CN102710401B - 一种用于高清视频无线传输的跨层自适应失真调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高清视频无线传输的跨层自适应失真调制方法，包括以下步骤：第一步：链路层调整传输时延：以链路层缓冲区的占用率η为依据，调整最大重传次数，以满足延迟约束；第二步：物理层调整传输时延：以重传次数调整自适应调制编码，选择调制编码模式S_n的边界参数γ_n，以满足平均丢包率约束；第三步：应用层调整传输时延：以当前吞吐率Rs和应用层的约束丢包率P_L产生的具有错误恢复能力的码流为依据；第四步：链路层的丢包率反馈到应用层，应用层根据链路层的实时丢包率，选择帧内宏块刷新率β，调整发送缓冲区占用率η，取得Ds和Dc之间的平衡。该调制方法可以适应无线信道的变化，获得信源失真和信道失真之间的平衡，使得总失真最小。

Description

一种用于高清视频无线传输的跨层自适应失真调制方法

技术领域

本发明涉及一种无线传输的调制方法，具体来说，涉及一种用于高清视频无线传输的跨层自适应失真调制方法。

背景技术

目前，市场上有搭载无线投影技术的投影机产品。但正如每一种超前于时代的革新一样，市场对于这些产品缺乏足够的热情，人们的关注点主要集中在价格、亮度，以及分辨率等参数层面。然而，随着近两年来投影机技术的成熟以及价格的大幅下降，情况发生了根本性的变化，投影机在教育、商务、政府部门等行业的应用日益广泛，人们对产品本身的关注开始让位于对实际应用的期待。无线影音播放中的数据传输一直以来是播放中的关键技术。720p，甚至1080p的高清信息的传输量和效率是无线高清的一个重要指标。现有的无线投影机数据传输的方式主要有两种：第一种是基于蓝牙的无线传输。蓝牙传输的局限性在于它的传输距离只有10米左右，而且只适用于图片等小传输量的信号传输；另外一种就是无线wifi传输，可以通过搭建局域网来传输无线信号。但是对于大容量视频信息的传输存在一定的延迟和滞后，对于传输的画面的质量有较大的破损，不能教完好的呈现原来的画质。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于高清视频无线传输的跨层自适应失真调制方法，可以适应无线信道的变化，获得信源失真和信道失真之间的平衡，使得总失真最小，以保证传输的视频质量。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于高清视频无线传输的跨层自适应失真调制方法，视频无线传输的发送端包括物理层、链路层和应用层，该调制方法包括以下步骤：

第一步：链路层调整传输时延：以链路层缓冲区的占用率η为依据，调整最大重传次数N_max来调整传输时延，以满足延迟约束；

第二步：物理层调整传输时延：以重传次数调整自适应调制编码，选择调制编码模式S_n的边界参数γ_n，以满足平均丢包率约束，γ_n满足式(2)要求，满足式(1)要求，

$\stackrel{\‾}{P}\≤P_L^{{(N_{\max }+1)}^{-1}}={\stackrel{\‾}{P}}_t$ 式(1)

式(1)中，是物理层的目标丢包率，P_L为应用层的约束丢包率，N_max为链路层的最大重传次数；

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\γ}}_0=0& \\ {\mathrm{\γ}}_n=(1/g_n)\ln (a_n/{\stackrel{\‾}{P}}_t)& (n=\mathrm{1,2},...,N)\\ {\mathrm{\γ}}_{N+1}=+\∞& \end{array}$ 式(2)

式(2)中，γ表示信道信噪比，N表示可选择的调制编码模式数，γ被划分为N+2个区间，γ₀表示第0个区间的信道信噪比，γ_n表示第n个区间的信道信噪比，γ_N+1表示第N+1个区间的信道信噪比，g_n表示编码速率，a_n表示调制阶数；

第三步：应用层调整传输时延：以当前吞吐率Rs和应用层的约束丢包率P_L产生的具有错误恢复能力的码流为依据，依据式(3)适应信道条件的变化，

$M=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_n{p}_n/\stackrel{\‾}{N}(p,N_{\max })$ 式(3)

式(3)中，M表示平均频谱效率，R_n表示选择模式为S_n时，每个符号传送的比特数，即频谱效率，p_γ(γ)为信噪比为γ时的概率密度函数；N_max为链路层的最大重传次数；表示当为最大重传次数为N_max时，链路层数据包的平均重传次数；p为应用层的实际丢包率；

第四步：链路层的丢包率反馈到应用层，应用层根据链路层的实时丢包率，选择帧内宏块刷新率β，同时，应用层的约束丢包率P_L≤0.01，应用层延迟δ≤400ms，N_max≤4，调整发送缓冲区占用率η，取得Ds和Dc之间的平衡，使总失真最小，其中，Ds是由视频编码的量化和码流中用于错误恢复的冗余引起的信源失真，Dc是由传输中的差错引起的信道失真。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：适应无线信道的变化，获得信源失真和信道失真之间的平衡，使得总失真最小，以保证传输的视频质量。本专利的跨层自适应失真调制方法以端到端失真最小为目标，将对这物理层、链路层和应用层三个层次进行联合优化设计。物理层通过自适应调制编码在一个较粗的尺度上进行传输速率调整适应信道变化，获得最大的频谱效率。链路层和应用层根据发送缓冲区状态通过对N_max和β的调整，在一个较细的尺度上适应业务对延迟和错误率的要求。该调制方法通过对物理层、链路层和应用层联合优化设计，适应无线信道的变化，获得信源失真和信道失真之间的平衡使总失真最小。仿真结果证明：在一般信道信噪比的情况下，该方法较之单独使用自适应调制编码或者自动请求重传，在视频恢复质量上得到改善峰值信噪比提高了0.8～1.0dB。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案作详细的说明。

本发明的一种用于高清视频无线传输的跨层自适应失真调制方法，视频无线传输的发送端包括物理层、链路层和应用层，该调制方法包括以下步骤：

第一步：链路层调整传输时延：以链路层缓冲区的占用率η为依据，调整最大重传次数N_max来调整传输时延，以满足延迟约束。

在第一步中，对最大重传次数N_max的调整：若发送缓冲区占用率η超过发送缓冲区占用率的上限To时，则降低最大重传次数；若发送缓冲区占用率η低于发送缓冲区占用率的下限Tu时，则增加最大重传次数。作为优选方案，发送缓冲区占用率的上限To为发送缓冲区占用率η的80％，发送缓冲区占用率的下限Tu为发送缓冲区占用率η的20％。

第二步：物理层调整传输时延：以重传次数调整自适应调制编码，选择调制编码模式S_n的边界参数γ_n，以满足平均丢包率约束，γ_n满足式(2)要求，满足式(1)要求，

$\stackrel{\‾}{P}\≤P_L^{{(N_{\max }+1)}^{-1}}={\stackrel{\‾}{P}}_t$ 式(1)

式(3)中，是物理层的目标丢包率，P_L为应用层的约束丢包率，N_max为链路层的最大重传次数；

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\γ}}_0=0& \\ {\mathrm{\γ}}_n=(1/g_n)\ln (a_n/{\stackrel{\‾}{P}}_t)& (n=\mathrm{1,2},...,N)\\ {\mathrm{\γ}}_{N+1}=+\∞& \end{array}$ 式(2)

式(2)中，γ表示信道信噪比，N表示可选择的调制编码模式数，γ被划分为N+2个区间，γ₀表示第0个区间的信道信噪比，γ_n表示第n个区间的信道信噪比，γ_N+1表示第N+1个区间的信道信噪比，g_n表示编码速率，a_n表示调制阶数。

第三步：应用层调整传输时延：以当前吞吐率Rs和应用层的丢包率P_L产生的具有错误恢复能力的码流为依据，依据式(3)适应信道条件的变化，

$M=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_n{p}_n/\stackrel{\‾}{N}(p,N_{\max })$ 式(3)

式(3)中，M表示平均频谱效率，R_n表示选择模式为S_n时，每个符号传送的比特数，即频谱效率，p_γ(γ)为信噪比为γ时的概率密度函数；N_max为链路层的最大重传次数；表示当为最大重传次数为N_max时，链路层数据包的平均重传次数；p为应用层的实际丢包率。

第四步：链路层的丢包率反馈到应用层，应用层根据链路层的实时丢包率，选择帧内宏块刷新率β，同时，应用层的约束丢包率P_L≤0.01，应用层延迟δ≤400ms，N_max≤4，调整发送缓冲区占用率η，取得Ds和Dc之间的平衡，使总失真最小，其中，Ds是由视频编码的量化和码流中用于错误恢复的冗余引起的信源失真，Dc是由传输中的差错引起的信道失真。

所述的第四步中，当最大重传次数降低时，增加β的数值；当最大重传次数增加时，减小β的数值。

原始视频输入到视频编码器生成压缩视频流，无线信道易错的特性不可避免带来数据包丢失，因此应用层在视频码流中加入一定的冗余，利用视频数据的相关性提高其错误恢复能力。加上包序号和循环冗余校验信息生成数据包并送入链路层的缓冲区，物理层根据自适应调制编码选择的调制编码方式对缓冲区中的数据包进行信道编码和调制，组成物理帧送入信道。接收端若数据正确则送入上层进行视频解码，若数据错误则请求重传，超过最大重传次数的数据包被丢弃。接收端通过信道估计获取信道状态信息，根据信道状态信息选择合适的调制编码方式反馈给发送端，发送端根据该调制编码方式进行调制编码.在发送端采用本发明的跨层自适应失真调制方法对发送端的各层参数进行联合调整从而选择最优的传输方式。

上述的用于高清视频无线传输的跨层自适应失真调制方法，针对实时视频传输对吞吐率、丢包率、时延等服务质量的要求对无线信道下视频端到端传输的失真进行分析。该跨层自适应失真调制方法在层间传递信息来协调各层的工作过程，对物理层、链路层和应用层联合优化设计，适应无线信道的变化，获得信源失真和信道失真之间的平衡使总失真最小。仿真结果证明：在一般信道信噪比的情况下，该方法较之单独使用自适应调制编码或者自动请求重传，在视频恢复质量上得到改善峰值信噪比提高了0.8～1.0dB。

视频的失真度一般用均方误差MSE来衡量：

D≈D_s+D_c＝D_s(R_s,α,β)+D_c(α,β,N_max,P_L)

上式中，D表示视频传输端到端的总失真，D_s是由视频编码的量化和码流中用于错误恢复的冗余引起的信源失真；D_c是由传输中的差错引起的信道失真；在各层对传输参数的调整都会影响到总失真；α为重同步间隔；β为帧内宏块刷新率；N_max为最大重传次数，P_L为应用层的约束丢包率；R_s为吞吐率.应用层减少重同步间隔α和增加帧内宏块刷新率β可以提高视频流的错误恢复能力，但在降低D_c的同时引起D_s增大，链路层增加最大重传次数N_max，可以在降低约束丢包率P_L的同时提高吞吐率R_s，使得D_s和D_c同时降低，但增加了系统的时延和对缓冲区的要求；物理层根据不同的自适应调制编码约束条件，在相同信道条件下增加R_s，则对应的P_L增加，而降低D_s的同时引起D_c增大。

传输性能分析采用3GPP的调制编码模式来分析自适调制编码和自动请求重传的性能，调制编码模定义如表1所示。

表1调制编码模式

假设传输功率恒定，理想信道状态信息反馈。γ为信道信噪比，根据可选择的调制编码模式数N，γ被划分为N个区间，其边界定义为γ_N+1＝+∞，如果当前γ∈[γ_n,γ_n+1)，则选择S_n，选择S_n时的平均丢包率为：

上式中，p_n(γ)为信噪比为γ时的丢包率；p_γ(γ)为信噪比为γ时的概率密度函数。

物理层总的平均丢包率：

上式中，R_n＝R_cnlog₂(M_n)，R_n为选择模式S_n每个符号能传送的比特数(即频谱效率)，M_n为S_n的调制阶数，R_cn为S_n的信道编码速率。物理层比特错误率通过式(4)得出：

$P_n\left(\mathrm{\&gamma;}\right)=\left\{\begin{array}{c}1(0<\mathrm{\&gamma;}<{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{pn}});\\ a_n\exp (-g_n\mathrm{\&gamma;})(\mathrm{\&gamma;}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{pn}})\end{array}\right.$ 式(4)

式(4)中，a_n,g_n,γ_pn是与选择模式S_n的调制阶数、编码速率以及链路层数据包长度N_p相关的参数。

假设应用层提出的约束丢包率为P_L，根据链路层设定的最大重传次数N_max，最多经过N_max+1次传输，满足应用层的约束，即要求对物理层的平均丢包率约束

$\stackrel{\&OverBar;}{P}\&le;P_L^{{(N_{\max }+1)}^{-1}}={\stackrel{\&OverBar;}{P}}_t$ 式(1)

式中，是物理层的目标丢包率。根据式(1)和式(4)可以得到各模式S_n的边界为

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\&gamma;}}_0=0& \\ {\mathrm{\&gamma;}}_n=(1/g_n)\ln (a_n/{\stackrel{\&OverBar;}{P}}_t)& (n=\mathrm{1,2},...,N)\\ {\mathrm{\&gamma;}}_{N+1}=+\&infin;& \end{array}$ 式(2)

平均频谱效率：

$\frac{R}{B}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_n{p}_n/\stackrel{\&OverBar;}{N}(p,N_{\max })$ 式(3)

式(3)即是同时满足P_L和N_max约束条件时，可以实现的平均频谱效率。

由此可见，各层传输参数间是互相影响的。本专利提出的跨层自适应失真调制方法以端到端失真最小为目标，将对这三个层次进行联合优化设计。物理层通过自适应调制编码在一个较粗的尺度上进行传输速率调整适应信道变化，获得最大的频谱效率。链路层和应用层根据发送缓冲区状态通过对N_max和β的调整，在一个较细的尺度上适应业务对延迟和错误率的要求。

Claims (4)

1.一种用于高清视频无线传输的跨层自适应失真调制方法，其特征在于，视频无线传输的发送端包括物理层、链路层和应用层，该调制方法包括以下步骤：

第一步：链路层调整传输时延：以链路层缓冲区的占用率η为依据，调整最大重传次数N_max来调整传输时延，以满足延迟约束；

第二步：物理层调整传输时延：以重传次数调整自适应调制编码，选择调制编码模式S_n的边界参数γ_n，以满足平均丢包率P约束，γ_n满足式(2)要求，满足式(1)要求，

$\stackrel{\&OverBar;}{P}\&le;P_L^{{(N_{\max }+1)}^{-1}}={\stackrel{\&OverBar;}{P}}_t$ 式(1)

式(1)中，是物理层的目标丢包率，P_L为应用层的约束丢包率，N_max为链路层的最大重传次数；

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\&gamma;}}_0=0& \\ {\mathrm{\&gamma;}}_n=(1/g_n)\ln (a_n/{\stackrel{\&OverBar;}{P}}_t)& (n=\mathrm{1,2},...,N)\\ {\mathrm{\&gamma;}}_{N+1}=+\&infin;& \end{array}$ 式(2)

式(2)中，γ表示信道信噪比，N表示可选择的调制编码模式数，γ被划分为N+2个区间，γ₀表示第0个区间的信道信噪比，γ_n表示第n个区间的信道信噪比，γ_N+1表示第N+1个区间的信道信噪比，g_n表示编码速率，a_n表示调制阶数；

第三步：应用层调整传输时延：以当前吞吐率Rs和应用层的约束丢包率P_L产生的具有错误恢复能力的码流为依据，依据式(3)适应信道条件的变化，

$M=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_n{p}_n/\stackrel{\&OverBar;}{N}(p,N_{\max })$ 式(3)

式(3)中，M表示平均频谱效率，R_n表示选择模式为S_n时，每个符号传送的比特数，即频谱效率，p_γ(γ)为信噪比为γ时的概率密度函数；N_max为链路层的最大重传次数；表示当为最大重传次数为N_max时，链路层数据包的平均重传次数；p为应用层的实际丢包率；

第四步：链路层的丢包率反馈到应用层，应用层根据链路层的实时丢包率，选择帧内宏块刷新率β，同时，应用层的约束丢包率P_L≤0.01，应用层延迟δ≤400ms，N_max≤4，调整发送缓冲区占用率η，取得Ds和Dc之间的平衡，

使总失真最小，其中，Ds是由视频编码的量化和码流中用于错误恢复的冗余引起的信源失真，Dc是由传输中的差错引起的信道失真。

2.按照权利要求1所述的用于高清视频无线传输的跨层自适应失真调制方法，其特征在于，所述的第一步中，还包括对最大重传次数N_max的调整：若发送缓冲区占用率η超过发送缓冲区占用率的上限To时，则降低最大重传次数；若发送缓冲区占用率η低于发送缓冲区占用率的下限Tu时，则增加最大重传次数。

3.按照权利要求2所述的用于高清视频无线传输的跨层自适应失真调制方法，其特征在于，所述的第四步中，当最大重传次数降低时，增加β的数值；当最大重传次数增加时，减小β的数值。

4.按照权利要求2所述的用于高清视频无线传输的跨层自适应失真调制方法，其特征在于，所述的发送缓冲区占用率的上限To为发送缓冲区占用率η的80％，发送缓冲区占用率的下限Tu为发送缓冲区占用率η的20％。