CN104065458B - 一种通信网络中改进的ewf码编码方法 - Google Patents

Abstract

一种通信网络中改进的EWF码编码方法,其流程为：对多媒体信源进行分层编码、对基本层和增强层数据分类构成信源分组、产生EWF编码分组、接收机分层译码、发射机更改产生EWF编码分组、接收机再次分层译码、信源译码；所述发射机更改产生EWF编码分组和接收机再次分层译码为：发射机收到译码成功信号后，再次产生编码分组前对数据进行处理：根据需要重复所述接收机分层译码、发射机更改产生EWF编码分组和接收机再次分层译码步骤，整个过程直至译码完成或者发送完最大可发送编码分组数目为止。本发明能获得更好的译码效果，提高了增强层信源分组译码能力10%，其代价是增加了部分编码复杂度和引入了部分反馈机制。

Description

一种通信网络中改进的EWF码编码方法

技术领域

本发明涉及一种在通信网络中实现可靠多媒体传输的新方法，属于通信编码技术领域。

背景技术

在多媒体数据广播中，通常采用对数据进行分层编码的方式来减少信道错误对接收数据完整性的破坏，如可伸缩性视频编码(Svalable Video Coding,SVC)方案，(见“Overview of Scalable Video Coding Extension of the H.264/AVC Standard”,IEEETransactions on Circuits and Systems for Video Technology，Vol.17,No.9,September2007)。该编码方案将数据分成若干层进行传输，基本层(Base Layer)数据提供一个基本的图像质量，增强层(Enhancement Layer)数据在基本层数据基础上通过增量的方式对图像质量进行改善。这样，接收机就可根据信道质量接收不同层数的数据。

喷泉码是一种应用于删除信道的纠删码技术。喷泉码的典型应用包括组播和广播业务、分布式网络存储等。喷泉码的基本思想是，在发送端使用无比率编码方法将K个信源分组编成半无穷编码分组序列进行发送。每一个接收点正确接收到K个编码分组(或者略大于K个编码分组)即可解出原发送的K个信源分组。接收机正确译出所发送的K个信源分组后，即向发送端发送单次确认信号，结束此次通信。目前，一种系统Raptor码已被3GPP组织的MBMS标准所采纳。

在采用MPEG和H.264等编码格式的视频文件或者JPEG2000等编码格式的图像文件传输中，部分数据需要更高的可靠性；在视频点播(Video-on-Demand,VOD)系统中，部分数据需要更快的恢复能力。在这些应用场景中，传统的喷泉码已不能满足传输需求，这时需要研究具有不等差错保护(Unequal Error Protection,UEP)特性的喷泉码。Rahnavard等人在文章“Rateless codes with unequal error protection property”(IEEETransactions on Information Theory,Vol.53,No.4,April2007)中提出了加权类UEP喷泉码。随后Sejdinovic等人又提出了一种更加灵活新颖的UEP喷泉码设计方法，这种码被命名为扩展窗喷泉(Expanding Window Fountain,EWF)码(见“Expanding Window FountainCodes for Unequal Error Protection”，IEEE Transactions on Communications,Vol.57,No.9,September2009)。

传统的EWF码编码方法为假定有K个信源分组要在删除信道中传输，信源分组根据要求的保护级别被划分成了r类，其大小分别为

s₁,s₂,L,s_r，s₁+s₂+L+s_r＝K。最前面的s₁个信源分组代表最重要的信息，紧接着的s₂个信源分组代表第二级别重要信息，依次类推得到r类，即如果i＞j的话，则s_i的重要性高于s_j。这样划分信源分组确定了一个严格递增的数据集合子集，我们叫做窗。第i类窗是由头个信源分组构成，可以看出第i保护级别类的信源分组属于第i类窗及j(大于i)类窗。我们可以使用生成多项式来表示信息类别的划分，其中此外，引入定义不同于原始的LT码，EWF码安排每一个编码分组到一个随机选择的窗，根据窗分布函数这里Γ_i表示选择第i个窗的概率。也就是说，一个编码分组被确定，其编码过程按照原始的LT码过程，根据一个合适的度分布函数执行在选定的第k_i个数据集上。简言之，EWF码F_EW(Π,Γ,Ω⁽¹⁾,…,Ω^(r))是一种喷泉码，其安排每一个编码分组到第j类窗的概率为Γ_j，编码过程按照原始的LT码的方法，根据合适的度分布函数执行在第j类窗的数据集上。上述内容记录在文献“ExpandingWindow Fountain Codes for Unequal Error Protection”中。

发明内容

本发明的目的在于对传统EWF编码方法进行改造，提供了一种改进的EWF码编码方法，能够改善EWF码的译码性能。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种通信网络中改进的EWF码编码方法,其流程为：对多媒体信源进行分层编码、对基本层和增强层数据分类构成信源分组、产生EWF编码分组、接收机分层译码、发射机更改产生EWF编码分组、接收机再次分层译码、信源译码；所述产生EWF编码分组为：设定EWF码编码参数：窗分布函数和度分布函数，产生编码分组发送，其中，第一类窗对应的编码分组采用系统码方式产生；

所述接收机分层译码为：接收机收到足够多的编码分组后，采用BP译码或者高斯消元译码算法译码，当接收机对第一类信源分组译码成功后，给发射机发送一比特的译码成功信号；

所述发射机更改产生EWF编码分组和接收机再次分层译码为：发射机收到译码成功信号后，再次产生编码分组前对数据进行处理：如果第一类信源分组成功译码，则第一类信源分组从各类窗对应的信源分组集中删除，并且更新Γ_i的值，这里Γ_i表示选择第i个窗的概率，Γ^新 ₂＝Γ₁+Γ₂，Γ^新 ₁＝0，其他Γ_i值不变，Γ^新 ₂为更新后的Γ₂值，Γ^新 ₁为更新后的Γ₁值，然后产生编码分组，根据需要重复所述接收机分层译码、发射机更改产生EWF编码分组和接收机再次分层译码步骤，如接收机对第i类信源分组译码成功后，给发射机发送一比特的译码成功信号，发射机收到译码成功信号后，再次产生编码分组前，从各类窗对应的信源分组集中删除第i类信源分组，并且Γ^新 _i+1＝Γ_i+Γ_i+1，Γ^新 _i＝0，然后产生编码分组；整个过程直至译码完成或者发送完最大可发送编码分组数目为止。

本发明与传统EWF编码方法相比能获得更好的译码效果，提高了增强层信源分组译码能力10％，其代价是增加了部分编码复杂度和引入了部分反馈机制。

附图说明

图1为EWF码的图示；

图2为本发明的整个传输系统框图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

通讯网络中一种改进的EWF码编码方法，具体步骤为：

步骤一、对图像、视频等多媒体信源进行分层编码

对图像信号采用分层编码(如JPEG2000)方式进行编码，对视频信号采用分层编码(如H.264)方式进行编码，产生一个基本层数据和若干个增强层数据。

步骤二、对基本层和增强层数据分类构成信源分组

将基本层和若干个增强层数据比特组成EWF编码的信源分组，根据需要将这些信源分组分成r类保护级别。

步骤三、产生EWF编码分组

设定EWF码编码参数：窗分布函数和度分布函数，产生编码分组发送，传统的EWF码编码方法产生的是非系统码，为了满足最重要信源分组能够准确快速译码(如VOD系统中)的需求，本方案改进了传统的EWF码编码方案，对第一类窗对应的编码分组采用系统码方式产生，具体编码算法见文章“Raptor codes”(IEEE Transactions on InformationTheory,Vol.52,No.6,June2006)的第2564页的算法9。由于采用系统码构造方法能大大增加系统编码复杂度，因此不能对整个r类窗都采用系统编码方案，第一类窗对应的信源分组数目很少，对第一类窗对应的信源分组采用系统编码导致的复杂度增加是可以接受的。

步骤四、接收机收到足够多的编码分组后，采用BP译码或者高斯消元译码算法译码，当接收机对第一类信源分组译码成功后，给发射机发送一比特的译码成功信号。

步骤五、发射机收到译码成功信号后，再次产生编码分组前对数据进行处理，如第一类信源分组成功译码，则第一类信源分组从各类窗对应的信源分组集中删除，并且更新Γ_i的值，Γ^新 ₂＝Γ₁+Γ₂，Γ^新 ₁＝0，其他Γ_i值不变，Γ^新 ₂为更新后的Γ₂值，Γ^新 ₁为更新后的Γ₁值，然后产生编码分组。

步骤六、根据需要重复步骤四和步骤五，如接收机对第i类信源分组译码成功后，给发射机发送一比特的译码成功信号，发射机收到译码成功信号后，再次产生编码分组前，从各类窗对应的信源分组集中删除第i类信源分组，并且Γ^新 _i+1＝Γ_i+Γ_i+1，Γ^新 _i＝0，然后产生编码分组。整个过程直到译码完成或者发送完最大可发送编码分组数目为止。

步骤七、接收机对译码的信源分组执行信源译码恢复采用分层编码的原始信息。

至此，整个编译码过程处理完毕。

下面通过具体操作方式进一步说明本发明。

通讯网络中一种改进的EWF码编码方法，具体步骤为：

步骤一、对一段视频进行分层编码如用JSVM软件进行编码，产生一个基本层数据D₁比特和N-1个增强层数据D₂,…,D_N比特。

步骤二、对基本层和增强层数据采用EWF码编码产生编码分组。

将每m个比特组成一个信源分组，基本层数据组成K₁个信源分组(即D₁＝mK₁)，同理，N-1个增强层数据得到K₂,…,K_N个信源分组，然后根据需要将这K＝K₁+K₂+…+K_N个信源分组分成r个重要等级，第一类窗对应的编码分组采用系统码方式产生，接着产生EWF编码分组发送。

步骤三、接收机收到足够多的编码分组后，采用BP或者高斯消元译码算法译码第一类信源分组，当接收机对第一类信源分组译码成功后，给发射机发送一比特的译码成功信号。

步骤四、发射机收到译码成功信号后，再次产生编码分组前对数据进行处理，如第一类信源分组成功译码，则第一类信源分组从各类窗对应的信源分组集中删除，并且更新Γ_i的值，Γ^新 ₂＝Γ₁+Γ₂，Γ^新 ₁＝0，其他Γ_i值不变，Γ^新 ₂为更新后的Γ₂值，Γ^新 ₁为更新后的Γ₁值，然后再产生编码分组发送。

步骤五、根据需要重复步骤三和步骤四，如接收机对第i类信源分组译码成功后，给发射机发送一比特的译码成功信号，发射机收到译码成功信号后，再次产生编码分组前，从各类窗对应的信源分组集中删除第i类信源分组，并且Γ^新 _i+1＝Γ_i+Γ_i+1，Γ^新 _i＝0，然后再产生编码分组。整个过程直到译码完成或者发送完最大可发送编码分组数目为止。

步骤六、接收机对译码得到的信源分组执行信源译码恢复原始视频信息。

用具体数据来表示上述过程就是：

步骤一、对一段视频用JSVM软件进行编码，产生一个基本层数据25600比特和一个增强层数据230400比特。

步骤二、对基本层和增强层数据采用EWF码编码产生编码分组。

将每256个比特组成一个信源分组，基本层数据组成100个信源分组，同理，增强层数据得到900个信源分组，然后根据需要将这1000个信源分组分成2个重要等级，EWF编码中，参数Γ₁取值为0.1，窗口分布函数Γ(x)＝Γ₁x+(1-Γ₁)x²,度分布函数都取为

Ω(x)＝0.007969x+0.49357x²+0.16622x³+0.072646x⁴+0.082558x⁵+0.056058x⁸+0.037229x⁹+0.05559x¹⁹+0.025023x⁶⁵+0.003135x⁶⁶

步骤三、接收机收到足够多的编码分组后，采用BP译码算法译码第一类信源分组，当接收机对第一类信源分组译码成功后，给发射机发送一比特的译码成功信号。

步骤四、发射机收到译码成功信号后，再次产生编码分组前对数据进行处理，如第一类信源分组成功译码，则第一类信源分组从各类窗对应的信源分组集中删除，并且更新Γ_i的值，更新后Γ₁＝0，Γ(x)＝x²，然后继续产生编码分组发送。整个过程直到译码完成或者发送完1500个编码分组为止。

步骤五、接收机对译码得到的信源分组执行信源译码恢复原始视频信息。

按照实施例的过程我们进行了100次仿真，相比于传统EWF算法，改进的EWF编码方案在保证基本层信源分组译码能力的基础上，能提高增强层信源分组译码能力10％。由此可见，本发明具有更好的译码效果。

一种通信网络中改进的EWF码编码方法,其流程为：对多媒体信源进行分层编码、对基本层和增强层数据分类构成信源分组、产生EWF编码分组、接收机分层译码、发射机更改产生EWF编码分组、接收机再次分层译码、信源译码；所述发射机更改产生EWF编码分组和接收机再次分层译码为：发射机收到译码成功信号后，再次产生编码分组前对数据进行处理：根据需要重复所述接收机分层译码、发射机更改产生EWF编码分组和接收机再次分层译码步骤，整个过程直至译码完成或者发送完最大可发送编码分组数目为止。

本发明能获得更好的译码效果，提高了增强层信源分组译码能力10％，其代价是增加了部分编码复杂度和引入了部分反馈机制。

Claims (1)

1.一种通信网络中改进的EWF码编码方法,其流程为：对多媒体信源进行分层编码、对基本层和增强层数据分类构成信源分组、产生EWF编码分组、接收机分层译码、发射机更改产生EWF编码分组、接收机再次分层译码、信源译码；其特征在于：所述产生EWF编码分组为：设定EWF码编码参数：窗分布函数和度分布函数，产生编码分组发送，其中，第一类窗对应的编码分组采用系统码方式产生；

所述接收机分层译码为：接收机收到足够多的编码分组后，采用BP译码或者高斯消元译码算法译码，当接收机对第一类信源分组译码成功后，给发射机发送一比特的译码成功信号；

所述发射机更改产生EWF编码分组和接收机再次分层译码为：发射机收到译码成功信号后，再次产生编码分组前对数据进行处理：如果第一类信源分组成功译码，则第一类信源分组从各类窗对应的信源分组集中删除，并且更新Γ_i的值，这里Γ_i表示选择第i个窗的概率，Γ^新 ₂＝Γ₁+Γ₂，Γ^新 ₁＝0，其他Γ_i值不变，Γ^新 ₂为更新后的Γ₂值，Γ^新 ₁为更新后的Γ₁值，然后产生编码分组，根据需要重复所述接收机分层译码、发射机更改产生EWF编码分组和接收机再次分层译码步骤，如接收机对第i类信源分组译码成功后，给发射机发送一比特的译码成功信号，发射机收到译码成功信号后，再次产生编码分组前，从各类窗对应的信源分组集中删除第i类信源分组，并且Γ^新 _i+1＝Γ_i+Γ_i+1，Γ^新 _i＝0，然后产生编码分组；整个过程直至译码完成或者发送完最大可发送编码分组数目为止。