CN101027911A - 无线多媒体通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种无线多媒体通信方法，通过在视频应用层利用物理层信道状态信息(CSI)，来提高无线视频的传输质量。根据该方法，发送端根据由接收端反馈获得的接收天线的SNR信息和系统要求的误比特率，确定系统最大传输速率Rmax。同时，在视频应用层采用分级编码方式把比特流分成基本层和增强层。当采用FGS编码时，从基本层开始发送，并在增强层增加比特，直到视频流的比特率刚好低于Rmax。当采用信噪比、空间或时间分级编码，若Rmax足够大能同时容纳基本层和增强层，则它们均被发送；否则，仅发送基本层。

Description

无线多媒体通信方法
技术领域
本发明特别涉及到多天线正交频分复用(OFDM)的无线多媒体通信方法。
背景技术
无线通信与Intemet、多媒体融合而成的无线多媒体通信是当前及未来通信业务的增长点。为满足无线多媒体和高速数据传输的要求，需要开发新一代无线通信系统。其中多天线输入和输出(MIMO)和正交频分复用(OFDM)相结合的MIMO-OFDM无线传输技术受到广泛关注。
MIMO和OFDM相结合的MIMO-OFDM技术具有两者的优点。也就是，MIMO-OFDM既能通过OFDM调制把频率选择性MIMO衰落信道分解成一组并行的平坦衰落信道，又能利用MIMO提高了系统容量，适用于传输高速率的音、视频等多媒体业务。
在无线多媒体通信中，与数据、音频相比，视频的无线传输尤为困难。且在利用运动补偿的视频编码算法中，大多数帧与前面的帧相关。任一帧的错误将传播到后续的若干帧中而引起严重的传输质量的降低。由于视频的实时特性，视频帧必须在一定持续时间内接收。高比特率、低错误率和低时延是对视频通信的固有要求。传统的通信网络设计为各层协议相互独立，在无线视频情况下，视频应用独立于传输信道。
但在无线传播环境下，阴影、多径衰落和其他干扰造成接收视频质量恶化。为降低错误率，视频流的编码比特率必须与信道传输比特率相适应。为实现该目标，物理层和媒体接入控制(MAC)层需要复杂的缓存器和纠错机制，以使无线信道类似于一个恒定比特率、高可靠的有线信道。
由于视频应用通常有严格的时延要求，即使信道条件较好，传送质量也并不能得到保证。在已提出的提高多媒体传输质量的技术中，前向纠错(FEC)机制增加了编码冗余，自动请求重发(ARQ)机制的性能好于FEC，但引入了时延。且这些技术中，物理层与视频应用层也是相互独立的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线多媒体通信方法，与传统的层间独立不同，在视频应用层利用物理层信道状态信息(CSI)，由此能提高无线视频传输质量。
为了实现上述目的，本发明提出了一种无线多媒体通信方法，包括下述步骤：对多媒体视频流进行分级编码，按照特定的分级编码方式，把多媒体视频流分成基本层和增强层；应用层根据从物理层得到的当前信道传输速率信息，在从物理层进行发送时，确定最大传输速率是否大于当前信道传输速率；如果所述最大传输速率不大于当前信道传输速率，则结束处理；如果所述最大传输速率大于当前信道传输速率，则进行以下处理：如果所述特定的分级编码方式为第一分级编码方式，则从所述基本层开始发送，并在所述增强层增加比特，直到视频流的当前信道传输速率刚好低于最大传输速率；如果所述特定的分级编码方式为第二分级编码方式，则如果所述最大传输速率能同时容纳所述基本层和所述增强层，则所述基本层和所述增强层均被发送；如果所述最大传输速率不能同时容纳所述基本层和所述增强层，仅发送所述基本层。
根据本发明，与传统的层间独立不同，在视频应用层利用物理层信道状态信息，由此能提高无线视频传输质量。
附图说明
图1是根据本发明实施例的MIMO-OFDM无线多媒体通信系统的结构方框图；
图2是根据本发明实施例的跨层联合方法的流程图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明的实施例进行详细描述。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。
本发明的思想是在发送端利用反馈得到的信道信息确定发送比特流的速率，下面结合图1和图2具体说明本发明的实施例。
在第一步，在发送端对多媒体比特流进行分级编码(S21)。也就是，视频应用层使用信噪比、空间、时间、精细粒度等分级编码技术把比特流分成基本层和增强层。
在分级编码技术中，视频序列被编码为多个比特流(层)，各层的重要性和比特率可变。视频接收质量取决于接收到的基本层和增强层的数目。最重要的是基本层，包括粗糙粒度信息。增强层包括一些增强信息，它能加入到基本层的信息中。离基本层越远，增强层的相对重要性越低。基本层具有独立性，无论能否获得增强层，它均能被译码。相反，若无基本层和以前的增强层信息，增强层不能被译码。分级视频编码的结果是视频比特流被编码为多个比特率而不是一个比特率。由于无线信道衰落使比特率变化较快，需要一种有效机制来克服衰落的影响，在信源端采用分级编码是一种抗误码的有效方法，分级编码(Scalability Coding)可以分为信噪比(SNR ScalabilityCoding)分级编码、时间分级编码、空间分级编码以及精细粒度分级(FGS)编码的四类。
在信噪比(SNR)分级编码中，发射视频比特流的信噪比通过比例量化系数度量。不同量化精度导致原始的与量化的视频之间不同的PSNR(PeakSignal to Noise Ratio)，故称为SNR可分级性(SNR Scalable)。基本层通过对原始图像或在变换域应用一个粗量化器得到。增强层包含原始图像与由基本层重建图像之间的量化差值，采用的量化器更精细，能达到比基本层更好的质量。
在时间分级编码中，可以对不同内容的层采用不同帧率。一般对基本层以低帧率编码，而对增强层以高的帧率编码以获得好的视频质量。
在空间分级编码中，以低的分辨率对基本层编码，而对增强层以高分辨率编码。由于增强层使用了较小的量化参数，其质量比基本层高。
在精细粒度分级编码中，前述可分级方法生成由若干层组成的比特流，基本层后是若干个增强层。这种类型的编码器比未分级编码器的性能较优，但它仅提供粗粒度，仅在码率以大的离散步长增加时才能获得质量改善。而精细粒度分级编码中，码率和质量以小的步长增加。在极限情况下，比特流可通过每个附加比特提供连续的视频质量的改善，即嵌入式编码。
以H.263+视频流为例进行说明。H.263+能提供SNR，空、时分级编码选项。若选用SNR分级方式，则基本层由I帧和P帧组成。由于在SNR分级编码中，增强层由原始图像和包括I或P帧的量化图像之间的不同信息组成。在H.263+中，增强层信息被编码为对应I或P帧的EI或EP帧。因此，发送增强图像时包括基本层(I或P帧)和对应的增强层(EI或EP帧)。
在第二步，把视频比特流经过MIMO-OFDM系统发射、信道传输后恢复。
图1表示一个有Nt根发射天线和Nr根接收天线的MIMO-OFDM系统。
信息比特流经视频编码后的视频流比特流经过复用、信道编码、交织、调制、Nc点逆离散傅氏变换(IDFT)、加入循环前缀(CP)后发射。在接收端，利用训练序列计算每根天线接收信号噪声比(一般假设每根天线接收信噪比相同)(S22)。它反映了信道状态信息，并反馈到发送端(S23)。
在第三步，跨层联合设计。
物理层根据接收机估计得到的当前SNR随时间改变发送速率(S24)。这可通过变速率正交幅度调制(Multilevel Quadrature Amplitude Modulation；MQAM)、多相移频键控(MPSK)调制等和不同速率编码方式，如卷积码、Turbo码、低密度奇偶校验码(LDPC)等实现。同时，利用训练序列进行符号定时，频偏估计、校正，移除CP，Nc点离散傅氏变换(DFT)后，采用MIMO检测算法，如极大似然估计、VBLAST、球形译码等方法恢复发射符号，然后进行解调、解交织、译码后恢复视频比特流，最后利用视频解码器恢复信息比特。
在发送端，根据获得的SNR信息和系统要求的误比特率，确定发送端物理层最大传输速率Rmax(S24)。例如系统采用MPSK调制，已知SNR和Pe，根据公式(1)计算出调制级数M，再根据信道带宽W和公式R＝Wlog2 M可计算出Rmax。
公式(1)
P e ≈ 2 Q [ 2 SNR sin π M ]
Q ( x ) = 1 2 erfc ( x 2 )
(其中，erfc( )为误差函数)
与确定最大传输速率Rmax的同时，利用可变速率调制和不同编码方式调整速率。
应用层根据从物理层得到的当前信道中比特率信息Rch，在物理层发送一帧时，校验Rmax是否大于当前信道中比特速率Rch(S25)。
如果Rmax不大于当前信道中比特速率Rch，则进行到步骤S27，处理结束。
如果Rmax大于当前信道传输比特率Rch，则进行以下处理：
若采用精细粒度分级，则从基本层开始发送，并在增强层增加比特，直到视频流的总比特率刚好低于Rmax(S26)。当采用SNR、空或时分级时，若Rmax足够大能同时容纳基本层和增强层，则它们均被发送；否则，仅发送基本层(S27)。
同样，本发明提出的跨层联合设计方法适用于单天线OFDM无线多媒体通信系统以及多用户、单/多天线OFDM无线多媒体通信系统。
尽管已经针对典型实施例示出和描述了本发明。本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。
(工业上的可利用性)
根据本发明的无线多媒体通信方法特别适合于多天线正交频分复用。

Claims (8)

1、一种无线多媒体通信方法，包括下述步骤：
对多媒体视频流进行分级编码，按照特定的分级编码方式，把多媒体视频流分成基本层和增强层；
应用层根据从物理层得到的当前信道传输速率信息，在物理层进行发送时，确定最大传输速率是否大于当前信道传输速率；
如果所述最大传输速率不大于当前信道传输速率，则结束处理，而如果所述最大传输速率大于当前信道传输速率，则进行以下处理：
如果所述特定的分级编码方式为第一分级编码方式，则从所述基本层开始发送，并在所述增强层增加比特，直到视频流的当前信道传输速率刚好低于最大传输速率；如果所述特定的分级编码方式为第二分级编码方式，则如果所述最大传输速率能同时容纳所述基本层和所述增强层，则所述基本层和所述增强层均被发送；如果所述最大传输速率不能同时容纳所述基本层和所述增强层，仅发送所述基本层。
2、根据权利要求1所述的无线多媒体通信方法，其中在安装有多个天线的接收端计算接收天线的信号噪声比，并利用反馈信道把计算出的所述信噪比反馈到发送端，所述发送端根据由所述反馈信道获得的信噪比信息和系统要求的错误比特率，确定所述发送端物理层的所述最大传输速率。
3、根据权利要求2所述的无线多媒体通信方法，其中从分别安装有多个天线的所述发送端的所有天线发送训练序列，并在所述接收端利用接收到的所述训练序列计算所述信噪比。
4、根据权利要求2所述的无线多媒体通信方法，其中根据信道传输速率，相应地改变物理层的编码、调制方式，以适应速率要求。
5、根据权利要求1所述的无线多媒体通信方法，其特征在于所述第一分级编码方式为精细粒度分级编码方式，而所述第二分级编码方式为信噪比分级编码方式。
6、根据权利要求1所述的无线多媒体通信方法，其特征在于所述第一分级编码方式为精细粒度分级编码方式，而所述第二分级编码方式为空间分级编码方式。
7、根据权利要求1所述的无线多媒体通信方法，其特征在于所述第一分级编码方式为精细粒度分级编码方式，而所述第二分级编码方式为时间分级编码方式。
8、根据权利要求4所述的无线多媒体通信方法，其特征在于通过改变包括变速率正交幅度调制和多相移频键控调制的物理层的调制方式，并改变包括卷积码、Turbo编码和低密度奇偶校验码的物理层的编码方式，来改变信道传输速率。
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