CN104363469A - 一种基于比特重要性的功率分配方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于比特重要性的功率分配方法及装置，其中，所述方法包括将视频源的全部比特分成N个集合，其中，所述N为所述视频源的每像素量化后的比特数，将所有像素点的第n比特组成比特集n，所述n属于{0,1,…,N-1}，0对应最低比特，N-1对应最高比特；为所述N个比特集分配功率，使所述N个比特集的整体MSE最小。由更加精细的无压缩视频信息分离方法，精确量化各比特集的重要性系数，根据最优化理论设计最佳功率分配策略。

Description

一种基于比特重要性的功率分配方法及装置

技术领域

本发明涉及无线视频传输技术领域，尤其涉及一种基于比特重要性的功率分配方法及装置。

背景技术

近些年来，无压缩视频以其低时延和高画质受到广泛关注。随着无线技术的高速发展，短距离无线通信已经可以实现高清无压缩视频的传输。

在无线视频传输技术中，非均等保护(UEP)是核心技术之一。视频信号比特重要性不均等，例如亮度分量重要性高于色度分量，低频信息重要性高于高频信息，像素高比特重要性高于低比特。UEP技术就是结合视频信号的这种特点，对不同重要性的信息分配不同的无线资源，以达到最佳的传输效果。通常，需要根据视频信息重要性将视频源分成多个集合，再根据具体的UEP算法为每个集合分配不同的调制编码方式、功率、子载波、天线等无线资源以实现对重要信息重点保护、次要信息次要保护。

针对无压缩视频源的无线传输，目前，已经提出了很多有效的UEP算法，但是大都将比特划分为重要比特(MSB)和不重要比特(LSB)两个级别，再分配不同的功率或者调制编码方式以实现UEP。都不是一种精细的无压缩视频信息分离方法，无法精确量化各比特集的重要性系数。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种基于比特重要性的功率分配方法及装置，实现精确量化各比特集的重要性系数。

本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于比特重要性的功率分配方法及装置，包括：

将视频源的全部比特分成N个集合，其中，所述N为所述视频源的每像素量化后的比特数，将所有像素点的第n比特组成比特集n，所述n属于{0,1,…,N-1}，0对应最低比特，N-1对应最高比特；

为所述N个比特集分配功率，使所述N个比特集的整体MSE(Mean Square Error，均方误差)最小。

一种基于比特重要性的功率分配装置，包括：

比特分离单元，用于将视频源的全部比特分成N个集合，其中，所述N为所述视频源的每像素量化后的比特数，将所有像素点的第n比特组成比特集n，所述n属于{0,1,…,N-1}，0对应最低比特，N-1对应最高比特；

功率分配单元，用于为所述比特分离单元划分的所述N个比特集分配功率，使所述N个比特集的整体MSE最小。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，由更加精细的无压缩视频信息分离方法，精确量化各比特集的重要性系数，根据最优化理论设计最佳功率分配策略。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于比特重要性的功率分配方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的基于比特重要性的功率分配装置的构成示意图；

图3为本发明实施例提供的基于比特重要性的功率分配方法的无压缩无线视频传输原理框图；

图4为本发明实施例提供的基于比特重要性的功率分配方法与现有技术均等功率分配的性能对比图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于比特重要性的功率分配方法，包括:

1 1、将视频源的全部比特分成N个集合，其中，所述N为所述视频源的每像素量化后的比特数，将所有像素点的第n比特组成比特集n，所述n属于{0,1,…,N-1}，0对应最低比特，N-1对应最高比特；

1 2、为所述N个比特集分配功率，使所述N个比特集的整体MSE(Mean Square Error，均方误差)最小。

本发明实施例基于比特重要性的功率分配方法的执行主体可以为视频源的发送端。

本发明实施例基于比特重要性的功率分配方法应用场景为：功率受限的无线通信系统中进行无压缩视频的高质量传输，传输组合的误码曲线可近似为负指数函数。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，将视频源的全部比特分成N个集合，而不是仅仅分为MSB和LSB两个集合，精确量化各比特集的重要性系数，在不引入较大的处理时延的前提下，根据最优化理论设计最佳功率分配策略。

本领域技术人员可以理解，最低比特指比特重要性最低，最高比特指比特重要性最高。

具体的，为所述N个比特集分配功率，使所述N个比特集的整体MSE最小，可以包括：

(1)确定无线信道误码率的负指数近似曲线其中，a和b为由调制编码方式确定的常数，σ²为噪声功率，S为信号功率。

根据噪声功率σ²和负指数系数b计算公差d＝1.2σ²/b；

(2)计算非零功率比特集个数其中，P为额定功率；

(3)第n个非零功率比特集所分得功率大小为：其中，p_n为比特集n的功率。

具体而言，各比特集对整体MSE贡献不尽相同，重要性越低分到功率越多的比特集对整体MSE贡献越小。

具体的，各比特集的贡献与此比特集的平均误码率相关。如果e_n为比特集n的平均误码率，则比特集n对整体MSE的贡献为e_n×4ⁿ，其中，4ⁿ为其重要性系数。

需要说明的是，很多情况下无线信道的误码率曲线可以近似为负指数函数其中a和b为由具体调制编码方式确定的常数，σ²为噪声功率，S为信号功率。

本领域技术人员可以理解，确定无线信道误码率的负指数近似曲线的实现方式，在此不作赘述。

本领域技术人员可以理解，根据具体调制编码方式确定常数a和b的实现方式，在此不作赘述。示例性的，如通过链路级仿真获得相对准确的误码率的负指数近似曲线，再进行曲线拟合求出具体的a和b。通常误码率曲线横坐标是自变量信噪比，纵坐标是因变量误码率，对于不同的调制编码方式，信噪比与误码率之间的关系不一样，进行曲线拟合时对应的参数a，b值也就不一样，可以理解为由具体调制编码方式确定a和b，在此不再赘述。

那么，在误码率近似曲线已知、总功率受限的情况下，为了使各比特集整体MSE最小，可以通过求解如下优化问题得到最优功率分配方案：

$\begin{array}{cc}\min & \underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ae}}^{-\frac{{\mathrm{bp}}_n}{{\mathrm{\σ}}^2}}\×4^n,\end{array}$

$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n=P,\end{array}$

p_n≥0,

在这里P为额定功率，p_n为比特集n的功率。

因此，求解此问题可知：在信噪比较低时，不为重要性较低的比特集分配功率会获得更优性能，非0的p_n服从等差数列，公差为1.2σ²/b。

则得到上述具体计算p_n策略(1)，(2)，(3)。

经过上述1 1比特分离和1 2功率分配处理，接收端将获得较高的视频质量。

可选的，本发明实施例基于比特重要性的功率分配方法，还可以包括：建立调制编码方式和信噪比对应的最优功率分配结果的查找表。

也就是，无需每次功率分配都进行完整的功率计算，本发明实施例基于比特重要性的功率分配方法可以作为离线算法。由于误码率近似曲线由调制编码方式决定，结合系统额定功率和噪声功率，可预先将不同参数组合对应的最优功率分配结果算出存入表中，分配功率时直接查表即可。

如图2所示，对应上述实施例基于比特重要性的功率分配方法，本发明实施例提供一种基于比特重要性的功率分配装置，包括：

比特分离单元2 1，用于将视频源的全部比特分成N个集合，其中，所述N为所述视频源的每像素量化后的比特数，将所有像素点的第n比特组成比特集n，所述n属于{0,1,…,N-1}，0对应最低比特，N-1对应最高比特；

功率分配单元2 2，用于为比特分离单元2 1划分的所述N个比特集分配功率，使整体MSE最小。

本发明实施例基于比特重要性的功率分配装置可以单独设置或者与视频源的发送端设置于一体。

本发明实施例基于比特重要性的功率分配装置应用场景为：功率受限的无线通信系统中进行无压缩视频的高质量传输，传输组合的误码曲线可近似为负指数函数。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，将视频源的全部比特分成N个集合，而不是仅仅分为MSB和LSB两个集合，精确量化各比特集的重要性系数，在不引入较大的处理时延的前提下，根据最优化理论设计最佳功率分配策略。

本领域技术人员可以理解，最低比特指比特重要性最低，最高比特指比特重要性最高。

具体的，所述功率分配单元，可以具体用于：

确定无线信道误码率的负指数近似曲线其中，a和b为由调制编码方式确定的常数σ²为噪声功率，S为信号功率。

根据噪声功率σ²和负指数系数b计算公差d＝1.2σ²/b；

计算非零功率比特集个数其中，P为额定功率；

第n个非零功率比特集所分得功率大小为：其中，p_n为比特集n的功率。

具体而言，各比特集对整体MSE贡献不尽相同，重要性越低分到功率越多的比特集对整体MSE贡献越小。

具体的，各比特集的贡献与此比特集的平均误码率相关。如果e_n为比特集n的平均误码率，则比特集n对整体MSE的贡献为e_n×4ⁿ，其中，4ⁿ为其重要性系数。

需要说明的是，很多情况下无线信道的误码率曲线可以近似为负指数函数ae^-bγ，其中γ为信噪比，a和b为由具体调制编码方式确定的常数。

那么，在误码率近似曲线已知、总功率受限的情况下，为了使整体MSE最小，可以通过求解如下优化问题得到最优功率分配方案：

$\begin{array}{cc}\min & \underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ae}}^{-\frac{{\mathrm{bp}}_n}{{\mathrm{\σ}}^2}}\×4^n,\end{array}$

$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n=P,\end{array}$

p_n≥0,

在这里P为额定功率，p_n为比特集n的功率。

求解此问题可知：在信噪比较低时，不为重要性较低的比特集分配功率会获得更优性能，非0的p_n服从等差数列，公差为1.2σ²/b。

则得到上述具体计算p_n策略。

可选的，本发明实施例基于比特重要性的功率分配装置，还可以包括：

查找表单元，用于建立调制编码方式和信噪比对应的最优功率分配结果的查找表。

也就是，无需每次功率分配都进行完整的功率计算，本发明实施例基于比特重要性的功率分配方法可以作为离线算法，即预先将调制编码方式和信噪比对应的最优功率分配结果算出存入表中，分配功率时直接查表即可。

如图3为本发明实施例基于比特重要性的功率分配方法的原理框图：

虽然，图3以M-QAM(M-ary Quadrature Amplitude Modulation，多进制正交幅度)调制无信道编码的传输组合为例，但本领域技术人员可以理解，并不局限于这种方式，只要传输组合的误码曲线可近似为负指数函数即可。

以任意像素点i的传输为例。发送端首先将输入的无压缩视频3 1进行比特分离3 2，t_i表示第i个像素，t_i[k],k＝0,1,...,N-1表示此像素的第k比特。然后各比特分别进行M-QAM调制3 3，再将调制后的符号s_i[k],k＝0,1,...,N-1按照本发明实施例基于比特重要性的功率分配方法行功率分配3 4得到x_i[k],k＝0,1,...,N-1，之后经过并串变换和数字模拟转换3 5将视频信号发射到无线信道3 6中传输；

在接收端，经过串并变换和模拟数字变换3 7后得到y_i[k],k＝0,1,...,N-1，解调QAM符号3 8得到r_i[k],k＝0,1,...,N-1，再将各比特进行合并3 9，得到完整视频序列3 1 0。

基于本发明实施例基于比特重要性的功率分配方法进行了仿真实验：

选取QPSK(Quadrature-Phase-Shift-Keying，正交相移键控)作为调制方式，即4-QAM。测试视频选取akiyo、bus、city、coastguard、crew、flower、football、foreman、harbour、ice、mobile、news、soccer、stefan、tempete、waterfall等常用视频中的部分帧组成联合测试序列。

仿真实验中，在[-2,16]dB范围内，选择步进为2，针对每一信噪比，分别进行1000帧数据的独立仿真，计算这1000次仿真结果的峰值信噪比，本发明实施例基于比特重要性的功率分配方法的性能与现有技术等功率分配的性能作比较，绘制相应的曲线如图4进行观察。

图4为本发明实施例提供的基于比特重要性的功率分配方法与现有技术均等功率分配的性能对比图，其中，性能指标为PSNR(Peak Signal To Noise Ratio，峰值信噪比)。

图4中，曲线表示本发明实施例提供的基于比特重要性的功率分配方法的性能曲线，曲线表示现有技术等功率分配性能曲线。

仿真结果表明，在较大范围内，本本发明实施例基于比特重要性的功率分配方法比现有技术等功率分配性能高5-15dB。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于比特重要性的功率分配方法，其特征在于，包括:

将视频源的全部比特分成N个集合，其中，所述N为所述视频源的每像素量化后的比特数，将所有像素点的第n比特组成比特集n，所述n属于{0,1,…,N-1}，0对应最低比特，N-1对应最高比特；

为所述N个比特集分配功率，使所述N个比特集的整体MSE均方误差最小。

2.如权利要求1所述的基于比特重要性的功率分配方法，其特征在于，为所述N个比特集分配功率，使整体MSE最小，包括：

确定无线信道误码率的负指数近似曲线其中，a和b为由调制编码方式确定的常数，σ²为噪声功率，S为信号功率，根据噪声功率σ²和负指数系数b计算公差d＝1.2σ²/b；

计算非零功率比特集个数其中，P为额定功率；

第n个非零功率比特集所分得功率大小为：其中，p_n为比特集n的功率。

3.如权利要求2所述的基于比特重要性的功率分配方法，其特征在于，e_n为比特集n的平均误码率，所述比特集n对整体MSE的贡献为e_n×4ⁿ，其中，4ⁿ为其重要性系数。

4.如权利要求1或2或3所述的基于比特重要性的功率分配方法，其特征在于，所述方法还包括：建立调制编码方式和信噪比对应的最优功率分配结果的查找表。

5.如权利要求1或2或3所述的基于比特重要性的功率分配方法，其特征在于，所述无线信道误码率的近似曲线近似为负指数函数。

6.一种基于比特重要性的功率分配装置，其特征在于，包括：

比特分离单元，用于将视频源的全部比特分成N个集合，其中，所述N为所述视频源的每像素量化后的比特数，将所有像素点的第n比特组成比特集n，所述n属于{0,1,…,N-1}，0对应最低比特，N-1对应最高比特；

功率分配单元，用于为所述比特分离单元划分的所述N个比特集分配功率，使所述N个比特集的整体MSE最小。

7.如权利要求6所述的基于比特重要性的功率分配装置，其特征在于，所述功率分配单元，具体用于：

确定无线信道误码率的负指数近似曲线其中，a和b为由调制编码方式确定的常数，σ²为噪声功率，S为信号功率，根据噪声功率σ²和负指数系数b计算公差d＝1.2σ²/b；

计算非零功率比特集个数其中，P为额定功率；

第n个非零功率比特集所分得功率大小为：其中，p_n为比特集n的功率。

8.如权利要求7所述的基于比特重要性的功率分配装置，其特征在于，e_n为比特集n的平均误码率，所述比特集n对整体MSE的贡献为e_n×4ⁿ，其中，4ⁿ为其重要性系数。

9.如权利要求6或7或8所述的基于比特重要性的功率分配装置，其特征在于，所述的基于比特重要性的功率分配装置还包括：

查找表单元，用于建立调制编码方式和信噪比对应的最优功率分配结果的查找表。

10.如权利要求6或7或8所述的基于比特重要性的功率分配装置，其特征在于，所述无线信道误码率的近似曲线近似为负指数函数。