CN101253771A - 用于ieee802.11无线局域网上的可扩展视频组播的跨层优化 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于在组播会话中向多个接收机传输视频信号的系统及方法，包括控制并适配网络协议栈的多个层的编码、传输和保护方案。

Description

用于IEEE802.11无线局域网上的可扩展视频组播的跨层优化

技术领域

本发明涉及在无线局域网(WLAN)上组播的视频内容，更具体地，涉及通过调整横跨多层协议栈的差错控制策略来优化针对目标用户的分发而得到的视频质量的改进。

背景技术

IEEE802.11无线局域网(WLAN)上的视频组播使得能够有效地向多个接收机分发实况视频或预先记录的视频，例如，电视节目或特定位置的视频信息在诸如机场、咖啡馆和大型购物中心之类的热点区域中的分发。用户可以在浏览因特网的同时通过移动设备观看喜欢的电视节目。其它的示例包括在隧道和地铁中使用WLAN将卫星电视服务延伸到移动设备、无线视频课程、以及针对企业用户的视频培训等等。

无线网络中的误码率通常较高。对于组播而言，IEEE 802.11无线链路层不执行丢失的分组的重传。如果发生差错，则在接收机处丢弃该数据帧。因此，在不具有优良的接收条件的情况下，无法向用户保证所需要的可靠性。此外，在视频组播应用中，针对相同视频的接收机可能经历不同的信道条件，并且针对接收机的信道条件由于衰落、遮蔽、干扰和移动性而在不同的时间变化。新的接收机可以在会话期间加入，或者某些接收机可能离开，从而导致了变化的用户拓扑。

在本领域中已知的是，为了在无线局域网(WLAN)中实现可靠的视频传输，每个网络协议层提供了单独的解决方案，例如，对适当的物理层调制和信道编码(PHY模式)的选择、媒体接入协议(MAC)层重传、应用层前向纠错(FEC)、分组大小优化、可扩展视频编码的使用、等等。然而，每一层的机制独立地操作并且独立地选择该其机制的参数。这种分层的方法并未产生针对视频传送的最优系统性能。

近来，用于实现针对WLAN中的视频传输的最优系统性能的跨层设计已经获得了一些关注。已经通过联合地适配MAC重传限制、应用层FEC、分组化和可扩展视频编码提出了针对WLAN中的视频单播的跨层保护策略。然而，该策略不可应用于组播。首先，对于组播而言，多个用户接收相同的视频，并且对于优化系统设计而言必须考虑所有用户的总视频质量。应当注意，该相同视频的接收机可能同时经历不同的信道条件，并且相同的接收机也可能在不同时间经历不同的信道条件。接收机可能在会话期间加入或离开，因此接收机拓扑动态地改变。不可能像现有技术中一样基于单个用户的反馈来作出适配判决。其次，IEEE 802.11链路层不执行对丢失的组播数据帧的重传。如果发生差错则在接收MAC处丢弃该帧。第三，在现有技术中，PHY模式是固定的。PHY模式是影响视频传输质量的重要参数，特别是在组播的情况下(未经用户链路适配和重传)，因此，对于跨层优化而言需要考虑PHY模式。第四，在现有技术中，带宽分配是优化的。当可针对不同的PHY模式调节信道带宽时，对带宽分配进行优化是不直接的。取而代之地，需要将信道使用率(channle usage)视为更通用的资源。

本发明要解决的问题是如何在有效地利用可用无线网络资源的同时为期望/目标服务区域中的相同组播视频的所有用户提供服务质量。因此，为了在有效地利用可用的无线网络资源的同时向期望/目标服务区域中的相同组播视频的所有用户提供服务质量，新的跨层优化算法对于提供802.11IEEE上的有效和健壮的视频组播服务是必要的。

发明内容

本发明基于一种用于IEEE802.11WLAN上的可扩展视频组播的自适应跨层优化方法和系统。因此，本发明控制并适配不同的网络协议层中可用的各种编码、传输和保护方案，包括物理层中的调制和信道编码模式(PHY模式)、应用层前向纠错(FEC)开销、分组化以及可扩展视频编码速率，以实现期望/目标服务区域中的组播视频会话的所有接收机的最优整体视频质量。此外，根据层(基础层和增强层)的重要性，将不同的跨层传输和保护参数应用于可扩展视频的基础层和增强层。本发明的方法和系统能够动态地适用于多用户的变化的用户拓扑和信道条件。

本发明描述了一种用于在组播会话中向多个接收机传输视频信号的系统和方法，包括控制并适配网络协议栈中的多个层的编码、传输和保护方案。本发明的系统和方法实现了接收机在目标服务区域中的多播会话中的最优整体视频质量。

附图说明

根据下面结合附图来阅读的详细说明，能够最佳地理解本发明。该附图包括以下简述的图示，其中，附图中相似的数字表示类似的元件：

图1是一种网络系统的概述图；

图2是本发明的方法的流程图；

图3是根据本发明的视频服务器的示意性框图；

图4是针对不同的IEEE802.11a PHY模式的分组丢失率的仿真；

图5是针对视频基础层和增强层的信道使用的仿真；

图6是对本发明的跨层优化算法的性能的仿真；

图7是对本发明的跨层优化算法中的基础层和增强层PHY模式选择的仿真；

图8是对当根据服务区域中最差的可能信道条件来选择增强层源编码、传输和保护参数时的性能的仿真；

图9是使用有限的极小化极大度量作为整体视频质量度量来确定增强层源编码、传输和保护参数时的性能仿真。

具体实施方式

现在参照图1，示出了在本发明的上下文中所考虑的一种典型的网络系统。无线设备105a、105b、105c、105d经由IEEE 802.11无线中间设备110(例如无线接入点或无线路由器)以及高速有线接入网(例如以太网)与视频组播服务器相连。无线设备包括无线移动设备，例如但不限于移动电话、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、膝上型计算机、移动终端以及是或可以是移动的/无线的任意其它无线设备。视频服务器115以组播方式通过该高速有线网络向无线中间设备110传输一个或多个视频节目。该中间设备以组播方式通过IEEE 802.11无线局域网(WLAN)将该视频分发到该无线设备。该无线设备105a-105d的用户可以观看一个或多个视频节目。图1描述的网络拓扑仅仅是示意性的，而非旨在限定。该网络拓扑用于将本发明的跨层优化方法和系统放进适当的环境中。这里描述的跨层优化方法及系统可以用于具有不同网络配置的任意IEEE 802.11无线局域网上的视频组播应用。

视频服务器115包括可扩展视频编码器、分组化器(packetizer)、以及前向纠错(FEC)编码器。将精细可扩展性编码(FGS)用作描述本发明的可扩展视频的一个示例。然而，本发明可应用于其它可扩展视频编码。视频编码器将原始视频编码到基础层(BL)和增强层(EL)中。基础层(BL)承载最重要的视频信息，而增强层(EL)承载较不重要的信息。对视频的每一层进行分组化，并且跨视频分组地使用FEC码，以防止分组丢失。所使用的FEC可以是任意系统的前向纠错码，例如，Reed-Solomon(RS)码。将(n，k)RS码应用于k个源分组以形成h＝(n-k)个FEC保护分组，该保护分组可以恢复(n-k)个丢失的分组。将FEC码速率定义为r＝k/n。从视频服务器通过高速以太网向WLAN中间设备(ID)发送不同层的视频分组及其FEC保护分组。然后WLAN ID将该组播IP分组封装到IEEE 802.11组播MAC帧中，并将该MAC帧传输给用户。

为了有效地利用诸如WLAN信道之类的网络资源，对BL和EL的视频源比特速率、跨层传输和保护方案(PHY模式和应用层FEC)以及分组大小进行联合地控制，以实现期望/目标服务区域中的组播视频的所有用户的最优整体视频质量。基于来自接收机的信道状态反馈，使得这些参数动态地适用于多用户的变化的用户拓扑和信道条件。此外，根据基础层和增强层的重要性，对基础层和增强层进行不同的保护和传输，也就是说，在PHY模式、分组大小以及应用层FEC方面的跨层操作参数对于BL和EL而言是不同的。

在本发明的方法和系统中，对PHY模式进行了适配。即使使用WLAN信道来传输视频数据的时间是相同的，用于视频会话的可用带宽也随着不同的PHY模式而改变。因此，考虑将用于分流组播视频的信道使用(而非带宽)作为限制。将视频会话的信道使用定义为用于传输组播视频会话的数据的WLAN信道时间的百分比。

在视频组播中，接收机经历了不同的信道条件，从而得到不同的视频质量。对一个用户的接收质量进行最大化的在PHY模式m、分组大小La、应用层FEC参数n和k方面的跨层操作参数可能对其它用户而言并不是最佳的。期望在总信道使用限制下优化针对相同视频会话的所有用户的某些复合性能度量。为了测量相同视频会话的多个用户的整体视频质量(称为组视频质量)，性能度量定义如下：

$Q_g(J_{\mathrm{BL}},R_{s\_\mathrm{BL}},J_{\mathrm{EL}},R_{s\_\mathrm{EL}})={\∑}_{i}w\left({\mathrm{\γ}}^{\left(i\right)}\right)Q_r^{\left(i\right)}({\mathrm{\γ}}^{\left(i\right)},J_{\mathrm{BL}},R_{s\_\mathrm{BL}},J_{\mathrm{EL}},R_{s\_\mathrm{EL}})---\left(1\right)$

其中R_{s_BL}和R_{s_EL}分别表示BL和EL的源比特速率，γ⁽ⁱ⁾表示该视频组播会话的第i个用户所经历的信道SNR值，J_BL是用于基础层视频的跨层操作参数集，即(m_BL、L_a，BL、n_BL、k_BL)，J_EL是用于增强层的跨层操作参数集合(m_EL、L_a，EL、n_EL、k_EL)。w(.γ⁽ⁱ⁾)是取决于.γ⁽ⁱ⁾的值的权重，并满足以下公式：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}w\left({\mathrm{\γ}}^{\left(i\right)}\right)=1---\left(2\right)$

该性能度量是具有不同的信道条件的用户接收的视频质量的加权平均，其中该权重取决于用户的信道条件。以下是可能的权重函数：

$w\left({\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1/N& {\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_t\\ 0& {\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)}<{\mathrm{\&gamma;}}_t\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中N是在信道SNRγ的值大于或等于阈值.γ_t时的总用户数。这意味着在信道的SNR优于γ_t时平等对待所有的用户，在选择和适配该组播参数时不考虑具有较差信道条件的其它情况。

在本发明中，根据视频服务质量(QoS)需求和可用网络资源来确定所允许的WLAN的信道使用T。对于给定的信道使用T，本发明控制并适配BL操作参数和EL操作参数，以实现目标服务区域中的所有用户Q_g(J_BL，R_{s_BL}，J_EL，R_{s_EL})的最优整体视频质量，该BL操作参数包括BL源速率R_{s_BL}和BL跨层保护和传输四元组J_BL＝(m_BL，L_{a_BL}，n_BL，k_BL)，该EL操作参数包括EL源速率R_{s_EL}和EL跨层保护和传输四元组J_EL＝(m_EL，L_aEL，n_EL，k_EL)。这可以用以下的公式表示为基于限制的优化问题：

$\underset{(J_{\mathrm{BL}},R_{s\_\mathrm{BL}},J_{\mathrm{EL}},R_{s\_\mathrm{EL}})}{\mathrm{Max}}\{Q_g=\underset{i}{\&Sum;}\text{w}({\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)}{)Q}_r^{\left(i\right)}({\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)},J_{\mathrm{BL}},R_{s\_\mathrm{BL}},J_{\mathrm{EL}},R_{s\_\mathrm{EL}})\}---\left(4\right)$

以使得：

t_tot(J_BL，R_{s_BL}，J_EL，R_{s_EL})＝t_BL(J_BL，R_{s_BL})+t_EL(J_EL，R_{s_EL})≤T

下面详细地描述如何选择和适配跨层源编码、传输和保护参数。在本发明中，以所能接受的最低限度的视频质量来对BL进行编码，并且根据期望的最低限度的视频质量和视频序列的时空特性来确定BL的源比特速率R_{s_BL}。增强层充分利用可用信道使用时间来对基础层视频进行改进。注意，可以实时地或者针对稍后的分发而离线地压缩可扩展视频内容。

针对BL，选择跨层传输和保护四元组J_BL，以便在最小化BL信道使用的同时满足针对目标服务区域中在最差情况下的用户所需要的残留分组丢失率(PLR)。将BL残留PLR保持为极小，因此为目标区域中具有优于阈值.γ_t的信道SNR的用户确保了最低限度的QoS。P_{t_BL}表示应用QoS所需要的BL残留RLR，通过以下公式来获得J_BL：

$\underset{\left\{J_{\mathrm{BL}}\right\}}{\mathrm{Min}}{t}_{\mathrm{BL}}(J_{\mathrm{BL}},R_{s\_\mathrm{BL}})$

以使得

P_{RS_BL}(J_BL，γ_t)≤P_{t_BL}                 (5)

这可以通过服务提供商/网络管理员来完成。尽管在视频会话期间可以根据等式(4)随着EL源速率R_{s_EL}以及EL传输和保护参数J_EL＝(m_EL，L_aEL，n_EL，k_EL)一起来动态地适配BL源速率R_{s_BL}和BL传输和保护参数J_BL＝(m_BL，L_{a_BL}，n_BL，k_BL)，但是这里由服务提供商/网络管理员在会话初始化时根据期望服务区域中的最差的可能信道条件来确定BL参数。这是因为：如果在会话期间动态地改变BL参数，则用户在该变化之间可能经历接收视频质量的动态变化，这是不期望的。因此，在会话初始化时基于最差的目标信道条件来选择BL源编码、传输和保护参数，并在会话期间根据多用户的变化的用户拓扑和信道条件来动态地改变EL参数。例如，服务提供商/网络管理员确定无线中间设备的目标服务区域，例如建筑物。给定该无线中间设备的固定功率S＝S₀，则可以通过实验测量或分析来获得该区域中的最差信道SNRγ_t。确保具有优于γ_t的信道SNR的用户的BL残留PLR小于所需要的值P_{t_BL}，以使得该用户可以具有最低限度的视频质量。当最小化了t_BL时，在固定的总信道使用下t_EL是最大化的。

此外，选择EL源速率R_{s_EL}和EL跨层保护和传输四元组J_EL＝(m_EL，L_{a_EL}，n_EL，k_EL)，以优化在等式(4)中所定义的网络资源限制下的组视频质量。基于多个接收机的反馈，使得这些EL操作参数动态地适用于多用户的变化的用户拓扑和无线信道条件。注意，如果用户处于具有小于γ_t的信道SNR的极差信道条件中，则并不如同使用等式(3)中的权重函数一样来为该用户提供服务。

针对FGS视频，当BL残留PLR非常低时，针对大多数视频序列的BL信道失真保持为非常低。所接收的BL视频质量取决于BL源比特速率。Q₀表示接收机处的BL视频质量，R_{r_EL}表示EL的有效接收数据速率，θ表示用于该视频序列的速率失真模型的参数。组视频质量估计可以简化如下：

$Q_g=Q_0\left(R_{s\_\mathrm{BL}}\right)+\mathrm{\&theta;}\&CenterDot;\underset{i}{\&Sum;}w\left({\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)}\right)R_{r\_\mathrm{EL}}^{\left(i\right)}({\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)},J_{\mathrm{EL}},\mathrm{Rs}\_\mathrm{EL})---\left(6\right)$

这意味着对组视频质量的优化等价于对目标区域中的所有用户的有效接收的EL数据速率的加权平均进行最大化。

参照图2，可以如下地概述在跨层控制模块(也称为跨层控制器)中所执行的本发明的运行时间最优跨层算法。在步骤205处，根据视频服务质量(QoS)需求和可用网络资源来配置所允许的WLAN信道使用T。在步骤210处，基于目标服务区域来选择信道SNR阈值γ_t。在步骤215处，基于期望的最低限度的视频质量来选择BL源比特速率R_{s_BL}和所需要的BL的残留PLRP_{t_BL}。在步骤220处，在(使用等式4)保证残留PLR小于针对具有优于SNR阈值γ_t的信道SNR的接收机的期望残留PLR P_{t_BL}的同时，确定BL的跨层传输和保护参数J_BL＝(m_BL，L_{a_BL}，n_BL，k_BL)以最小化BL信道使用。不考虑具有极差的信道条件(信道SNR差于该阈值)的用户。在步骤225处，本发明的系统及方法在总信道使用限制下，基于多个接收机的变化的用户拓扑和信道条件反馈，动态地适配EL源速率、跨层EL传输和保护四元组J_EL＝(m_EL，L_a，EL，n_EL，k_EL)，以(使用等式4)最大化目标服务区域中的所有用户的组视频质量。针对FGS视频，可以将本发明的跨层优化算法简化为在步骤225处使用等式(6)来最大化期望的目标服务区域中的所有用户的有效的接收EL数据速率的加权平均。

在步骤230处，该跨层控制模块指示该可扩展视频编码器基于执行该跨层优化算法的跨层控制模块所选择的BL和EL源速率来对视频进行编码。该跨层控制模块还在步骤235处指示分组化器基于所选择的分组大小来形成BL和EL视频分组，并在步骤240处指示FEC编码器基于所选择的FEC参数来应用跨分组的FEC。在步骤245处，将BL和EL视频分组以及FEC分组从视频服务器经由通信单元传输至接收机(无线设备)。在步骤250处，跨层控制模块基于跨层优化算法所选择的模式来控制并适配WLAN中间设备的BL和EL的PHY模式(物理层调制和信道编码模式)。可以经由该通信单元单独地发送控制消息以控制中间设备处的PHY模式，或者可以随每个数据分组一起传输控制消息，以指示用于该中间设备传输该数据分组的PHY模式。此外，在步骤255处，该跨层控制模块收集用户信道条件反馈，并基于多个接收机的信道反馈来动态地适配EL源速率R_{s_EL}以及EL传输和保护参数J_EL＝(m_EL，L_a，EL，n_EL，k_EL)，以实时地优化组视频质量。注意，在选择和适配该BL和EL组播参数时不考虑具有差于γ_t的信道SNR值的用户。

图3是根据本发明的视频服务器115的示意性框图。视频服务器115包括可扩展视频编码器305、分组化器310、前向纠错(FEC)编码器315、通信单元320和跨层控制模块325。可扩展视频编码器305、分组化器310、FEC编码器315和通信单元320均由跨层控制模块325进行控制或指示。可扩展视频编码器305将原始视频编码到基础层和增强层比特流中。分组化器310根据相应的比特流来产生基础层和增强层分组，并给所产生的分组添加分组报头。FEC编码器315将不同的跨分组FEC编码应用于基础层和增强层分组。通信单元320发送和接收该分组。跨层控制模块325控制视频服务器115内的可扩展视频编码器305、分组化器310、前向纠错(FEC)编码器315和通信单元320。跨层控制模块325还通过通信单元320来控制无线中间设备(ID)110的IEEE 802.11PHY模式，以便在所需要的QoS和资源限制下实现多个用户105a-105d的最优整体视频质量。跨层控制模块可以单独地发送控制信息以配置ID PHY模式。备选地，可以随每个数据分组一起传输控制消息，以指示ID应当使用哪个PHY模式来传输该数据分组。无线视频接收机将向跨层控制模块325反馈该无线视频接收机的信道状态。基于视频会话的多个接收机105a-105d的估计的信道条件，跨层控制模块325确定并适配源比特速率、分组大小、应用层FEC以及用于BL和EL的IEEE 802.11PHY模式。

在备选的实施例中，视频服务器115和IEEE 802.11WLAN中间设备110可能共处一地。还可以使用备选的度量来测量组视频质量。例如，可以采用备选的度量，来对由于目标服务区域中的多个用户中的组播而引起的最大个人视频质量恶化进行最小化。如果仅考虑目标服务区域中具有信道SNRγ⁽ⁱ⁾的单个用户i，其中γ⁽ⁱ⁾大于或等于信道SNR阈值γ_t，则在给定允许的信道使用T的情况下，可以选择BL和EL的最优的跨层源编码、传输和保护参数，来最大化该用户的视频质量。在组播/广播中，由于还需要为具有不同的信道条件的其它用户提供服务，因此用户的接收质量可能从其最优性能下降到某个程度。可以选择EL源编码、传输和保护参数，以最小化该服务区域中的任何用户所经受的最大性能下降。这可以用以下公式来表示：

$\min \mathrm{\&Delta;}=\min \left\{\underset{i\&Element;{\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_t}{\max }\right[Q_{\mathrm{opt}}^{\left(i\right)}\left({\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)}\right)-Q^{\left(i\right)}({\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)},J_{\mathrm{BL}},R_{s\_\mathrm{BL}},J_{\mathrm{BL}},R_{s\_\mathrm{EL}})\left]\right\}---\left(7\right)$

其中，Q⁽ⁱ⁾ _opt(γ⁽ⁱ⁾)是通过针对第i个用户当该用户是唯一的用户时使用BL和EL的最佳的源编码、传输和保护参数而实现的最佳期望视频质量，Q⁽ⁱ⁾是针对组播中使用的特定参数的该用户的实际接收性能。注意，如果用户在期望的服务区域之外并且具有极差的信道条件，即γ＞γ_t，则在选择该组播参数时不考虑该用户。该度量被称为有限极小化极大度量。备选的实施例是使用该度量来确定EL源编码、传输和保护参数。

图4是在四个IEEE 802.11a PHY模式下针对两种不同的有效载荷大小的PLR的仿真。当信道SNR改进时，不同有效载荷大小之间的差别变得更小。对于给定的信道SNR，具有较低数据速率模式的PLR总是优于具有较高数据速率模式的PLR，即，PHY模式具有的数据速率越低，该PHY模式就越健壮。这是因为较低的速率模式使用更健壮的调制方案和更多的信道编码开销。

由目标服务区域来确定信道SNR阈值γ_t。通过本发明的算法实现的BL的最小信道使用取决于信道SNR阈值、所需要的BL残留PLR、以及BL源速率。图5是当BL数据速率是200Kbps并且为组播视频会话分配的总信道使用时间t_tot是WLAN信道的10％时对在不同的γ_t下为传输EL数据所保留的最小BL信道使用和信道时间的仿真。可以看出，BL信道使用随着更大的信道SNR阈值而逐步降低。那些拐点是由于最优模式随着逐渐增加的阈值SNR而逐步升高。当γ_t小于2.5dB时，BL信道使用超过t_tot，则无法满足BL视频质量。

对本发明的跨层优化算法进行仿真。在仿真中，将视频组播会话t_tot的总信道使用时间设定为10％，BL数据速率是每秒25个帧的200Kbps。假设为了仿真目的，组播视频会话具有80个用户，该80个用户的信道SNR均匀地分布在[0，30]dB之间。

图6是在表示FGS视频的组视频质量的不同的信道SNR阈值γ_t下、使用所提出的自适应跨层优化算法来适配PHY模式、应用层FEC和分组大小J_EL＝(m_EL，L_{a_EL}，n_EL，k_EL)时、所有所服务的用户的平均有效接收的EL数据速率的仿真。在等式(3)中给出了该仿真中所使用的权重函数。为了进行比较，还示出了仅适配应用层FEC和分组大小(L_a，EL，n_EL，k_EL)但是固定PHY模式的结果。注意，本发明的算法在不同的信道SNR阈值下实现了良好的性能。还可以看出，选择适当的PHY模式是重要的。我们注意到，在用于BL和EL视频传输的固定的PHY模式1或5的情况下，R_{d_EL_av}总是差于使用所提出的自适应算法时的情况。这是因为模式5和1并非针对EL优化来选择的。图7是在各种SNR阈值下用于BL和EL的模式选择的仿真。尽管用于BL的模式随着逐渐增加的γt而逐步地升高，但是EL总是优先选择较高的模式，以获得较大的平均有效数据速率R_{d_EL_av}。

可以使用备选的权重函数来设计该系统，例如：

在这种情况下，假设在期望服务区域中总是存在具有等于最差的可能信道条件γ_t的信道SNR的虚拟用户。因此，选择EL源编码、传输和保护参数以最大化该服务区域中具有最差的可能信道条件的用户的视频质量。注意，如果用户在该期望的服务区域之外，即γ＞γ_t，则将不考虑该用户。图8是使用该备选的权重函数的接收机侧平均有效EL比特速率的仿真。可以看出，与BL的情况相类似地，该曲线随着不同的阈值SNR而逐步升高，并且根据不同的阈值SNR来选择每个PHY模式。

图9是使用有限的极小化极大度量作为整体视频质量度量时的平均有效接收的EL比特速率的仿真。如果对图6-9进行比较，可以看出，对于图6而言，该优化度量并不有利于该阈值用户。对于图7而言，仅仅基于该阈值用户来选择EL源编码、传输和保护参数。图9的有限的极小化极大度量是用于对服务区域中的所有用户中的最大性能下降进行最小化。所有用户的性能将从其最优性能下降到某个程度，并且没有用户处于过于不利的地位。然而，该有限的极小化极大测量的一个问题在于计算非常复杂且基于其的系统优化需要密集的计算。

应当理解，可以以硬件(例如ASIC芯片)、软件、固件、专用处理器、或这些元件的组合的各种形式来实现本发明，例如，在服务器、中间设备(例如无线接入点或无线路由器)或移动设备中实现。优选地，将本发明实现为硬件和软件的组合。此外，优选地将该软件实现为有形地体现在程序存储设备上的应用程序。可以将该应用程序上载到包括任意适当的架构的机器中，并由该机器来执行该应用程序。优选地，在具有诸如一个或多个中央处理单元(CPU)、随机访问存储器(RAM)以及输入/输出(I/O)接口的硬件的计算机平台上实现该机器。该计算机平台还包括操作系统和微指令代码。这里描述的各种过程和功能可以是该微指令代码的一部分，或者是该应用程序的一部分，或者是该微指令代码和该应用程序的组合，并且这里描述的各种过程和功能是由该操作系统运行的。此外，各种其它外围设备可以与该计算机平台相连，例如附加的数据存储设备和打印设备。

还应当理解，由于优选地以软件来实现附图中描述的一些系统组件和方法步骤，因此该系统组件(或该过程步骤)之间的实际连接可以根据对本发明进行编程的方式而不同。在给定这里的教益的情况下，本领域的普通技术人员将能够设想本发明的这些以及类似的实施方式或配置。

Claims (45)

1、一种用于在组播会话中向多个接收机传输视频信号的方法，所述方法包括控制并适配网络协议栈的多个层的编码、传输和保护方案。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述方案包括调制和物理层信道编码方案。

3、根据权利要求1所述的方法，还包括应用层前向纠错编码。

4、根据权利要求1所述的方法，还包括适配分组化。

5、根据权利要求1所述的方法，还包括适配可扩展视频编码速率。

6、根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个接收机处于目标服务区域中。

7、根据权利要求4所述的方法，其中，所述分组化包括从多个分组大小中进行选择。

8、根据权利要求1所述的方法，还包括：

将所述视频信号分割成基础层和增强层中的一层，其中所述分割是基于所述分割的视频信号的重要性而进行的，以及所述分割提供了不均匀的保护；以及

将前向纠错编码应用于所述基础层和所述增强层。

9、根据权利要求8所述的方法，还包括选择用于所述基础层的物理层调制和信道编码模式、分组大小以及前向纠错编码方案，以最小化基础层信道使用率，以及保证残留分组丢失率小于具有大于信噪比阈值的信道信噪比的接收机所需要的分组丢失率。

10、根据权利要求8所述的方法，还包括：

接收来自所述多个接收机的反馈，所述反馈包括信道条件；以及

在总信道使用率限制下，动态地适配增强层源速率、增强层物理层调制和信道编码模式、以及增强层分组大小，并将前向纠错方案应用于所述增强层。

11、根据权利要求1所述的方法，其中，所述接收机是无线设备。

12、根据权利要求1所述的方法，其中，所述接收机是移动设备。

13、根据权利要求1所述的方法，还包括通过使用从多个度量中选择的度量来测量组视频质量，基于所述测量步骤来进行所述编码、传输和保护方案选择的适配。

14、根据权利要求13所述的方法，其中，所述组视频质量度量是使用下式定义的性能度量：

$Q_g(J_{\mathrm{BL}},R_{s\_\mathrm{BL}},J_{\mathrm{EL}},R_{s\_\mathrm{EL}})={\&Sum;}_{i}w\left({\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)}\right)Q_r^{\left(i\right)}({\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)},J_{\mathrm{BL}},R_{s\_\mathrm{BL}},J_{\mathrm{EL}},R_{s\_\mathrm{EL}}).$

15、根据权利要求13所述的方法，其中，所述组视频质量度量是使用下式定义的有限的极小化极大度量：

$\min \mathrm{\&Delta;}=\min \left\{\max \right[\underset{i\&Element;{\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_t}{Q_{\mathrm{opt}}^{\left(i\right)}}\left({\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)}\right)-Q^{\left(i\right)}({\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)},J_{\mathrm{BL}},R_{s\_\mathrm{BL}},J_{\mathrm{EL}},R_{s\_\mathrm{EL}})\left]\right\}.$

16、根据权利要求1所述的方法，还包括：

根据视频服务质量需求和可用网络资源来配置允许的信道使用率T；

基于目标服务区域来选择信道信噪比阈值；

基于最低限度的视频质量来选择基础层源比特速率和期望的残留分组丢失率；

确定所述基础层的跨层传输和保护参数，以便在保证残留分组丢失率小于具有优于信噪比阈值的信道信噪比的接收机所需要的残留分组丢失率的同时，最小化所述基础层信道使用率；

接收来自所述多个接收机的反馈，所述反馈包括信道条件；

在总信道使用率限制下，基于所述反馈来动态地适配所述增强层源速率以及增强传输和保护参数，以优化组视频质量度量；

选择基础层源速率和增强层源速率；

基于所述基础层源速率和所述增强层源速率，对所述视频信号进行编码；

选择基础层分组大小和增强层分组大小；

基于所述选择的基础层分组大小和增强层分组大小来形成基础层视频分组和增强层视频分组，产生分组报头，并向所述基础层视频分组和增强层视频分组添加所述分组报头；

选择基础层跨分组前向纠错参数和增强层跨分组前向纠错参数；

基于所述选择的基础层跨分组前向纠错参数和增强层跨分组前向纠错参数，将跨分组前向纠错编码应用于所述基础层视频分组和增强层视频分组；

将所述基础层视频分组和增强层视频分组以及前向纠错分组传输至所述多个接收机；

适配无线局域网中间设备的基础层和所述增强层物理层调制和信道编码模式；以及

基于所述反馈来动态地适配增强层传输和保护参数。

17、根据权利要求16所述的方法，还包括向所述中间设备发送控制消息，以控制所述中间设备处的所述物理层调制和信道编码模式。

18、根据权利要求17所述的方法，其中，所述控制消息被搭载在每个数据分组上。

19、一种用于在组播会话中向多个接收机传输视频信号的系统，包括用于控制并适配网络协议栈的多个层的编码、传输和保护方案的装置。

20、根据权利要求19所述的系统，其中，所述方案包括物理层调制和信道编码模式。

21、根据权利要求19所述的系统，还包括应用层前向纠错编码。

22、根据权利要求19所述的系统，还包括用于适配分组化的装置。

23、根据权利要求19所述的系统，还包括用于适配可扩展视频编码速率的装置。

24、根据权利要求19所述的系统，其中，所述多个接收机处于目标服务区域中。

25、根据权利要求22所述的系统，其中，所述用于适配分组化的装置包括用于从多个分组大小中进行选择的装置。

26、根据权利要求19所述的系统，还包括：

装置，将所述视频信号分割成基础层和增强层中的一个层，其中所述分割是基于所述分割的视频信号的重要性而进行的，并且所述分割提供了不均匀的保护；以及

用于将前向纠错编码应用于所述基础层和所述增强层的装置。

27、根据权利要求26所述的系统，还包括：装置，用于选择用于所述基础层的物理层调制和信道编码模式、分组大小和前向纠错编码方案的装置，以最小化基础层信道使用率，以及保证残留分组丢失率小于具有大于信噪比阈值的信道信噪比的接收机所需要的分组丢失率。

28、根据权利要求26所述的系统，还包括：

装置，用于接收来自所述多个接收机的反馈，所述反馈包括信道条件；以及

装置，用于在总信道使用率限制下动态地适配源速率、物理层调制和信道编码模式以及分组大小、并将前向纠错方案应用于所述增强层。

29、根据权利要求19所述的系统，其中，所述接收机是无线设备。

30、根据权利要求19所述的系统，其中，所述接收机是移动设备。

31、根据权利要求19所述的系统，还包括：装置，用于通过使用从多个度量中选择的度量来测量组视频质量，基于所述装置来进行所述编码、传输和保护方案选择的适配。

32、根据权利要求31所述的系统，其中，所述组视频质量度量是使用下式定义的性能度量：

$Q_g(J_{\mathrm{BL}},R_{s\_\mathrm{BL}},J_{\mathrm{EL}},R_{s\_\mathrm{EL}})={\&Sum;}_{i}w\left({\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)}\right)Q_r^{\left(i\right)}({\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)},J_{\mathrm{BL}},R_{s\_\mathrm{BL}},J_{\mathrm{EL}},R_{s\_\mathrm{EL}}).$

33、根据权利要求31所述的系统，其中，所述组视频质量度量是使用下式定义的有限的极小化极大度量：

$\min \mathrm{\&Delta;}=\min \left\{\max \right[\underset{i\&Element;{\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_t}{Q_{\mathrm{opt}}^{\left(i\right)}}\left({\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)}\right)-Q^{\left(i\right)}({\mathrm{\&gamma;}}^{\left(i\right)},J_{\mathrm{BL}},R_{s\_\mathrm{BL}},J_{\mathrm{EL}},R_{s\_\mathrm{EL}})\left]\right\}.$

34、根据权利要求19所述的系统，还包括：

装置，用于根据视频服务质量需求和可用网络资源来配置允许的信道使用率T；

装置，用于基于目标服务区域来选择信道信噪比阈值；

装置，用于基于最低限度的视频质量来选择基础层源比特速率和期望的残留分组丢失率；

装置，用于确定所述基础层的跨层传输和保护参数，以便在保证残留分组丢失率小于具有优于信噪比阈值的信道信噪比的接收机所需要的残留分组丢失率的同时最小化所述基础层信道使用率；

装置，用于接收来自所述多个接收机的反馈，所述反馈包括信道条件；

装置，用于在总信道使用率限制下基于所述反馈来动态地适配所述增强层源速率以及增强传输和保护参数，以便优化组视频质量度量；

装置，用于选择基础层源速率和增强层源速率；

装置，用于基于所述基础层源速率和所述增强层源速率对所述视频信号进行编码；

装置，用于选择基础层分组大小和增强层分组大小；

装置，用于基于所述选择的基础层分组大小和增强层分组大小来形成基础层视频分组和增强层视频分组、产生分组报头、并向所述基础层视频分组和增强层视频分组添加所述分组报头；

装置，用于选择基础层跨分组前向纠错参数和增强层跨分组前向纠错参数；

装置，用于基于所述选择的基础层跨分组前向纠错参数和增强层跨分组前向纠错参数、将跨分组前向纠错编码应用于所述基础层视频分组和增强层视频分组；

装置，用于将所述基础层视频分组和增强层视频分组以及前向纠错分组传输至所述多个接收机；

装置，用于适配无线局域网中间设备的基础层和所述增强层物理层调制和信道编码模式；以及

装置，用于基于所述反馈来动态地适配增强层传输和保护参数。

35、根据权利要求34所述的系统，还包括：装置，用于向所述中间设备发送控制消息以控制所述中间设备处的所述物理层调制和信道编码模式。

36、根据权利要求35所述的系统，其中所述控制消息被搭载在每个数据分组上。

37、根据权利要求19所述的系统，还包括：

视频服务器，所述视频服务器包括：

跨层控制模块；

可扩展视频编码器；

分组化器；

前向纠错编码器；以及

通信单元。

38、根据权利要求37所述的系统，其中，所述跨层控制模块控制所述可扩展视频编码器、所述分组化器、所述前向纠错编码器以及所述通信单元，并且执行以下功能：

根据视频服务质量需求和可用网络资源来配置允许的信道使用率T；

基于目标服务区域来选择信道信噪比阈值；

基于最低限度的视频质量来选择基础层源比特速率和期望的残留分组丢失率；

确定所述基础层的跨层传输和保护参数，以便在保证残留分组丢失率小于具有优于信噪比阈值的信道信噪比的接收机所需要的残留分组丢失率的同时，最小化所述基础层信道使用率；

经由所述通信单元接收来自所述多个接收机的反馈，所述反馈包括网络拓扑和信道条件；

在总信道使用率限制下，基于所述反馈来动态地修改所述增强层源速率以及增强传输和保护参数，以优化组视频质量度量；

选择基础层源速率和增强层源速率；

选择基础层分组大小和增强层分组大小；

选择基础层跨分组前向纠错参数和增强层跨分组前向纠错参数；

适配无线局域网中间设备的所述基础层和所述增强层的物理层调制和信道编码模式；以及

基于所述反馈来动态地适配增强层传输和保护参数。

39、根据权利要求37所述的系统，其中，所述可扩展视频编码器基于基础层和所述增强层源速率来对所述视频信号进行编码。

40、根据权利要求37所述的系统，其中，所述分组化器基于所述选择的基础层分组大小和增强层分组大小来形成基础层视频分组和增强层视频分组，并向所述基础层视频分组和增强层视频分组添加所述分组报头。

41、根据权利要求37所述的系统，其中，所述前向纠错编码器基于所述选择的跨分组前向纠错参数，将跨分组前向纠错编码应用于所述基础层视频分组和增强层视频分组。

42、根据权利要求37所述的系统，其中，所述通信单元将所述视频分组和前向纠错分组传输至所述多个接收机。

43、根据权利要求37所述的系统，其中，所述跨层控制模块基于所述选择的模式来控制并适配无线局域网中间设备的所述基础层和所述增强层的物理层调制和信道编码模式。

44、根据权利要求43所述的系统，其中，经由所述通信单元向所述无线局域网的所述中间设备发送控制消息，以控制所述物理层调制和信道编码模式。

45、根据权利要求44所述的系统，其中，通过将所述控制消息搭载在所传输的每个数据分组上，经由所述通信单元向所述无线局域网的所述中间设备发送控制消息，以控制所述物理层调制和信道编码模式。

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