，F(xiàn)EC)編碼和調(diào)制，得到數(shù)字部分的輸出xd；而殘差則使用模擬編碼器進行編碼，即通過DCT變換，功率分配和哈達瑪變換(Hardmard transform，Had)，得到模擬部分的輸出xa.兩部分的輸出傳輸進入正交頻分復(fù)用信道(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)[11]信道。

圖1 本文方案框圖Fig.1 The framework of our proposed scheme

圖2 OFDM信道Fig.2 OFDM channel

在OFDM信道中的傳輸過程如圖2所示。 在發(fā)送端，數(shù)字部分和模擬部分首先根據(jù)信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)進行子載波和功率分配，之后進行N點逆傅里葉變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)，插入循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)消除符號間干擾(Intersymbol Inference，ISI)，所得OFDM傳輸符號送入加性噪聲信道。接收端的過程與發(fā)送端的過程相反。

值得注意的是DCT系數(shù)的標準差作為邊信息，使用數(shù)字部分進行傳輸。

2.1 數(shù)字編解碼部分

數(shù)字編解碼部分將H.264/AVC和FEC、調(diào)制相結(jié)合。具體而言，調(diào)制方案使用了二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)，信道編碼則使用了卷積碼。

2.2 模擬編解碼部分

對于模擬編解碼部分，我們采用了與SoftCast方案類似的方法。與Softcast方案不同的是，解碼端使用了哈達瑪逆變換和MMSE進行解碼。

模擬編碼過程如下：

1)殘差通過DCT變換得到DCT系數(shù)s(k)，s(k)進行功率分配得到xa0(k)：

xa0(k)=g(k)s(k)

(3)

式中，g(k)是能量分配伸縮因子，如下式所示：

(4)

式中，σs(k)是第k個子帶的標準差，P是DCT系數(shù)的功率。

2)功率分配之后的信號xa0(k)經(jīng)過哈達瑪變換得到xa(k)：

xa(k)=Had×xa0(k)

(5)

式中，Had代表哈達瑪變換。

3)模擬編碼的輸出xa(k)通過OFDM信道，得到接收信號ya0(k)：

ya0(k)=xa(k)+e(k)

(6)

式中，e(k)是信道加性噪聲。

模擬解碼過程如下：

1)ya0(k)進行哈達瑪逆變換，得到y(tǒng)a0′(k)：

ya0′(k)=Had-1×ya0(k)

(7)

式中，Had-1代表哈達瑪逆變換。

(8)

2.3 基于信道特性的子載波和功率分配

HDACast方案的傳輸并沒有考慮實際的信道特性。因此我們考慮利用信道特性實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)對HDACast傳輸方式的改進。由于數(shù)字部分對重構(gòu)視頻質(zhì)量有重要的影響。因此，通過子載波和功率分配實現(xiàn)對數(shù)字部分的保護。

(9)

假設(shè)Ns個信道條件最好的子載波用來傳輸數(shù)字部分xd，而剩余Nw個子載波用來傳輸模擬部分xa，則數(shù)字部分的BERd為：

(10)

為了保證本文方案和參考方案的傳輸速率一致，Ns和Nw的值分別為：

(11)

(12)

式中，Md和Ma分別是本文方案中數(shù)字部分和模擬部分的星座圖大小，Md_ref和Ma_ref分別是參考方案中數(shù)字部分和模擬部分的星座圖大小。

為了進一步正確解碼H.264/AVC碼流和邊信息，功率分配是很必要的。為了對功率進行更精細的分配，我們采用基于信道特性的注水算法[12]作為功率分配方案。功率分配的公式如下所示：

(13)

圖3 注水算法Fig.3 Water-filling algorithm

2.4 等效信道增益

視頻組播應(yīng)用中，不同的用戶有不同的信道條件，因此需要找到等效的組播信道函數(shù)增益來容納這種用戶的異構(gòu)特性。在方案中，我們定義等效組播信道函數(shù)增益為所有用戶在第n個子信道的信道函數(shù)增益的最大值：

(14)

3 實驗結(jié)果分析

本文方案與兩種方案進行比較：(1)SoftCast方案；(2)HDACast方案。標準“Foreman”序列[13]作為測試序列，分辨率為352288，幀率為30Hz/s.實驗中，CSNR的范圍是0dB-25dB，DCT的分塊大小為88，采用1/12的卷積碼，分配給數(shù)字部分和模擬部分的子載波數(shù)目相等。

實驗分為兩組：(1)單播效率；(2)組播效率；我們利用PSNR來衡量三種視頻組播方案的重構(gòu)效果，其中，PSNR的定義如下：

(15)

式中，L是用來編碼像素的比特數(shù)，n和m是一幀圖像中的列數(shù)和行數(shù)，I是解碼幀，K是原始幀。

3.1 單播效率

圖4 單播效率Fig.4 Unicast efficiency

仿真一組單播實驗，該實驗中，接收端是一個靜態(tài)接收者，其CSNR固定，三種方案在相同的CSNR下進行比較。圖4是三種不同方案的PSNR比較

圖5 組播效率Fig.5 Multicast efficiency

曲線。從圖中可以看出：(1)方案實現(xiàn)了視頻質(zhì)量的平滑降級；(2)方案比HDACast方案提升了0.3 dB到5.6 dB；(3)方案比SoftCast方案提升了大約11 dB.因此，方案取得了更好的單播效率。

3.2 組播效率

我們仿真一組組播實驗，該實驗中，發(fā)送端是固定的，接收端有三個組播用戶。三個用戶的CSNR分別為2 dB，12 dB，23 dB.三種方案的不同用戶的PSNR比較如圖5所示。從圖中可以看出，本文方案比其他兩種方案取得了更高的組播效率，具體而言，SoftCast方案的PSNR分別為25.96 dB，33.04 dB，39.25 dB；HDACast方案的 PSNR分別為36.38 dB，41.65 dB，45.68 dB；本文方案的PSNR分別為40.22 dB，48.46 dB，52.18 dB.

4 結(jié)論

提出了一種基于信道特性的混合數(shù)字模擬視頻傳輸方案，該方案將數(shù)字編碼和模擬編碼的優(yōu)勢結(jié)合，充分利用信道特性，通過子載波分配實現(xiàn)了數(shù)字部分和模擬部分的傳輸，同時采用注水算法作為功率分配算法，實現(xiàn)了性能的進一步提升。與SoftCast和HDACast的比較表明了本文方案達到了更好的單播和組播效率。

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Hybrid Digital-analog Scheme for Video Transmission Based on Channel Characteristics

ZHANG Fan，WANG An-hong

(School of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Wireless video multicast is becoming more and more popular in the applications of wireless network.However，the major challenge is that the heterogeneous receivers should obtain video quality matched with channel condition，and video quality should degrade gracefully.This study proposes Hybrid Digital-analog video transmission scheme (HDACast) based on wireless channel characteristics，which combines the advantages of digital coding with analog coding.Subcarrier allocation is utilized to realize the transmission of HDACast scheme.In addition，water-filling algorithm is used as the power allocation strategy，which realizes the further performance improvement.The simulation results show the advantages in unicast and multicast efficiency of our scheme over SoftCast and HDACast which have the same motivations.

channel characteristics，subcarrier allocation，power allocation

2015-01-27

國家自然基金(61272262)；山西省回國留學(xué)人員科研資助項目(2014-056)；教育部新世紀優(yōu)秀人才項目(NCET-12-1037)

張帆(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向為視頻編解碼和傳輸。

1673-2057(2015)06-0430-06

TN919.8

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.06.004