CN106850643B - 一种高能效的可伸缩视频编码实时流媒体的无线传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高能效的可伸缩视频编码实时流媒体的无线传输方法，其特征包括：基于带随机误差的信道状态估计进行流媒体可伸缩编码层的选择传输控制；基于部分可观Markov决策过程模型进行性能分析和策略优化；采用在线策略迭代算法进行编码层传输控制策略的自适应优化。本发明能通过视频编码层的选择传输，以流量的自适应调节实现传输能效的优化，从而在保证实时流媒体视频质量QoS的同时有效提高传输能效。

Description

一种高能效的可伸缩视频编码实时流媒体的无线传输方法

技术领域

本发明属于无线多媒体通信领域，具体的说是一种高能效的可伸缩视频编码实时流媒体的无线传输方法。

背景技术

随着数字和移动通信技术的快速发展，近年来通过无线普适接入的网络多媒体服务急剧增长。由于视频相关的应用和智能移动终端的普及，目前超过一半的无线数据流量由流媒体构成，并预期在未来十年内将达到三分之二以上。无线流媒体传输的高传输速率需求导致无线传输的能耗急剧增长。基于环境和经济因素的考虑，提高无线传输的能效日益成为无线多媒体通信系统设计和运行中的一个重要课题，同时信道波动的特性使得实时流媒体无线传输的QoS保证更具挑战性。在无线通信的各个层级进行系统资源的动态配置是实现具有QoS保证的高能效传输的有效途径。现有技术方案涉及链路层的基于动态功率控制和自适应调制编码的传输速率控制，以及传输层的可伸缩视频编码。

Q.Jiang,V.C.M.Leung,M.T.Pourazad,et al.,Energy-efficient adaptivetransmission of scalable video streaming in cognitive radio communications,IEEE Systems Journal,2016考虑基于认知无线信道进行流媒体高能效的传输，提出一种结合可伸缩视频编码和传输速率控制的跨层协同的优化方案。构建事件驱动的Markov控制过程模型并采用策略迭代算法求解最优策略。依赖精确信道状态信息，需要链路层动态功率控制的辅助，并涉及复杂的跨层协同机制。

S.-P.Chuah,Z.Chen,Y.-P.Tan,Energy-efficient resource allocation andscheduling for multicast of scalable video over wireless networks,IEEETransactions on Multimedia,2012以及J.Lee,B.C.Yeo,J.S.Kim,et al.,Energyefficient scalable video coding based cooperative multicast scheme withselective layer forwarding,IEEE Communications Letter,2013提出结合可伸缩视频编码和自适应调制编码的无线流媒体组播方案以适应同组混杂用户的不同信道条件和视频质量要求。不同的视频编码层采用不同的调制编码进行传输，从而为低增益信道状态的用户提供基本的视频质量，而为高增益信道状态的用户提供更高的视频质量。给定频谱资源、能耗预算和各传输周期中用户的信道状况，将各视频编码层的传输调制编码选择建模为一个(混合)整数规划问题并通过动态规划求解最优策略。依赖精确信道状态信息，未解决各用户信道波动情况下的QoS保证问题。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种高能效的可伸缩视频编码实时流媒体的无线传输方法，以期能基于带随机误差的信道状态估计，以流量的自适应调节实现传输能效的优化，从而在保证实时流媒体视频质量QoS的同时有效提高传输能效。

本发明为达到上述发明目，本发明采用如下技术方案：

本发明一种高能效的可伸缩视频编码实时流媒体的无线传输方法的特点是：

所述实时流媒体是由N个编码层组成的视频流，所述N个编码层包括：1个基本层和N-1个增强层；记由前n个编码层组成的视频流的数据率为u_n，数据率集合为U＝{u_n,n＝1,...,N}；H为离散化的信道增益集合；B表示信道估计状态集合，且B＝H；控制行动表示选择前n个编码层数据进行传输，且控制行动集合定义策略为其中表示当信道估计状态为b时采取控制行动的概率；记确定型策略集合为以L(b)＝d_u等价表示

所述无线传输方法是由发送端和接收端通过增益波动的无线信道按如下步骤进行：

步骤1、初始化：

定义优化再生周期的序号为m；各优化再生周期中的传输周期的序号为n；在第m个优化再生周期中的第n次传输标记为

令m＝1；

从状态估计集合B中任选一个估计状态作为b^*；

任选一个策略L^m∈Π作为初始策略；

令拉格朗日因子α^m＝a₁，a₁为大于零的实数；

步骤2、令n＝1；

步骤3、在第m个优化再生周期的第n个传输周期的开始时刻，对信道状态进行估计，得到信道估计状态并记录；

步骤4、在固定长度的传输周期T_tr中，根据信道估计状态由第m个优化再生周期的策略L^m选择编码层进行传输；

步骤5、在第m个优化再生周期的第n次传输完成时刻，所述接收端将接收信息反馈给所述发送端，使得所述发送端得到在第m个优化再生周期的第n次传输中的信道增益状态并记录；

步骤6、判断是否成立，若成立，则令T_m＝n，并执行步骤7，否则，将n+1赋值给n，并返回步骤3执行；

步骤7、利用式(1)得到前m个优化再生周期中信道估计状态为b∈B时信道增益为h∈H的概率分布估计

式(1)中， 表示第m个优化再生周期中观测状态为b∈B时信道增益为h∈H的概率分布估计，并有：

式(2)中，I(·)表示示性函数，当(·)成立时，I(·)＝1，否则I(·)＝0；

步骤8、利用式(3)和式(4)分别获得第m个优化再生周期中的能耗值和量化的视频质量值

式(3)和式(4)中，r_h表示信道增益为h、信道带宽为W、发射功率为P_tr时的传输速率，且r_h＝W×log₂(1+ξ×P_tr×h)；ξ表示与发射调制编码相关的常数；g表示定义在视频编码数据率集合U上的视频质量函数；|r_h|_U表示在传输速率r_h下，能完整传输的最高编码层数据率，即|r_h|_U＝max{u_n∈U|u_n≤r_h}；

步骤9、利用式(5)计算第m个优化再生周期中的拉格朗日函数

步骤10、利用式(6)和式(7)分别计算第m个优化再生周期的策略L^m下的平均性能测度和平均能耗测度

式(6)和式(7)中，表示在第m个优化再生周期的策略L^m下信道估计状态为时采取的控制行动；

步骤11、对所有的b∈B，当式(8)成立时，令且对于所有的令

步骤12、若存在b∈B，使得f^m(b,L(b))＜f^m(b,L^m(b))成立，则令L^m+1＝L，否则令L^m+1＝L^m；

步骤13、利用式(9)更新第m+1个优化再生周期中的拉格朗日因子α^m+1：

式(9)中，V表示QoS要求的平均视频质量值，γ^m表示第m个优化再生周期中的步长，且γ^m＞0,表示到区间(0,a₂]上的投影；a₂表示远大于零的常数；

步骤14、将赋值m+1给m，并返回步骤2顺序执行。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提出基于带随机误差的信道状态估计，进行流媒体可伸缩编码层的选择传输控制，以流量的自适应调节实现了传输能效的优化，在保证了实时流媒体视频质量QoS的同时有效提高了传输能效。无需链路层的动态功率控制的辅助，不依赖精确信道状态信息，对异构混杂无线网络环境中的实时流媒体传输具有普适性。

2、本发明通过构建部分可观Markov决策过程模型，对基于带有随机误差的信道状态估计进行视频编码层选择传输控制的系统动态进行精确的描述，提供了有效的性能分析和策略优化的理论框架，确保了优化控制的最优效果。

3、本发明采用在线策略迭代算法进行编码层传输控制策略的自适应优化。通过充分利用系统的动态特性，使得策略优化不依赖信道状态变化的随机参数信息，不涉及高计算量的性能势或类似值的估计与计算，具有计算实时、环境自适应和收敛速度快的特点。策略优化所需的所有信息都可通过在线观测获取。适用于参数未知且时变环境中的在线实时优化控制。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

本实施例中，一种高能效的可伸缩视频编码实时流媒体的无线传输方法中的实时流媒体是由N个编码层组成的视频流，N个编码层包括：1个基本层和N-1个增强层；记由前n个编码层组成的视频流的数据率为u_n，数据率集合为U＝{u_n,n＝1,...,N}；H为离散化的信道增益集合；B表示信道估计状态集合，且B＝H；控制行动表示选择前n个编码层数据进行传输，且控制行动集合定义策略为其中表示当信道估计状态为b时采取控制行动的概率；记确定型策略集合为以L(b)＝d_u等价表示

具体的说，如图1所示，无线传输方法包括步骤3至步骤5的传输控制和步骤7至步骤14的策略优化，并由发送端和接收端通过增益波动的无线信道按如下步骤进行：

步骤1、初始化：

定义优化再生周期的序号为m；各优化再生周期中的传输周期的序号为n；在第m个优化再生周期中的第n次传输标记为

令m＝1；

从状态估计集合B中任选一个估计状态作为b^*；

任选一个策略L^m∈∏作为初始策略；

令拉格朗日因子α^m＝a₁，a₁为大于零的实数；

步骤2、令n＝1；

步骤3、在第m个优化再生周期的第n个传输周期的开始时刻，对信道状态进行估计，得到信道估计状态并记录；

采用现有的成熟的信道估计技术得到带有随机误差的信道状态估计。

步骤4、在固定长度的传输周期T_tr中，根据信道估计状态由第m个优化再生周期的策略L^m选择编码层进行传输；

步骤5、在第m个优化再生周期的第n次传输完成时刻，接收端将接收信息反馈给发送端，使得发送端得到在第m个优化再生周期的第n次传输中的信道增益状态并记录；

通过增益波动的信道进行实时流媒体的无线传输。在各传输周期中顺序进行步骤1的信道状态估计、步骤2的编码层选择传输和步骤3的接收端信息反馈。各传输周期中接收端接收的流媒体数据经过解码提供下一个传输周期时间内的视频播放。

步骤6、判断是否成立，若成立，则令T_m＝n，并执行步骤7，否则，将n+1赋值给n，并返回步骤3执行；

在策略控制下进行可伸缩视频编码流媒体传输的系统动态演化过程可用部分可观Markov决策过程{h_t,b_t,t≥0}描述，其中状态h_t∈H和观测状态b_t∈B分别为t时刻的信道增益状态和信道估计状态，t＝0,1,…为对应于传输周期T_tr的离散化时间。观测系统的实际运行得到此部分可观Markov决策过程的一条样本轨道。运行过程中连续两次出现可再生观测状态b^*∈B之间的系统动态{h_t,b_t,t_m≤t＜t_m+1}为一个优化再生周期，其中t_m表示第m次出现可再生观测状态b^*∈B的时间。各优化再生周期的系统动态在概率意义上等价。通过步骤3到步骤6对一个再生周期m的系统动态的观测，接着运用步骤7到步骤14的策略迭代算法在下一个再生周期的开始时刻t_m+1计算生成优化的控制策略，据此控制下一个再生周期中的流媒体传输，并递归生成最优控制策略。

步骤7、利用式(1)得到前m个优化再生周期中信道估计状态为b∈B时信道增益为h∈H的概率分布估计

式(1)中， 表示第m个优化再生周期中观测状态为b∈B时信道增益为h∈H的概率分布估计，并有：

式(2)中，I(·)表示示性函数，当(·)成立时，I(·)＝1，否则I(·)＝0；

应用贝叶斯公式计算在第m个优化再生周期中信道状态估计的概率分布，并递归计算得到前m个优化再生周期中信道状态估计的概率分布。

步骤8、利用式(3)和式(4)分别获得第m个优化再生周期中的能耗值和量化的视频质量值

式(3)和式(4)中，r_h表示信道增益为h、信道带宽为W、发射功率为P_tr时的传输速率，且r_h＝W×log₂(1+ξ×P_tr×h)；ξ表示与发射调制编码相关的常数；g表示定义在视频编码数据率集合U上的视频质量函数。|r_h|_U表示在传输速率r_h下，能完整传输的最高编码层数据率，即|r_h|_U＝max{u_n∈U|u_n≤r_h}；

步骤9、利用式(5)计算第m个优化再生周期中的拉格朗日函数

利用拉格朗日乘子法将QoS约束下的最小能耗的带约束的优化问题转换为一个无约束的优化问题。

步骤10、利用式(6)和式(7)分别计算第m个优化再生周期的策略L^m下的平均性能测度和平均能耗测度

式(6)和式(7)中，表示在第m个优化再生周期的策略L^m下信道估计状态为时采取的控制行动；

步骤11、对所有的b∈B，当式(8)成立时，令且对于所有的令

根据基于性能势理论的性能灵敏度分析，可得比较两个策略优劣的性能差公式η^L'-η^L＝π^L(f^L'-f^L)，其中π^L是信道估计状态的稳态概率分布；且有如下定理：

定理1.若f^L′≤f^L，则η^L'≤η^L；并且，当且仅当对于所有的L∈Π有成立，策略L^*是最优策略。

根据定理1可以由式(8)计算得到一个优化的策略并能甄别一个策略是否最优。

步骤12、若存在b∈B，使得f^m(b,L(b))＜f^m(b,L^m(b))成立，则令L^m+1＝L，否则令L^m+1＝L^m；

比较得到的优化策略L和当前策略L^m，若得到的优化策略L更优，则将此优化策略L作为下一个优化再生周期中的控制策略L^m+1；否则，将当前策略L^m作为下一个优化再生周期中的控制策略L^m+1。以避免最优策略不唯一时算法在多个最优策略之间反复切换。

步骤13、利用式(9)更新第m+1个优化再生周期中的拉格朗日因子α^m+1：

式(9)中，V表示QoS要求的平均视频质量值，γ^m表示第m个优化再生周期中的步长，且表示到区间(0,a₂]上的投影；a₂表示远大于零的常数；

步骤14、将赋值m+1给m，并返回步骤2顺序执行。

Claims (1)

1.一种高能效的可伸缩视频编码实时流媒体的无线传输方法，其特征是：

所述实时流媒体是由N个编码层组成的视频流，所述N个编码层包括：1个基本层和N-1个增强层；记由前n个编码层组成的视频流的数据率为u_n，数据率集合为U＝{u_n,n＝1,...,N}；H为离散化的信道增益集合；B表示信道估计状态集合，且B＝H；控制行动表示选择前n个编码层数据进行传输，且控制行动集合定义策略为其中表示当信道估计状态为b时采取控制行动的概率；记确定型策略集合为以L(b)＝d_u等价表示

所述无线传输方法是由发送端和接收端通过增益波动的无线信道按如下步骤进行：

步骤1、初始化：

定义优化再生周期的序号为m；各优化再生周期中的传输周期的序号为n′；在第m个优化再生周期中的第n′次传输标记为

令m＝1；

从信道估计状态集合B中任选一个估计状态作为b^*；

任选一个策略L^m∈Π作为初始策略；

令拉格朗日因子α^m＝a₁，a₁为大于零的实数；

步骤2、令n′＝1；

步骤3、在第m个优化再生周期的第n′个传输周期的开始时刻，对信道状态进行估计，得到信道估计状态并记录；

步骤4、在固定长度的传输周期T_tr中，根据信道估计状态由第m个优化再生周期的策略L^m选择编码层进行传输；

步骤5、在第m个优化再生周期的第n′次传输完成时刻，所述接收端将接收信息反馈给所述发送端，使得所述发送端得到在第m个优化再生周期的第n′次传输中的信道增益状态并记录；

步骤6、判断是否成立，若成立，则令T_m＝n′，并执行步骤7，否则，将n′+1赋值给n′，并返回步骤3执行；

步骤7、利用式(1)得到前m个优化再生周期中信道估计状态为b∈B时信道增益为h∈H的概率分布估计

式(1)中， 表示第m个优化再生周期中观测状态为b∈B时信道增益为h∈H的概率分布估计，并有：

式(2)中，I(·)表示示性函数，当(·)成立时，I(·)＝1，否则I(·)＝0；

步骤8、利用式(3)和式(4)分别获得第m个优化再生周期中的能耗值和量化的视频质量值

式(3)和式(4)中，r_h表示信道增益为h、信道带宽为W、发射功率为P_tr时的传输速率，且r_h＝W×log₂(1+ξ×P_tr×h)；ξ表示与发射调制编码相关的常数；g表示定义在视频编码数据率集合U上的视频质量函数；|r_h|_U表示在传输速率r_h下，能完整传输的最高编码层数据率，即|r_h|_U＝max{u_n∈U|u_n≤r_h}；

步骤9、利用式(5)计算第m个优化再生周期中的拉格朗日函数

步骤10、利用式(6)和式(7)分别计算第m个优化再生周期的策略Lm下的平均性能测度和平均能耗测度

式(6)和式(7)中，表示在第m个优化再生周期的策略L^m下信道估计状态为时采取的控制行动；

步骤11、对所有的b∈B，当式(8)成立时，令且对于所有的令

步骤12、若存在b∈B，使得f^m(b,L(b))＜f^m(b,L^m(b))成立，则令L^m+1＝L，否则令L^m+1＝L^m；

步骤13、利用式(9)更新第m+1个优化再生周期中的拉格朗日因子α^m+1：

式(9)中，V表示QoS要求的平均视频质量值，γ^m表示第m个优化再生周期中的步长，且γ^m＞0,表示到区间(0,a₂]上的投影；a₂表示远大于零的常数；

步骤14、将赋值m+1给m，并返回步骤2顺序执行。