CN101911616A - 通过wibro网络中的端对端信道状态侦测可变地控制视频数据的比特率的方法 - Google Patents

通过wibro网络中的端对端信道状态侦测可变地控制视频数据的比特率的方法 Download PDF

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Abstract

提供一种在无线宽带(WiBro)网络中通过端对端信道状态感测来可变地控制视频数据的比特率的方法。所述方法包括：在视频数据传输期间将发送方和接收方的无线信道状态分类为正常状态和异常状态；根据分类结果可变地控制并确定发送方编码器的编码比特率；将确定的编码比特率与下行链路调制和编码选择等级(DL MCS等级)进行比较以改变发送方的最终编码比特率，所述下行链路调制和编码选择等级是接收方的参数。

Description

通过WIBRO网络中的端对端信道状态侦测可变地控制视频数据的比特率的方法
技术领域
本发明总体上涉及一种在无线宽带(WiBro)网络中改变视频传输速率的方法，具体地，涉及一种侦测端对端信道状态的方法，以及一种通过将发送方/接收方的信道状态集中在侦测的状态的类别下来改变发送方的编码器的编码比特率的方法，从而在视频数据的传输期间提高视频数据的质量。
背景技术
无线网络中的视频流传输服务难以商业化的原因在于其高带宽和传输延迟时间的严格限制。然而，最近由于无线访问速率的提高和视频压缩技术的发展，无线网络中的视频流传输服务正变得可能。
WiBro(在IEEE 802.16e中定义)，作为韩国类型的移动全球微波互联接入(Mobile WiMAX)，已经引起了移动载波作为下一代移动通信网络的注意，提供了几十Mbps的带宽和几十Km/H的移动能力，并且在2007年以Best-Effort(BE)服务作为起始，开始了其商业化。
通常，术语“WiBro”表示这样的超高速互联网服务：用户可以在静止和移动的同时，随时随地使用便携式终端以大约1Mbps的高传输速率访问互联网，并且能够享受各种信息和内容。使用2.3GHz频带的WiBro保证即使在用户以60Km/H或更高的速度移动的同时在1Km小区半径内的无缝无线互联网服务，它是一种新的服务，通过该服务用户可享受较低费用的无线互联网。目前可用的WiBro技术可支持70Km/H的移动能力和每用户总共1Mbps的传输速率，当商业化时，可以预期支持100Km/H的移动能力和总共3Mbps的传输速率。因此，通过使用WiBro互联网，用户可在街道或在行驶的车辆中欣赏电影，并且就像在室内使用有线网络享受互联网一样享受在线游戏和网络冲浪。
WiBro系统是从2.3GHz无线本地环路(WLL)技术进一步发展的技术，覆盖了第4代移动通信领域，且具有比第3代移动通信的国际移动电信(IMT)-2000更宽的领域。因此，WiBro被称为第3.5代移动通信技术。
WiBro兼有现有的移动终端的特性和覆盖通信、广播和互联网的宽带覆盖网络(BcN)的特性。因此，其具有在线/离线-有线/无线通信与广播服务结合的类型，并且需要实时属性的多媒体服务(例如，特别是通过WiBro网络的网络电话(VoIP)、视频电话(VT)、个人广播等)是与WiBro的成功直接相关的因素。
在通过WiBro网络的视频传输应用的操作(例如，VT和个人广播)期间，WiBro根据WiBro无线信道的特征参数(例如，载波与干扰噪声比(CINR)、发送功率(Tx)等)控制调制和编码选择(MCS)的级别和终端的功率，并通过基于其上的调度器的算法来提高整体数据吞吐的效率。
然而，由于通信拥塞和因为使用无线网络的WiBro系统的属性而突然改变的无线信道的特性，并且还由于小区中的用户的数量的改变，可用带宽持续改变。换句话说，在WiBro中与有线网络不同，诸如数据传输速率的物理介质特性可能根据无线介质的特性和环境迅速地改变。特性的改变可能难以估计。当用户仅享受诸如互联网搜索的服务时这不会引起任何明显的问题，但是在诸如运动图像的多媒体服务的延迟和抖动方面会造成明显的服务劣化，造成运动图像的再现中断和图像质量的恶化。另外，需要保证带宽的服务可能在服务质量(QoS)方面遭受显著的服务恶化。由于用户的对于多媒体的要求也随着网络的发展而提高，因此认识到在通信系统的发展期间必须考虑到QoS保证问题。
为了解决此问题，当现有的WiBro终端尝试发送视频数据到其他方时，其通过侦测端对端信道状态来估计分配到的带宽，并根据分配到的带宽改变其视频传输速率。也就是说，在良好的信道状态下，WiBro终端通过提高视频编码器的编码比特率来提高视频传输速率，而在恶劣的无线信道状态下，WiBro终端减少视频编码器的编码比特率，从而解决此问题。通常根据通过RTP/RTCP(实时传输协议)在终端之间交换的计算的延迟来执行信道状态估计方法。
然而，即使在相同的WiBro网络条件下发送和接收相同大小的数据，由于自适应调制和编码(AMC)和接收的应用，也可能发生显著的偏差。因此，需要绝对的参照，通过该参照可补偿具有相对值的延迟。
发明内容
本发明的一方面旨在解决至少上述的问题和/或缺点，并至少提供以下优点。因此，本发明的一方面旨在提供一种在WiBro系统中的视频数据发送期间根据快速改变的发送方和接收方的WiBro无线信道的状态适当地控制视频编解码器的比特率的方法。
根据本发明的一方面，提供了一种通过无线宽带(WiBro)网络中的端对端信道状态侦测来可变地控制视频数据的比特率的方法。所述方法包括：在视频数据传输期间将发送方和接收方的无线信道状态分类为正常状态和异常状态；根据分类结果可变地控制和确定发送方的编码器的编码比特率；将确定的编码比特率与作为接收方的参数的下行链路调制和编码选择等级(DL MCSLevel)进行比较，以改变发送方的最终编码比特率。
附图说明
通过下面结合附图对实施例的详细描述，本发明的上述和其他方面、特征和优点将会变得更清楚，其中：
图1是示出应用本发明的一般WiBro系统的整体配置的示图；
图2是示出根据本发明实施例的在视频数据传输期间的视频编解码器的比特率控制方法的流程图；
图3A到图3D是示出根据本发明实施例的在视频数据传输期间的视频编解码器的比特率控制方法中基于信道状态的比特率确定的详细流程图；
图4是示意性示出根据本发明的用于视频数据传输质量的测试的模拟器环境的示图。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本发明的优选实施例。在说明中限定的事实(诸如，详细的结构和元件)是被提供用于帮助对本发明的示例性实施例的完整理解。因此，本领域的普通技术人员应认识到，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可对在此描述的实施例的做出各种改变和修改。
图1是示出应用本发明的一般WiBro系统的整体配置的示图。参照图1，现在将描述一般WiBro系统的配置。
如图1所示，WiBro系统包括接入控制路由器(ACR)120，每个接入控制路由器120包括多个无线接入站(RAS或基站)130，并且接入IP网络100以控制RAS 130。另外，WiBro系统包括与RAS 130交换数据的多个便携式用户站(PSS或终端)140。
每个RAS 130通过位于有线网络的末端的无线接口与PSS 140交换数据。另外，每个RAS 130具有分配的服务区域，即，小区，并向存在于小区中的PSS 140提供服务。PSS 140可包括便携式通信设备，例如，个人数字助理(PDA)、移动电话、笔记本计算机等。另外，WiBro系统可包括支持家庭网络中的终端(或PSS)的互联网协议(IP)移动能力的家用代理(HA，未示出)、用于执行用户的认证、授权、记账的认证授权记账(AAA，未示出)和仅为授权的用户提供网络接入和服务的终端。
通过基站(ACR或RAS)的媒体访问控制(MAC)调度器算法来确定向WiBro终端分配带宽从而使其可发送视频数据。根据WiBro提供的服务类(即，由终端周期性报告给基站的载波与干扰噪声比(CINR)和发送功率(Tx)的组合)和基站目前察觉的小区中的用户的数量来确定MAC调度器算法。在分配了带宽之后，终端发送数据，数据的量与分配的带宽相应，分配给终端的带宽由于无线信道的特性而持续改变。
根据本发明实施例的视频编码器/解码器(CODEC)比特率控制方法是一种用于确认WiBro网络的无线信道特性，估计无线信道状态和根据发送方和接收方的无线信道状态来控制视频编解码器的比特率的跨层优化算法。
图2是示出根据本发明实施例的在视频数据传输期间的视频编解码器的比特率控制方法的流程图。
参照图2，在步骤200，PSS 140基于每秒帧数(FPS)值将WiBro系统的端对端无线信道状态分类为正常状态和异常状态。FPS值是发送方的终端已经发送到接收方的终端的每秒视频帧数，发送方可通过来自接收方的反馈感知每秒视频帧数。异常无线信道状态表示通信拥塞发生状态、用户数量增加、干扰或其他不稳定信道状态等。
基于FPS值将无线信道状态分类为正常状态和异常状态的过程在数学上可表示为式(1)。
Figure BPA00001171925000051
当接收终端在当前时间之前一秒接收的FPS值FPSN-1保持在FPSN-1的预定范围内时(步骤210)，PSS 140将信道状态确定为正常状态。PSS 140将正常状态下测量的当前FPSN与FPS-1进行比较(步骤212)。如果当前FPSN小于FPS-1，则PSS 140将比特率设置为低于先前目标比特率一步(步骤214)，如果FPSN大于或等于FPS-1，则PSS 140基于根据每个上行链路(UL)MCS等级(即，64kbps、128kbps、192kbps和256kbps)预设的目标比特率确定最终比特率(步骤216)。
如果在步骤210确定无线信道状态不是正常状态，则PSS 140将当前时间之前一秒接收的FPS值FPSN-1与FPS-1进行比较(步骤218)。如果FPSN-1＜FPS-1，则PSS 140确定预设的FPSAvg或Avg(FPSN-1+FPSN)是真还是假(步骤220)。如果FPSAvg是真，则PSS 140将比特率相对于先前目标比特率提高一步(步骤224)。
然而，如果FPSAvg是假，则PSS 140将比特率相对于先前目标比特率减少一步(步骤226)。
此外，如果在步骤210确定无线信道状态不是正常状态，则PSS 140将当前时间之前一秒接收的FPS值FPSN-1与FPS-1进行比较(步骤218)。如果FPSN-1＞FPS+1并且预设FPSAvg是真(步骤228)，则PSS 140将比特率维持在先前的目标比特率。然而，当先前的目标比特率是最小比特率(例如，64kbps)，则PSS 140将比特率提高一步(步骤230)。如果FPSAvg是假，则PSS 140将比特率相对于先前的目标比特率减少一步(步骤232)。
基于FPS值将无线信道状态分类为正常状态和异常状态来确定视频编码器的编码比特率的处理(步骤212～232)在数学上可由式(2)表示。
Figure BPA00001171925000061
*FPS＜FPSAvg＜FPS+1
其中，FPSAvg＝Avg(∑(PFSN-1+PFSN))
PSS 140将通过每步确定的比特率与远端的下行链路(DL)MCS等级指定的目标比特率进行比较(步骤234)，并且确定最终目标比特率(步骤236)。在数学上可以表示为式(3)。
Figure BPA00001171925000062
如上所述，根据本发明的PSS 140感测WiBro系统中的信道状态，如果接收方的信道状态不稳定，则即使发送方的信道状态良好，根据本发明的PSS140可考虑接收方的信道状态确定视频编码器的最终编码比特率，使得有效接收视频数据变得可能。
在根据本发明实施例的WiBro系统中，由于在视频数据编码期间给定的比特率较高，因而可保证视频质量。然而，在网络拥塞的情况下，由于比特率较高，因而丢包率(PLR)较高，导致视频质量的降低。因此，为了高视频质量，有必要根据网络状况适当地调整比特率。
图3A到图3D是示出根据本发明实施例的在视频数据传输期间的视频编解码器的比特率控制方法中基于信道状态的比特率确定的详细流程图。这是基于根据本发明实施例的UL MCS等级中预先设置的比特率的每个设置范围的比特率确定，比特率的设置范围被划分为64kbps、128kbps、192kbps和256kbps的4个等级。应注意，可考虑目标视频大小和服务网络的接入速率来适当地设置比特率的设置范围。图3A到图3D示出当无线信道处于异常状态时确定比特率的控制方法。可通过增加或减少确定的目标比特率来确定比特率，并且比特率可以是64kbps、128kbps、192kbps和256kbps中的一个。
在图3A中，PSS 140确定先前的比特率的设置范围是否是64kbps(步骤310)。如果设置范围是64kbps，则PSS 140将目标比特率确定为128kbps(步骤312)，如果先前比特率不是64kbps，则PSS 140将当前比特率确定为先前比特率(步骤314)。
在图3B中，PSS 140确定当前比特率的目标比特率是否是192kbps(步骤316)。如果目标比特率是192kbps，则PSS 140确定远端的DL MCS等级是否是QPSK 1/2(步骤318)。如果远端的DL MCS等级是QPSK 1/2，则PSS140将目标比特率设置为128kbps(步骤320)，否则，将目标比特率设置为192kbps(步骤322)。
PSS 140确定当前比特率的目标比特率是否是256kbps(步骤324)。如果目标比特率是256kbps，则PSS 140确定远端的DL MCS等级是否是QPSK 3/4(步骤326)。如果远端的DL MCS的等级是QPSK 3/4，则PSS 140将目标比特率设置设为128kbps(步骤328)。否则，PSS 140确定远端的DL MCS等级是否是QPSK 3/4或16QAM 1/2(步骤330)。如果远端的DL MCS等级是QPSK 3/4或16QAM 1/2，则PSS 140将目标比特率设置为192kbps(步骤332)，否则，将目标比特率设置为256kbps(步骤334)。如果目标比特率不是256kbps，则终止比特率确定。
在图3C中，PSS 140确定先前比特率的设置范围是否是64kbps(步骤310)。如果先前比特率的设置范围是64kbps，则PSS 140将目标比特率确定为128kbps(步骤338)，如果先前比特率的设置范围不是64kbps，则PSS 140确定先前比特率是否是128kbps(步骤340)。如果先前比特率是128kbps，则PSS 140将目标比特率设置为192kbps(步骤342)，否则，检查先前比特率是否是192kbps(步骤344)。如果先前比特率是192kbps，则PSS 140将目标比特率设置为256kbps(步骤348)。如果先前比特率不是192kbps，则PSS 140确定先前比特率是否是256kbps(步骤346)。如果先前比特率是256kbps，则将目标比特率设置为256kbps。如果不是，则终止比特率确定。
在图3D中，PSS 140确定先前比特率是否是64kbps(步骤350)。如果先前比特率是64kbps，则PSS 140将目标比特率设置为64kbps(步骤352)，否则，检查先前比特率是否是128kbps(步骤354)。如果检查到先前比特率是128kbps，则PSS 140将目标比特率设置为64kbps(步骤352)，否则，检查先前比特率是否是192kbps(步骤356)。如果检查到先前比特率是192kbps，则将目标比特率设置为128kbps(步骤358)，否则，检查先前比特率是否是256kbps(步骤360)。如果先前比特率是256kbps，则PSS 140将目标比特率设置为192kbps(步骤362)，如果不是，则终止比特率确定。
为了验证本发明的性能，将使用网络模拟器模拟本发明的上述实施例。
为此，图4示意性地示出根据本发明的视频数据传输质量的测试的模拟器环境。在此使用的场景的模拟器环境在图4中示出。
参照图4，系统带宽是8.75MHz，时分多址(TDD)帧长度是5ms，快速傅立叶变换(FTT)点的数量为1024个，Tx/Rx转换间隙(TTG)是87.2us，Rx/Tx转换间隙(RTG)是74.4us，循环前缀比率是1/8，DL∶UL比率是27∶15。终端的总数是32，网络模拟器“QualNet版本3.9.5”用于根据网络拥塞的出现/消失模拟的本发明的实时视频传输质量，并制造适用于网络拥塞的出现/消失的虚拟WiBro网络。用于本发明的模拟的模拟条件在表1中示出，基于该模拟条件的模拟结果在表2中示出。
表1
模拟条件   设置值
模拟时间   200sec
MS1a-＞MS 1b，...，MS13a-＞MS 13b   10～200sec的CBR是130kbps
MS1a-＞MS 1b，...，MS13a-＞MS 13b   10～200sec的CBR是130kbps
MS 14a-＞MS 14b   20～70sec和130～170sec的单向CBR是500kbps
MS15a-＞MS15b   10～200sec的实时视频流固定为256kbps
MS16a-＞MS16b   10～200sec应用了提出的算法和四个固定的视频比特率的实时视频流
MS15a，MS16a   60Km/H移动，切换发生
表2
Figure BPA00001171925000091
模拟结果显示，尽管本发明在峰值信噪比(PSNR)方面与现有技术几乎相似，但是PLR提高到0％～27％。可以理解，由于高PLR阻止了帧的恢复，因此造成视频质量的减少，这通过PSNR值来改进。
综上所述，在所有的情况下，根据本发明的实施例的算法与固定的视频比特率相比显示出改进的结果。该算法可自适应地减少恶劣网络条件下的视频比特率，并在较好的网络条件下增加视频比特率，从而获得了最佳的视频质量。
通过前面的描述很明显，当WiBro终端(或移动站(MS))在WiBro系统中发送实时视频数据时，本发明不仅考虑本地无线网络的物理条件，还考虑端对端无线信道状态信息来自适应地在恶劣的网络条件下减少视频比特率并在较好的网络条件下增加视频比特率，从而提供了最佳的视频质量。
虽然已经参照本发明的特定优选实施例示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出各种改变。

Claims (12)

1.一种在无线宽带(WiBro)网络中通过端对端信道状态感测来可变地控制视频数据的比特率的方法，所述方法包括：
在视频数据传输期间将发送方和接收方的无线信道状态分类为正常状态和异常状态；
根据分类结果可变地控制并确定发送方编码器的编码比特率；
将确定的编码比特率与下行链路调制和编码选择等级(DL MCS等级)进行比较以改变发送方的最终编码比特率，所述下行链路调制和编码选择等级是接收方的参数。
2.如权利要求1所述的方法，其中，基于每秒帧数(FPS)值来执行将无线信道状态分类为正常状态和异常状态的步骤，所述FPS值指示在视频数据传输期间每秒可传输的帧的数量。
3.如权利要求1所述的方法，其中，当无线信道状态是正常状态时，在预设时间范围内保持指示在当前时间之前一秒发送的FPS值的FPSN-1值。
4.如权利要求1所述的方法，其中，异常状态包括通信拥塞的出现、用户数量的增加和干扰或其他不稳定信道状态中的至少一个。
5.如权利要求1所述的方法，其中，确定最终目标比特率的步骤被表示为以下的等式：
Figure FPA00001171924900011
6.如权利要求1所述的方法，其中，当无线信道状态是异常状态时，在指示当前时间之前一秒发送的FPS值的FPSN-1值小于FPS-1的情况以及FPSN-1值大于FPS+1的情况下，不同地确定FPSN-1值的比特率。
7.如权利要求6所述的方法，其中，在指示当前时间之前一秒发送的FPS值的FPSN-1值大于FPS+1的情况以及FPSN-1值小于FPS-1的情况下，通过将当前发送的FPS值FPSN加到FPSN-1值来设置共同应用的FPS的平均值。
8.如权利要求6或7所述的方法，其中，在指示当前时间之前一秒发送的FPS值的FPSN-1值小于FPS-1的情况下的FPS的平均值是真，则确定从先前目标比特率增加比特率。
9.如权利要求6或7所述的方法，还包括：
当FPSN-1值大于FPS+1的情况下的FPS的平均值是真时，检查先前目标比特率；
当先前目标比特率不是最小比特率时，保持先前目标比特率。
10.如权利要求9所述的方法，还包括：
当先前目标比特率是最小比特率时，确定从先前目标比特率增加比特率。
11.如权利要求6或7所述的方法，还包括：
当FPSN-1值大于FPS+1的情况和FPSN-1值小于FPS-1的情况下的FPS的平均值是假时，确定从先前目标比特率减少比特率。
12.如权利要求10所述的方法，其中，最小比特率是64kbps。
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