CN103348599B - 用于异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的发射机、接收器和方法。在一个实施例中，所述发射机包括：(1)联合编码器，被配置为接收内容单元和生成所述内容单元的多个量化表示；(2)与所述联合编码器关联的擦除量化器，所述擦除量化器被配置为从表示所述内容单元的未编码符号中选择未编码符号的多个子集。所述多个量化表示和所述未编码符号的多个子集被关联形成所述内容单元的多个独立量化且相关的描述。相关的级别可以采用两个设计参数来控制。在一个实施例中，所述接收器包括：(1)联合解码器，所述联合解码器被配置为解码从接收到的表示内容单元的描述中提取的量化表示，(2)与所述联合解码器关联的求和点，所述求和点被配置为采用至少一个表示所述内容单元的未编码符号补偿至少一个所述联合解码器无法解码的相应符号。

Description

用于异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的系统和方法

技术领域

本申请总体上涉及数字通信，更具体地涉及在异构数字网络上减轻对传递的内容质量或可获得的内容传递速率有不利影响的悬崖效应。

背景技术

人们可能期望通过数字信道接收的内容质量随着信道质量的下降而平稳地降低。然而在现实中，当信道质量低于特定临界点时，所接收内容的质量会突然急剧下降。数字通信领域的技术人员称其为“悬崖效应”。相反地(且违反直觉地)，如果信道质量高于临界点，所接收内容的质量也不会比在临界点时好。

虽然悬崖效应是数字通信中固有的，但直到最近也没引起实际问题，这是因为迄今为止大多数数字内容在具有相当恒定的信道质量的网络中是点对点(单播)传递的。点对点通信的发射机具有感测所采用信道特点的优点。基于这些特点，发射机可以利用传统的资源编码和信道编码技术来编码用于那些特点的内容并减轻悬崖效应。

然而，如今的数字网络(如专用的内容分配网络和移动与无线网络)负责在不同信道条件下传递内容给异构用户。因此，悬崖效应成为高效多播通信的重大阻碍。所以，当同时传递流内容给多个用户时，不仅那些信道质量低于临界点的接收者收到不能用的流，就算是信道质量高于临界点（甚至显著高于)的接收者也不会因为其信道质量的增强而从中受益。

发明内容

一方面提供了一种用于异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的发射机。在一个实施例中，所述发射机包括：(1)联合编码器，其被配置成接收内容单元并生成所述内容单元的多个量化表示；以及(2)与所述联合编码器关联的擦除量化器，其被配置成从表示所述内容单元的未编码符号中选择多个未编码符号的子集。所述多个量化表示和所述多个未编码符号的子集被关联形成多个独立量化且相关的所述内容单元的描述。相关的级别可以采用两个设计参数来控制。

另一方面提供了一种用于异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的方法。在一个实施例中，所述方法包括：(1)编码内容单元以生成特定速率的量化表示；(2)仅选择未编码内容单元符号的子集；(3)对所述量化表示和所述未编码内容单元符号的子集进行排队，以用于网络上的传输；以及(4)重复所述编码、选择和排队，以用于生成其它混合描述。

又一方面提供了一种用于异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的接收器。在一个实施例中，所述接收器包括：(1)联合解码器，其被配置为解码从接收到的表示内容单元的描述中提取的量化表示；以及(2)与所述联合解码器关联的求和点，其被配置为采用表示所述内容单元的至少一个未编码符号来补偿所述联合解码器无法解码的至少一个相应符号。

附图说明

现结合附图参照以下描述，附图中：

图1是用于在异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的系统或方法可作用的发射机、各种接收器和位于发射机和接收器之间的网络的一个实施例的框图；

图2示出了用于在异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的系统的一个实施例；

图3A是在给定速率下用于高斯信号源的最优量化器的数学表达式；

图3B是具有图3A的用于高斯信号源的最优量化器的图2的联合编码器和联合解码器的一个实施例的数学表达式；

图4是应用于传统视频编码器、用于在异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的系统的不同实施例的示意图；

图5是用于基于最优量化器的联合解码器、基于擦除量化器的联合解码器和基于混合量化器的联合解码器的表示为信道质量的函数的失真比较图；

图6是在异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

虽然直到最近悬崖效应也没有引起实际问题，但是人们已经做出一些减轻悬崖效应的尝试。一些方法包括多重编码。这些尝试的代表是微软公司的平滑流^TM和麻省理工学院的软件广播^TM。不幸的是，平滑流^TM和软件广播^TM的使用都有局限性，因为它们需要特殊的传输或储存资源。例如，平滑流^TM不仅需要将信道质量信息从每个接收器反馈到发射机而且需要充足的储存空间来储存用于不同信道质量的相同内容的不同版本。软件广播^TM过分需要大量的传输带宽，这是因为像素的每个实数表示还需要发送到接收器的另一个数字，并且没有提供任何机制来对速率失真权衡进行控制。

其它方法集中于自适应信道编码，比如那些采用混合自动重发请求(HARQ)技术的方法。不幸的是，自适应信道编码会随着信道质量的恶化而引起内容重建质量的相对粗鲁的降低。当内容是视频内容时，自适应信道编码减少延时，但是不能提高图像质量(因为源编码决定了图像质量)。

然而也有其它方法集中于自适应源编码，比如众所周知的IEEE H.264视频压缩标准的可伸缩视频编码(SVC)扩展。自适应源编码采用逐步求精或渐进(多层)编码，这些都会引起每个内容单元(如视频帧或音频分段或计算机数据)的可伸缩内容表示。为每个单元都生成单个基层表示和一个或多个增强层表示。由于一个或多个增强层表示取决于它们的相应基层表示，所以如果使用增强层表示，必须在接收包含基层表示的分组的相应增强层表示之前接收该分组。不幸的是，当需要基层分组时，网络阻塞常常会延迟基层分组的传递直到它们不可用。因而不仅丢失了该单元的基层，也丢失了任何对应的增强层。

在描述用于在异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的系统和方法的各种实施例之前，将对一种典型环境进行显示和说明。图1是一种用于在异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的系统或方法可作用的发射机120、各种接收器140a、150a、160a、170a和位于发射机和接收器之间的网络130的一个实施例的框图。内容源110包含通过网络130的信道140b、150b、160b、170b并以各种描述的形式从发射机120传输到接收器140a、150a、160a、170a的内容。每个信道对应若干“子信道”，并且每个子信道传输该内容的一个描述(量化表示)。在所图示的实施例中，至少一些接收器140a、150a、160a、170a是异构的(属于不同类型)，并由此通过自身的信道接收与其余信道数量不同的描述。而且在所图示的实施例中，至少一个信道140b、150b、160b、170b根据质量随时间而变化，因此接收随时间数量不同的描述，所述不同的描述对应由数量不断变化的子信道组成的信道。

现在本文介绍了用于在异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的系统和方法的各种实施例。一般来说，各种实施例采用联合源信道编码技术。该技术基于信道特征进行多重描述(MD)编码。联合源信道编码技术的一些实施例针对悬崖效应提供了至少一个近似最优方案。

以本公开为目的定义以下术语。“内容”被定义为包括流数据的任何数字数据，并包含转化为数字形式的模拟数据、数字音频、视频以及计算机程序和数据。“异构网络”定义为包括一类以上接收器、不同接入技术、网络链路的不同物理媒介、不同分布层(如覆盖网络、对等网络、内容分发网络)的网络，这些都能由异构节点上传带宽进行描述。“MD编码”定义为描述内容单元(如视频帧或音频临时时域片段)的多个独立量化表示的使用。与SVC不同，MD编码生成自含式表示。不存在其它(如增强层)表示所依赖的基层表示。

图2示出了一种用于在异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的系统的实施例。如图2所述，图1中的发射机120包括联合编码器210和擦除量化器220。

联合编码器210可以是用于生成内容单元的多个量化表示的任何联合编码器，每个量化表示均会引起其信息速率的最佳的小的失真。联合编码器210可以选择性地由最先进的或新近开发的用于生成内容单元的单个量化表示的编码器的多个实例组成。联合编码器210适合于对内容进行编码。例如，如果内容是视频流，编码器可以进行传统的视频压缩算法，该传统的视频压缩算法是由线性变换(DCT)、(非线性的)量化和熵编码，或者基于线性码的编码(如FFmpeg、QuickTime^TMH264、Huffyuve或3ivx)组成。

通常，擦除量化器220用于从表示内容单元的未编码符号中选择未编码符号的多个子集。在各种实施例中，擦除量化器220用于被配置成基于分配给它的信息速率来擦除符号，换言之，根据速率划分参数来计算每个描述的未编码符号的数量。未擦除符号因描述而不同。尤其，擦除量化器可以选择多块与原始序列相邻的连续未解码符号，并擦除该序列余下的尾端。然而，根据内容和应用，这可能会在内容重建中引起变形的伪影（artifact），因此，首先对原始序列进行置换，然后选择相邻块作为待传输的子集。下面将详细描述擦除量化器220的一些实施例。

将内容的单元提供给联合编码器210和擦除量化器220。如上所述，联合编码器210被配置为生成内容单元的多个量化表示。擦除量化器220被配置为在这过程中擦除一些符号并选择其它符号。

继续参考图2，将采用量化表示形式的联合编码器210的输出提供给相应分组230，这样，每个分组包含对应于特定描述(即用于特定速率)的量化表示240。同样地，将采用已选未编码内容单元符号形式的擦除量化器220的输出提供给相应分组230，这样，每个分组包含已选择的未编码内容单元符号250。在给定的速率下，分组和相应报头260包含提供给发射机120的内容单元的独立量化但相关的描述。

由于考虑了进一步的描述，虽然该系统和方法的一些实施例提供了允许线性提高内容重建的一些描述，但是其它实施例针对更可能的信道状态通过剪裁的方式来优化这些描述。

本发明中要阐明和描述的一些实施例基于信道质量量化技术采用具有压缩率的描述，该信道质量量化技术对用于传递内容的信道进行统计描述。在不考虑如何确定压缩率的情况下，则该压缩率被分成两部分：一部分分配给损耗式编码器(其可以是最优速率失真编码器)输出，而另一部分分配给未编码源符号。对每个描述而言，然后将具有承载编码器输出和未编码源符号的相应部分的分组通过网络传输给每个接收器。

在传送后，各种接收器通过网络接收至少一些分组230。每个接收器可为不同类型(例如，不同的纵横比、比特率、分辨率或应用在电视领域中的术语“清晰度”)或属于相同类型，但是随时间而变化(即，假设信道状况随时间而变化)。在各种待阐明和描述的实施例中，运用不同接收器来模仿不同信道状况。每个接收器被配置成基于最少一个描述重建该内容。

如图2所示，一种典型的接收器140包括联合解码器270和求和点280。联合解码器270被配置为解码一个或多个接收到的描述。假设解码的描述适合于接收器140的类型(如报头260在一个实施例中所表示)并得以及时接收以便使用描述中说明的内容单元。根据图2，联合解码器270用于被配置成解码量化表示240(连同任何其它已解码描述的量化表示)并将其输出提供给求和点280。求和点280与联合解码器270相关联且被配置成采用至少一个未编码内容单元符号(连同任何其它收到的描述的一个或多个相应未编码内容单元符号)来补偿解码器无法解码的至少一个相应符号以便产生内容单元的重建。如特定应用可以指示的，可以播放、储存或者以其他方式处理重建的内容单元。

可以根据最大数量的描述m和速率划分率x(如通过可编程软件参数)配置联合编码器210以便通过相应的多个信道状态来实现接近最优率失真曲线的执行点。在一个实施例中，无论信道或网络的当前状态如何，都会采用信道状态的统计描述(或网络的性能统计)来将m和x设置为收敛于至少近似最优的操作。

在下面的描述中，将注意对称的情况，在这种情况中，与单个描述相关联的速率R彼此相等，并且失真只取决于接收到的描述的数量。因此，针对m个描述，只存在m个不同的接收器(解码器)和m个重建。速率R与子信道的容量一致，该子信道的容量是通过将最大可用传输容量划分成m个不相交的信道而获得的。所以，每个描述是通过不相交的信道而发送的，假设在给定实际传输容量下存在一个描述。

对于每个描述，然后将速率R分成R₁＝R/x(其中x>1)和R₂＝R-R₁。然后，针对每个描述对分组进行定义。在一种待阐明和描述的实施例中，每个分组包含擦除量化器的输出和根据用于速率R₁的香农定律率失真而优化设计的量化器的输出。擦除量化器被配置成移除具有概率(1-R₂)的未编码源符号并留下其余的(已选择的)未编码符号用于在分组中传输。

最优量化器的输出将称为Q输出，而擦除量化器的输出将称为E输出。在所图示的实施例中，每个R₁最优量化器的输入由生成其它描述的R₁最优量化器的输入独立地量化，而在不同的描述中由擦除量化器生成的擦除是不相交的。因此，由于每个Q输出表示失真但独立的(并因此创新的)源处的观察，每一个接收到的描述均有助于重建质量，这不仅是因为每个描述容易从其E输出中添加不同的未解码符号，也是因为减少了量化误差。

传统的视频编码器采用线性变换来投射图像宏块的像素到适当的基底上，这样只有少量的显著变换系数很好地描述了宏块。这种编码器的设计者定义了显著性门限，该显著性门限依次定义保留多少系数以及它们的数值范围和精确水平是多少(即每个系数要表示的位数)。可以假设每个块包含s个显著系数，并且这些显著系数的精度通过在变换编码器和熵编码器之间插入混合量化器来定义。由于只针对二进制和高斯信号源对混合量化器进行了很好的定义，因此通过将来自每个块的第i个系数集合到第i个平面p⁽ⁱ⁾来创建“系数符号平面”：

$p^{\left(i\right)}=[b_i^{\left(1\right)},\·\·\·,b_i^{\left(N\right)}],i\∈\{1,\·\·\·,s\}.$

由于这些系数由DCT变换去除了相关性，因此可以假设在平面内所有系数都是独立的且相等地分布(i.i.d)高斯值：

$p_j^{\left(i\right)}~N(\mathrm{\μ},{\mathrm{\σ}}^2).$

因此，在插入混合量化器之前，DCT系数的一些重组到期。

将以这种方式修改的多个视频编解码器与擦除量化器组合，便构成了联合混合编码器的一个实施例。

图3A是在给定速率下用于高斯信号源的最优量化器的数学表达式。图3B是具有图3A的用于高斯信号源的最优量化器的图2的联合编码器210和联合解码器270的一个实施例的数学表达式。现在将对联合编码器210和联合解码器270的某些实施例的配置和操作进行描述。在所图示的实施例中，将在每个平面i中的系数被看成是高斯信号源(在图3A和3A中表示为通用变量X)，并且用速率C/m的最优高斯量化器210将每个信源量化m次。这里的C表示针对每个平面标准化的内容传递媒介(信道或网络)的最大容量。图3A指示最优量化是随机的，且每个描述均是独立量化的，即使它们的失真方差相同且都由对于每个描述失真的最小均方误差估计(MMSE)和速率最优标准确定：

$D_o={\mathrm{\σ}}^2{2}^{-2\frac{C}{m}}=\frac{{\mathrm{\σ}}^2{\mathrm{\σ}}_z^2}{{\mathrm{\σ}}^2+{\mathrm{\σ}}_z^2}.$

在解码器中，如果已经接受到k个描述，那么最优重建在其总和中呈线性，线性系数为当解码器形成平面系数的重建时，其余的解码可与传统系统的一样。

对所图示的系统实施例而言，将每个描述最优量化为速率C/mx,x＞1，且将量化的描述用比特表示。这可能引起一些质量损失，但是传统技术同样会具有这个缺点，并且如Ziv所示，在“在通用量化”(IEEE Trans.on Info.Theory,vol.31,no.3,1985)中,通过在熵编码之后的标量均匀量化器形成的编码技术产生有关R(D)限定的每个样品中不超过0.754比特的速率惩罚，因而约束量化器成为标量均匀量化器应该花费不超过0.754/C信道符号/源符号。将表示每个U_i的比特与表示未量化系数的比特打包，达到C/m的速率。在所图示的实施例中，这个速率最终限定了分组的大小。

图4是应用于传统视频编码器的用于在异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的系统的不同实施例的示意图。在图4中，X是通过将均匀量化的DCT系数交叉而创建的二进制序列。将长度为l的交叉的比特视作二进制对称源。

图5是用于联合解码器、擦除量化器和混合量化器的表示为信道质量的函数的失真比较图。曲线510涉及用于在内容单元上操作的为100的最优量化描述的联合解码器的失真。曲线520涉及用于内容单元的为100的不相交擦除子集的解码器的失真。曲线530涉及用于与为16的速率划分率一起在内容单元上操作的为100的混合描述的联合解码器的失真。显然地，在更可能的信道状态的区域540中，失真减少了。

图6是在异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的方法的实施例的流程图。该方法始于开始步骤610。在步骤620中，将内容单元针对特定速率进行编码以生成量化表示。在步骤630中，只选择未编码内容单元符号的子集。在步骤640中，将量化表示和未编码单元符号的子集排队以便传输，随后通过网络传输给各种接收器。在一个实施例中，将量化表示和未编码单元符号的子集组装到分组中作为混合描述并排队以便传输。在确定步骤650中，确定是否生成并传输该内容单元的更多混合描述。如果是，针对每个描述所需，重复步骤620、630、640；否则，在步骤650结束该方法。

本申请所涉及领域的技术人员会理解，可对所描述的实施例进行其它和进一步的添加、删除、替换和修改。

Claims (9)

1.一种用于在异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的发射机，包括：

联合编码器，被配置为接收内容单元，并生成所述内容单元的多个量化表示；

与所述联合编码器关联的擦除量化器，被配置为从表示所述内容单元的未编码符号中选择所述未编码符号的多个子集，

所述多个量化表示和所述未编码符号的多个子集被关联形成所述内容单元的多个独立量化且相关的描述。

2.如权利要求1所述的发射机，其中，所述擦除量化器进一步被配置为选择连续未编码符号的多个置换块并擦除任何余下的未编码符号。

3.如权利要求1所述的发射机，其中，所述联合编码器包括多个传统编码器实例，所述传统编码器被配置为生成所述内容单元的单个量化表示。

4.如权利要求1所述的发射机，其中，所述多个量化表示在速率方面彼此不同。

5.如权利要求1所述的发射机，其中，所述未编码符号的所述多个子集彼此不同。

6.如权利要求1所述的发射机，其中，所述多个量化表示进行排队用于在所述异构网络中不相交的信道上进行传输。

7.一种用于异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的方法，包括：

编码内容单元以生成特定速率的量化表示；

仅选择未编码内容单元符号的子集；

对所述量化表示和未编码内容单元符号的所述子集进行排队，以便在网络上传输；以及

重复所述编码、选择和排队步骤以便生成其它混合描述。

8.一种用于在异构网络上减轻内容传递的悬崖效应的接收器，包括：

联合解码器，被配置为解码从接收到的表示内容单元的描述中提取的量化表示；以及

与所述联合解码器关联的求和点，并被配置为采用至少一个表示所述内容单元的未编码符号来补偿至少一个所述联合解码器无法解码的相应符号。

9.如权利要求8所述的接收器，其中，所述联合解码器包括多个传统解码器实例，所述传统解码器被配置为一次性解码所述量化表示的单独一个。