CN104092643B

CN104092643B - 2x2MIMO系统中基于HQAM的H.264/SVC视频传输方法

Info

Publication number: CN104092643B
Application number: CN201410365677.5A
Authority: CN
Inventors: 景小荣; 罗明敏; 张祖凡; 陈前斌
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2034-07-29
Also published as: CN104092643A

Abstract

本发明公开了一种2x2MIMO系统中基于HQAM的H.264/SVC视频传输方法，属于无线多媒体通信技术领域。该方法充分结合HQAM和MIMO技术的特点，针对MIMO信道进行SVD分解得到两个质量不同的子信道(HP和LP子信道)，根据SVC码流不同质量层对视频恢复质量的贡献对其进行重要性排序，将基本层和第一个MGS层数据划分为HP数据，第二个和第三个MGS层划分为LP数据，分别映射到不同的HQAM符号中。针对信道SNR值，选取使得基本层数据达到安全门限以下的HQAM调制参数值，最终视频传输得到优化。本视频传输方法操作复杂度低，且能在不增加任何冗余数据的条件下，使得视频传输质量得到优化。

Description

2x2MIMO系统中基于HQAM的H.264/SVC视频传输方法

技术领域

本发明属于无线多媒体通信技术领域，涉及一种2x2MIMO系统中基于HQAM的H.264/SVC视频传输方法。

背景技术

随着公众对无线多媒体业务需求的日益增长，高效可靠的视频传输技术目前正成为研究热点。然而，原始视频信号具有信息量大，冗余度高等特点，并不适宜在无线信道直接传输，同时，经过高效视频编码器压缩的输出码流对无线随机衰落信道的差错特别敏感，因此，在视频信号传输过程中，必须同时兼顾可靠性与有效性。

在众多视频压缩标准中，H.264/AVC以其高效的压缩率和良好的网络适应能力而被广泛应用，且其可伸缩版本H.264/SVC可提供时间、空间、质量可伸缩性，能够为具有不同带宽的用户提供相应的视频服务。同时，多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)技术可在不增加带宽和发射功率的情况下，成倍地提高系统容量，同时还可利用空间分集以提高传输链路的可靠性，因此，MIMO技术客观上为无线通信系统中实现高效可靠的视频传输奠定了物理基础。而尽管利用MIMO技术在一定程度上可提升视频数据传输的可靠性，但这对信道误码十分敏感的视频压缩码流来说是远远不够的，因此，为了实现视频在无线MIMO信道上可靠传输,必须结合具体传输技术，采取高效的抗误码策略。在众多抗误码策略中，不等差错保护按视频码流对恢复视频质量的重要性差异，将码流划分成不同的部分，对所划分的部分进行程度不等的保护，从而改善解码端视频恢复质量。

HQAM作为一种新型的UEP实现方式，与传统的基于前向纠错码(forward errorcorrection,FEC)的UEP相比，其优势在于无需添加冗余比特。基于HQAM的视频传输UEP策略，其原理在于，针对视频数据流中数据的不等重要性，将其分别映射到HQAM的高有效性比特和低有效性比特中，通过调整其调制参数可使得MSB的误码性能优于LSB。以16-HQAM为例，图3展示了MSB和LSB比特分配示意图，其中为调制参数，其中d₁表示象限间点到点的最近距离，d₂表示象限内点到点的最近距离，通过调整d₁，d₂，使得α大于1，这种情况下，QAM符号中的MSB比特的抗误码性能高于LSB比特。当α＝1，图3所示的调制星座图变为一般的常规QAM，MSB和LSB抗误码性能无差异。图4展示了在SISO信道中随着α的变化，HP，LP数据误码性能的变化情况。由图中可知，当α＞1时，随着α的增加，HP数据的误码率变得更低而LP数据的误码率上升，这说明通过HQAM获得的HP数据误码性能的提升是建立在牺牲LP数据性能的基础上的，故可通过将H.264/SVC码流的不同部分映射到HQAM的MSB和LSB上，以实现对视频传输的不等差错保护。

有人提出了一种SISO信道中的基于16-HQAM的自适应H.264/AVC视频传输方法，其通过将H.264/AVC视频码流中的数据划分为不等重要性的部分，分别映射到MSB和LSB中，根据信道环境自适应的选择HQAM调制参数，使得视频恢复质量最优。由于MIMO信道环境远比SISO信道恶劣，故相关方法无法直接移植到MIMO系统中，且基于HQAM的MIMO视频传输的相关传输策略还未被提出。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种2x2MIMO系统中基于分层调制(hierarchical quadrature amplitude modulation,HQAM)的H.264/SVC视频传输方法，该方法充分结合HQAM和MIMO技术的特点，针对MIMO信道进行SVD分解得到两个质量不同的子信道(HP和LP子信道)，根据SVC码流不同质量层对视频恢复质量的贡献对其进行重要性排序，将基本层和第一个MGS层数据划分为HP数据，第二个和第三个MGS层划分为LP数据，分别映射到不同的HQAM符号中。针对信道SNR值，选取使得基本层数据达到安全门限以下的HQAM调制参数值，最终视频传输得到优化。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种2x2MIMO系统中基于HQAM的H.264/SVC视频传输方法，包括以下步骤：步骤一：利用H.264/SVC标准，对原始视频序列进行质量可分级压缩，得到重要性不同的视频数据流；步骤二：将重要性不同的数据流映射到HQAM符号中，针对可选的调制参数集合，根据信道状况选取合适的参数，使得基本层数据能达到10^-5以下；步骤三：在发送端假设信道状态信息已知，针对当前信道进行SVD分解，得到2个等效子信道，根据奇异值的大小将子信道进行质量排序，奇异值较大的划分为高优先级(high priority，HP)子信道，反之划分为低优先级(low priority，LP)子信道；步骤四：将重要性高的调制符号映射到高优先级子信道HP中进行传输，将重要性较低的数据映射到低优先级子信道LP中传输。

进一步，在步骤一中，利用H.264/SVC官方参考软件JSVM9.5对原始视频序列进行质量可分层压缩，将其以质量可分层的方式设置为中性粒度可伸缩(medium grainscalability，MGS)，产生质量可伸缩的视频码流，且MGS增强层的数目为3，即产生的视频码流包含一个基本层和三个MGS增强层，且基本层重要性最高，第一个MGS层重要性高于第二MGS层，第二个MGS层高于第三个MGS层。

进一步，在步骤二中，将基本层数据和第一个MGS增强层划分为HP数据，将第二个MGS层和第三个MGS层划分为LP数据；在HP数据内部，基本层的重要性高于第一个MGS增强层，故将基本层映射到HQAM的高有效性比特(most significant bits，MSB)位上，将第一个MGS层数据映射到低有效性比特(least significant bits，LSB)位上；同理，在LP数据内部，第二个MGS层数据比第三个MGS层数据重要，故第二个MGS映射到LP信道HQAM符号中的MSB中，第三个MGS层数据映射到LSB中。

进一步，在步骤三中，在发送端利用信道状态信息对MIMO信道进行SVD分解，按照奇异值大小对子信道进行排序，奇异值较大的子信道划分为HP信道，用于传输HP数据，奇异值较小的子信道划分为LP信道，用于传输LP数据。

进一步，在步骤四中，根据信道信噪比(signal to noise ratio，SNR)，在可选的HQAM调制参数集合中，选择合适的调制参数使得基本层的误码率达到安全门限。

本发明的有益效果在于：本发明所述的视频传输方法操作复杂度低，且能在不增加任何冗余数据的条件下，使得视频传输质量得到优化。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为2x2MIMO系统中基于HQAM的H.264/SVC视频传输UEP策略实现框图；

图2为HQAM参数选取流程图；

图3为HQAM中MSB和LSB比特分布示意图；

图4为SISO信道下HP数据和LP数据误码率和调制参数关系图；

图5为实施例中α＝1各层误码率和SNR关系图；

图6为实施例中α＝2各层误码率和SNR关系图；

图7为本发明UEP策略与采取常规调制的UEP策略的PSNR性能对比图。

具体实施方式

本发明提出了一种2×2MIMO系统中基于HQAM的H.264/SVC视频传输的UEP方法。该方法充分结合HQAM和MIMO技术的特点，针对MIMO信道进行SVD分解得到两个质量不同的子信道(HP和LP子信道)，根据SVC码流不同质量层对视频恢复质量的贡献对其进行重要性排序，将基本层和第一个MGS层数据划分为HP数据，第二个和第三个MGS层划分为LP数据，分别映射到不同的HQAM符号中。针对信道SNR值，选取使得基本层数据达到安全门限以下的HQAM调制参数值，最终视频传输得到优化。包括如下步骤：

1)质量可伸缩码流的产生

设置H.264/SVC编码器标准参考软件JSVM配置文件参数，对原始视频序列进行压缩，产生质量可伸缩的视频码流，包含一个基本层和三个MGS增强层。

2)HP和LP数据的抽取及HQAM符号中MSB和LSB比特的映射

将基本层数据和第一个MGS层数据划为HP数据，映射到同一个HQAM符号中，其中基本层数据映射到MSB中，第一个MGS层映射到LSB中。将第二个MGS和第三个MGS层数据划分为LP数据，同样映射到另外的HQAM符号中，第二个MGS层数据映射到该HQAM符号的MSB中，第三个MGS层映射到LSB中。

3)MIMO信道分解

假设发送端确知信道状态信息，对MIMO信道进行SVD分解，根据SVD分解得到的奇异值的大小，对子信道进行划分，将奇异值大的子信道划分为HP信道，将奇异值小的信道划分为LP信道。

4)HQAM调制参数的选取及传输

将基本层和第一个MGS层数据经HQAM调制后送入HP子信道传输，第二个和第三个MGS层数据经HQAM调制后送入LP子信道传输。在可选的HQAM调制参数集合中选择调制参数使得基本层数据的误码率达到安全门限以下。

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为2×2MIMO视频传输系统的框图，首先原始视频经过H.264/SVC编码器压缩产生包含一个基本层和三个MGS增强层的质量可伸缩码流，具体可通过设置H.264/SVC标准参考软件JSVM的配置文件实现，其中CgsSnrRefinement参数设置为1，以实现MGS的SNR质量分层模式。

从原始码流中抽取基本层和第一个MGS层作为HP数据，将第二个MGS层和第三个MGS层划分为LP数据。具体可利用JSVM官方参考软件中的BitStreamExtractor.exe工具结合编码段生成的码流trace文件来实现:

(1)独立编写一个trace文件分解程序，命名为parsesvc.exe，将trace中的Q属性为0，1,2,3的记录全部读取到不同的文件中，分别命名为baselayer.txt,mgs1.txt,mgs2.txt,,mgs3.txt，其中对于序列参数集(sequence parameters set,SPS)和图像参数集(picture parameter set,PPS)的记录读入到baselayer.txt文件中。

(2)利用BitStreamExtractor.exe和生成的baselayer.txt,mgs1.txt,mgs2.txt,,mgs3.txt文件将H.264/SVC码流分别提取到base.264、mgs1.264、mgs2.264、mgs3.264文件当中，即分别得到了基本层码流和三个MGS增强层码流。Base.264和mgs1.264码流划分为HP数据，mgs2.264和mgs3.264划分为LP数据。

将HP数据中的基本层映射到HQAM中的MSB比特上而第一个MGS层映射到LSB比特上，将LP数据中的第二个MGS增强层映射到MSB比特上而第二个MGS层映射到LSB比特上。以16-HQAM为例，基于格雷码映射的16-HQAM星座图如图3所示。对于常规16QAM而言，其星座点集合为：

其对应的比特符号为：

{0000,1000,0100,1100,0010,1010,0110,1110,0001,0101,1001,1101,0011,0111,1011,1111}。

而以调制参数α＝2的星座映射关系而言，上述比特符号对应：

其中符号比特的前两位为MSB，后两位为LSB。

HQAM的具体调制参数根据图2中的流程图来决定。

在上述基础上，将HP数据组成的HQAM符号映射到HP信道上，将LP数据组成的HQAM映射到LP信道中传输，其中HP和LP信道的划分如下：

考虑2x2MIMO系统，对信道矩阵H做SVD分解，可得H＝USV^H，其中U，V为酉矩阵，S＝diag(λ₁,λ₂)为对角矩阵，且满足λ₁＞λ₂≥0，由于奇异值越大，其对应子信道质量越好，故将λ₁对应的子信道划分为HP信道而λ₂对应的子信道划分为LP信道。

在接收端，采取与发送端相反的处理方式依次对接收到的信号解调，恢复各个质量层数据，最后送入H.264/SVC解码器，恢复视频序列。

图2为HQAM参数选取流程图，具体步骤如下：

步骤21，获取信道SNR，在本发明所采取的的系统中，误码率与信道SNR及HQAM调制参数密切相关，在一定误码率要求下，要确定调制参数，必须首先获得信道SNR。

步骤22，假设调制参数集合为α*＝{α₁,α₂…α_n-1,α_n}，且满足1≤α₁＜α₂…α_n-1＜α_n。获取信道SNR后，从集合α*中从小到大的顺序选取调制参数，即从α₁开始，依次递增，直到α_n。

步骤23，当选取HQAM参数后，判断选取的参数是否已经位于集合的末尾，即是否已经是经到达最末尾参数α_n，如果是则退出参数选取循环，进入步骤26。如果不是，则进入步骤24。

步骤24，根据选取的参数和SNR估计当前基本层数据的误码率，进入步骤25。当SNR和调制参数确定后，在特定的服从锐利分布的信道模型下，本发明系统中基本层的误码率可通过大量仿真获得。

步骤25，判断所估计的误码率是否已达到基本层的安全门限，如果是，则进入步骤26，否则返回步骤22。

步骤26，将步骤25所得到的调制参数作为HQAM调制的参数应用到视频传输UEP策略当中，退出流程。

图3为HQAM中MSB和LSB比特分布示意图，图4为SISO信道下HP数据和LP数据误码率和调制参数关系图，图5为实施例中α＝1各层误码率和SNR关系图，图6为实施例中α＝2各层误码率和SNR关系图。

为直观体现本发明策略的有效性，采取峰值信噪比(peak signal to noiseratio,PSNR)作为视频质量评价标准，图7展示了本发明的UEP策略与采取常规HQAM(即α＝1时的策略)的UEP的性能对比图。从图中可看出，在较低信噪比时，采取16-HQAM的UEP策略能取得更优的PSNR值，且随着调制参数α的增加而效果变得更优，而信噪比较大时，采取HQAM的策略的PSNR值均低于采取常规HQAM的值，且随着α的增加而变得更小。因此我们可以根据信道SNR的变化灵活的选择调制参数α的值，使得PSNR值最优。从仿真结果可得，当SNR小于15dB时采取调制参数α＝2.5；当SNR为16dB时采取α＝2；当SNR等于17dB时，采取α＝1.5；当SNR高于18dB时，采取非常规调制，即α＝1。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种2x2MIMO系统中基于HQAM的H.264/SVC视频传输方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：利用H.264/SVC标准，对原始视频序列进行质量可分级压缩，得到重要性不同的视频数据流；

步骤二：将重要性不同的数据流映射到HQAM符号中，针对可选的调制参数集合，根据信道状况选取合适的参数，使得基本层数据能达到10^-5以下；

步骤三：在发送端假设信道状态信息已知，针对当前信道进行SVD分解，得到2个等效子信道，根据奇异值的大小将子信道进行质量排序，奇异值较大的划分为高优先级(highpriority，HP)子信道，反之划分为低优先级(low priority，LP)子信道；

步骤四：将重要性高的调制符号映射到高优先级子信道HP中进行传输，将重要性较低的数据映射到低优先级子信道LP中传输。

2.根据权利要求1所述的一种2x2MIMO系统中基于HQAM的H.264/SVC视频传输方法，其特征在于：在步骤一中，利用H.264/SVC官方参考软件JSVM9.5对原始视频序列进行质量可分层压缩，将其以质量可分层的方式设置为中性粒度可伸缩(medium grain scalability，MGS)，产生质量可伸缩的视频码流，且MGS增强层的数目为3，即产生的视频码流包含一个基本层和三个MGS增强层，且基本层重要性最高，第一个MGS层重要性高于第二MGS层，第二个MGS层高于第三个MGS层。

3.根据权利要求1所述的一种2x2MIMO系统中基于HQAM的H.264/SVC视频传输方法，其特征在于：在步骤二中，将基本层数据和第一个MGS增强层划分为HP数据，将第二个MGS层和第三个MGS层划分为LP数据；在HP数据内部，基本层的重要性高于第一个MGS增强层，故将基本层映射到HQAM的高有效性比特(most significant bits，MSB)位上，将第一个MGS层数据映射到低有效性比特(least significant bits，LSB)位上；同理，在LP数据内部，第二个MGS层数据比第三个MGS层数据重要，故第二个MGS映射到LP信道HQAM符号中的MSB中，第三个MGS层数据映射到LSB中。

4.根据权利要求1所述的一种2x2MIMO系统中基于HQAM的H.264/SVC视频传输方法，其特征在于：在步骤三中，在发送端利用信道状态信息对MIMO信道进行SVD分解，按照奇异值大小对子信道进行排序，奇异值较大的子信道划分为HP信道，用于传输HP数据，奇异值较小的子信道划分为LP信道，用于传输LP数据。

5.根据权利要求1所述的一种2x2MIMO系统中基于HQAM的H.264/SVC视频传输方法，其特征在于：在步骤四中，根据信道信噪比(signal to noise ratio，SNR)，在可选的HQAM调制参数集合中，选择合适的调制参数使得基本层的误码率达到安全门限。