基于自適應(yīng)STBC的多天線HDA視頻傳輸方案

孫金凱,王安紅,李素月

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院,太原 030024)

傳統(tǒng)的數(shù)字視頻組播傳輸方案存在“懸崖效應(yīng)”,Softcast[1]利用一種類模擬傳輸方案克服了懸崖效應(yīng),然而壓縮性能較低。李厚強(qiáng)提出了一種混合數(shù)模(HDA-Cast)視頻傳輸方案[2-3],將視頻信號(hào)分為數(shù)字部分和模擬部分,通過(guò)發(fā)送數(shù)字部分和模擬部分的疊加信號(hào),在單播效率、組播效率和移動(dòng)性方面都取得更好的性能。同時(shí),近年來(lái),多天線(MIMO)無(wú)線傳輸已經(jīng)成為非常流行的視頻傳輸技術(shù)[4-6],由于采用多天線發(fā)射信號(hào),可利用多天線的發(fā)射分集增益對(duì)抗無(wú)線衰落信道的不利影響,因此,可取得比單天線系統(tǒng)更好的性能[6]。

空時(shí)分組碼是一種多天線無(wú)線通信常用技術(shù),通過(guò)在多個(gè)天線上發(fā)送數(shù)據(jù)流的多個(gè)副本,并利用接收的各種數(shù)據(jù)版本來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。一般?空時(shí)分組碼(STBC)可以通過(guò)最大似然譯碼算法來(lái)實(shí)現(xiàn)全分集[7-9]。然而,目前的多天線軟視頻傳輸由于只使用單一的STBC而不能達(dá)到更好的視頻傳輸性能。復(fù)雜符號(hào)的正交空時(shí)分組碼(OSTBC),如Alamouti碼[8],在超過(guò)兩個(gè)天線的情況下不可能實(shí)現(xiàn)全傳輸速率。當(dāng)給定符號(hào)速率時(shí),盡管OSTBC提供了明顯的傳輸分集增益,但是由于發(fā)送了更多的冗余數(shù)據(jù),其傳輸速率較低。Jafarkhani提出的準(zhǔn)正交空時(shí)分組碼(QSTBC)[10]雖然犧牲了完全分集,但是提供了更高的傳輸速率。Guo Y提出了一種基于Softcast的多天線自適應(yīng)STBC方案[11],通過(guò)綜合利用OSTBC與QSTBC的特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)給定符號(hào)速率時(shí),將OSTBC與QSTBC相結(jié)合可取得好的視頻恢復(fù)質(zhì)量。然而,對(duì)HDA信號(hào)的多天線視頻傳輸,如何利用自適應(yīng)STBC,目前還沒(méi)有研究。

綜上,本文提出研究多天線HDA視頻傳輸?shù)淖赃m應(yīng)STBC方案,以獲得利用多天線進(jìn)行HDA視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量提升。主要思路是:將HDA的數(shù)據(jù)包根據(jù)重要性分為三種類型,OSTBC用于傳輸最重要包,QSTBC用于傳輸次重要包,同時(shí)丟棄與最重要包同等數(shù)量的最不重要包;進(jìn)一步,為優(yōu)化重要數(shù)據(jù)包的數(shù)量,推導(dǎo)了關(guān)于重要數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)與視頻質(zhì)量的一個(gè)閉式表達(dá),并采用搜索法對(duì)此優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。同時(shí),為了對(duì)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)化功率分配,研究采用了一種自適應(yīng)的功率分配方案。實(shí)驗(yàn)表明,由于根據(jù)數(shù)據(jù)包的重要性自適應(yīng)選擇STBC,對(duì)重要數(shù)據(jù)采用高分集增益的傳輸,而對(duì)次重要數(shù)據(jù)包采用高速率傳輸、并丟棄最不重要包以節(jié)省頻帶,從而保證了在相同傳輸速率下,本文方案比純OSTBC或純QSTBC提供了0.2 dB～2 dB的質(zhì)量提升。

1 相關(guān)理論

1.1 HDA

HDA視頻編碼端發(fā)送一個(gè)數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的疊加信號(hào),此疊加信號(hào)可以在接收端被分離恢復(fù)出數(shù)字和模擬信號(hào)并解碼得到重建視頻。HDA發(fā)送端數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程是,首先用傳統(tǒng)的數(shù)字編碼器(如H.264)壓縮視頻源生成數(shù)字碼流,并采用前向糾錯(cuò)編碼(Forward error correction,FEC)以選定的速率對(duì)比特流進(jìn)行編碼,然后采用傳統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制(如BPSK),從而獲得數(shù)字信號(hào);模擬信號(hào)是指原始視頻與重構(gòu)數(shù)字視頻相減的殘差信號(hào)進(jìn)行Softcast編碼而生成的信號(hào)。在Softcast編碼中,將每幀的像素劃分為多個(gè)不重疊塊,同時(shí)通過(guò)離散余弦變換(Discrete cosine transform,DCT)去除塊內(nèi)的空間相關(guān)性,然后對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行幅度調(diào)制。HDA最后將數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)通過(guò)優(yōu)化的功率分配后疊加發(fā)送出去。

1.2 STBC

以4×1系統(tǒng)為例,傳統(tǒng)的OSTBC設(shè)計(jì)方案如下:

(1)

式中:*表示數(shù)據(jù)的復(fù)共軛,列向量表示天線,行向量表示時(shí)隙。該方法表示在八個(gè)時(shí)隙中傳輸四個(gè)符號(hào),因此,以犧牲傳輸速率取得分集增益。

4×1系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的QSTBC設(shè)計(jì)方案如下:

(2)

這種編碼方式采用四個(gè)時(shí)隙來(lái)傳輸四個(gè)符號(hào),因此傳輸速率更高,但缺點(diǎn)是不能獲得全分集。

2 HDA-ASTBC傳輸方案

2.1 傳輸框架

本文提出的ASTBC傳輸框架如圖1所示,發(fā)送端用HDA編碼方式逐幀發(fā)送視頻。原始視頻序列S首先通過(guò)H.264/AVC視頻編碼、前向糾錯(cuò)編碼和調(diào)制來(lái)進(jìn)行數(shù)字處理獲得數(shù)字信號(hào)。接下來(lái),對(duì)原始視頻與H.264解碼重建視頻的殘差信號(hào)進(jìn)行DCT,對(duì)得到的DCT系數(shù)采用ASTBC(見(jiàn)2.2、2.4節(jié))編解碼,然后對(duì)要傳輸?shù)陌M(jìn)行功率分配(見(jiàn)2.3節(jié)),并與數(shù)字信號(hào)疊加傳輸入信道。

圖1 HDA-ASTBC發(fā)送端

圖2 HDA-ASTBC接收端

2.2 編碼端

如圖1所示,設(shè)數(shù)字信號(hào)為Sd,殘差信號(hào)為Sa,將Sa的一幀分為8×8的塊,每個(gè)塊的DCT系數(shù)經(jīng)zigzag掃描,按照從低頻到高頻的順序排序,然后將不同塊的同頻系數(shù)構(gòu)成一個(gè)包,共形成64個(gè)包,這些包也就是HDA的模擬信號(hào),用C來(lái)表示。

由于DCT變換后,系數(shù)能量按照zigzag順序逐次下降,能量大部分集中在低頻部分,而高頻部分趨近于0,因此,根據(jù)包的重要性(即DCT系數(shù)的能量),將64個(gè)包分為三個(gè)等級(jí),即:最重要包、次重要包和不重要包。用OSTBC來(lái)傳輸最重要包,QSTBC傳輸次重要包,同時(shí),最不重要包(數(shù)量與最重要包相同)被丟掉。

給定符號(hào)速率R,并用R(O)表示OSTBC的符號(hào)速率,用R(Q)表示QSTBC的符號(hào)速率。假設(shè)J為使用OSTBC傳輸?shù)淖钪匾鼈€(gè)數(shù),則J個(gè)不重要的包會(huì)被丟掉,其余64-2J個(gè)包使用QSTBC進(jìn)行發(fā)送,通過(guò)推導(dǎo)公式來(lái)描述在不同的信道條件下傳輸?shù)膬?yōu)化數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù),以獲得最優(yōu)重構(gòu)視頻質(zhì)量,因此優(yōu)化方案可以表示為:

(3)

進(jìn)一步,對(duì)選中要傳輸?shù)?4-J個(gè)DCT系數(shù)包,根據(jù)系數(shù)方差,將模擬總功率進(jìn)行分配。具體而言,假設(shè)分配給模擬信號(hào)的總功率為Pa(Pa的詳細(xì)優(yōu)化方法見(jiàn)2.3節(jié)),則對(duì)第i個(gè)DCT系數(shù)包的功率因子定義如下:

(4)

式中:λi對(duì)應(yīng)第i個(gè)包的方差。至此,要傳輸?shù)哪M信號(hào)包向量Sa可以表示如下:

Sa=G·K·C

(5)

具體地,Sa如公式(6)所示:

(6)

式中:{k1=k2=…=k64-J=1,k64-J+1=…=k64=0},這就意味著J個(gè)包被丟棄。

模擬信號(hào)Sa在調(diào)制完成后,與經(jīng)過(guò)功率分配的數(shù)字信號(hào)Sd疊加,形成最終的傳輸信號(hào)X,如公式所示:

X=Sa+Sd

(7)

接下來(lái),提出方案使用自適應(yīng)的STBC在一個(gè)4×1系統(tǒng)中傳輸疊加信號(hào)X,假設(shè)信道為瑞利信道。當(dāng)符號(hào)速率給定時(shí),OSTBC以1/2的傳輸速率來(lái)傳輸最重要包,即{X1,…,XJ},QSTBC傳輸次重要包,即{XJ+1,…,X64-J},丟掉最不重要包,即{X64-J+1,…,X64}.因此,對(duì)只有一根天線的接收端,接收信號(hào)可以表示為:

Y=X·H+N

(8)

式中:Y=[y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7,y8]T,H=[h1,h2,h3,h4]T,h1,h2,h3,h4是信道傳輸增益,h1=a+bi其中a與b都是恒定的衰落系數(shù)。

2.3 功率分配優(yōu)化

HDA系統(tǒng)中,一般假設(shè)數(shù)字部分是無(wú)失真?zhèn)鬏數(shù)?因此重構(gòu)視頻的質(zhì)量完全取決于模擬部分的均方誤差,而模擬部分的均方誤差與模擬數(shù)據(jù)方差、分配給模擬部分的功率有關(guān)。也就是說(shuō),分配給模擬部分的功率越多,恢復(fù)視頻質(zhì)量就越好。因此在給定總功率的情況下,可以通過(guò)合理分配數(shù)字部分與模擬部分的功率來(lái)獲得更好的重構(gòu)視頻。TanBin等人在提出了一種新的基于疊加編碼的HDA系統(tǒng)功率優(yōu)化方案[12],該方案基于不同的視頻內(nèi)容來(lái)找到最合適的模擬功率,本文也根據(jù)TanBin的方法來(lái)決定本文的功率分配。

首先,本文仿真了Foreman、News視頻序列中每個(gè)數(shù)據(jù)包的量化系數(shù)QP與其方差的關(guān)系,圖3和圖4分別給出Foreman、News兩個(gè)包的量化系數(shù)QP與其方差λi的變化關(guān)系,圖中可以看出,數(shù)據(jù)包的方差隨QP呈對(duì)數(shù)線性變化;因此,可根據(jù)TanBin在文獻(xiàn)[12]中提出的方案,首先推導(dǎo)出QP與模擬功率Pa的關(guān)系,如公式(9):

圖3 Foreman中不同包方差與QP的擬合曲線

圖4 News中不同包方差與QP的擬合曲線

(9)

再推導(dǎo)出QP與方差λi的關(guān)系,如公式(10):

λi=eki·QP+ωi

(10)

最終得到模擬失真Da與Pa的關(guān)系,即公式(11):

Da(Pa)=

(11)

根據(jù)公式(11),可以通過(guò)控制分配給模擬部分的功率Pa來(lái)最小化模擬失真,即通過(guò)視頻的QP來(lái)得到數(shù)據(jù)包的方差,再通過(guò)梯度下降優(yōu)化算法得到使Da最小的Pa.最后,將Pa帶入公式(4),從而根據(jù)Pa對(duì)不同的數(shù)據(jù)包進(jìn)行功率分配,以提升重構(gòu)視頻的質(zhì)量。

2.4 解碼端

最重要包使用OSTBC在八個(gè)時(shí)隙中傳輸,接收端使用最大合并比來(lái)解碼OSTBC,因此公式(8)可以寫(xiě)為:

YOSTBC=

(12)

式中:

XOSTBC=[x1,x2,x3,x4]T,

(13)

令公式(13)左乘ΩH,令Y′=ΩH·YOSTBC,N′=ΩH·N1,則得到:

Y′=H′·XOSTBC+N′

(14)

(15)

由于次重要包使用QSTBC在四個(gè)時(shí)隙傳輸,因此,可以采用線性解碼恢復(fù)QSBTC符號(hào),公式(8)可以寫(xiě)為:

(16)

(17)

對(duì)公式(13)的每一項(xiàng),左乘ΩH,可得到:

Y′=ΩH·YQSTBC=

(18)

公式(18),左乘W,可得:

Y″=W·Y′=

(19)

這里

(20)

最終所提出方案接收到的信號(hào)為:

(21)

(22)

(23)

3 結(jié)果分析

本節(jié)對(duì)論文提出的HDA-ASTBC無(wú)線視頻傳輸方案做了初步的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。采用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試序列:Foreman序列和News序列。序列的分辨率都是288×352.由于提出的優(yōu)化公式中重構(gòu)誤差與峰值信噪比PSNR成反比,重構(gòu)視頻質(zhì)量可以使用PSNR(dB)來(lái)衡量。因?yàn)樗崾龅墓讲皇且粋€(gè)簡(jiǎn)單的凸函數(shù),不能直接得到最合適的包分配因子J直接求最小誤差,因此使用網(wǎng)格搜索法來(lái)尋找最合適的J.這里假設(shè)信噪比已知,并將J的搜索步長(zhǎng)設(shè)置為2.

圖5和圖6展示了在4×1系統(tǒng)中不同J和不同方案下Foreman序列和News序列的平均PSNR.a圖表示使用OSTBC編碼不同J個(gè)包的性能,b圖表示不同方案性能的對(duì)比。虛線表示未使用功率分配的情況。J=0時(shí)表示使用純QSTBC傳輸方案;J=2時(shí)表示使用OSTBC方案?jìng)鬏?個(gè)最重要的包,同時(shí)丟棄2個(gè)最不重要的包,使用QSTBC方案?jìng)鬏?0個(gè)一般重要的包。圖中可以看出,在選用合適的J時(shí),提出的方案總能得到最高的PSNR,相較于純QSTBC方案,PSNR能夠提高(0.2～2)dB左右。

圖5 丟包數(shù)量與視頻恢復(fù)質(zhì)量的關(guān)系-foreman序列

圖6 丟包數(shù)量與視頻恢復(fù)質(zhì)量的關(guān)系-news序列

4 總結(jié)

本文提出了一種基于自適應(yīng)STBC的多天線HDA視頻傳輸方案。在4×1系統(tǒng)中,在模擬部分與數(shù)字部分進(jìn)行功率優(yōu)化分配后,為了在傳輸分集中獲得增益,使用OSTBC傳輸最重要包,同時(shí)丟棄最不重要包,次重要包使用QSTBC發(fā)送。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,提出方案比只使用OSTBC或QSTBC提供了更好的視頻傳輸質(zhì)量。