CN107197289B - 一种用于天线异构场景下的混合数模视频传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于天线异构场景下的混合数模视频传输方法，包括视频编码发送过程和视频接收重建过程。在发送端，数字部分的传输通过空时编码来获得由基站提供的分集增益，并且具有天线异构性的所有终端用户都可以成功地解码数字部分；模拟部分将数字编码器的残差经过3D‑DCT变换后采用空间复用方式进行发送。在接收端，信号的数字部分通过解码器得到数字重建视频；对信号的模拟部分，若接收端有两根天线，则通过空间复用解码和线性最小均方估计联合解码算法得到模拟重建视频，若接收端有一根天线，将多出的天线的系数当做噪声处理来重建视频。与现有技术相比，本发明在多天线视频传输中具有无缝自适应的优点。

Description

一种用于天线异构场景下的混合数模视频传输方法

技术领域

本发明涉及一种视频传输技术，尤其是涉及一种用于天线异构场景下的混合数模视频传输方法。

背景技术

在无线广播场景下，基站(Base Station，BS)通常配备有多个天线，而不同的终端用户可能配备了不同数量的天线。目前多天线技术只能允许接收端根据最少的接收天线数量来设计，这使得具备更多天线数量的接收设备无法获得任何性能增益。虽然模拟视频传输可以解决信噪比的异构性，但受到空时码的限制无法解决天线数量的异构性。

广播系统的性能通常受到最坏情况的约束，以保证所有用户的成功解码。广播系统是多点通信的典型点，需要保证广播覆盖区域内所有用户的信号接收成功。因此，基站通常根据用户在小区边缘的信号质量利用保守的源编码速率和调制编码方案(MCS)。显然这种广播系统远不是最佳的。无线广播的新场景是天线异构性，直观地说，基站总是配备多个天线，而不同的终端用户配备了异质天线。因此，能够利用SNR异构性的系统往往是最优的。

无线视频组播是无线局域网中的关键应用之一，但传统无线视频组播中存在“悬崖效应”问题，其仍是阻碍无线视频组播发展的关键问题。为了克服“悬崖效应”，学术界提出了许多解决方案，比较典型的是分级视频编码方案及各种混合数字调制方案。但是，这些方案仍然是数字视频编码传输方案，它们仅能减弱“悬崖效应”问题而并不能彻底解决它。近年来，提出了一种不进行量化、熵编码操作的纯模拟传输的视频组播方案伪模拟传输SoftCast，正好解决了这一问题。伪模拟传输系统采用了变换(例如DCT，Wavelet等)，变换系数将被直接用于调制信号的幅度，因此信道噪声转变成了对于变换系数的干扰。由于去除了熵编码，与传统的数字视频传输系统相比，伪模拟传输的效率稍差一些，与其他经典的数字视频编码方案相比，SoftCast在信道条件较差时的性能并不理想。进一步提出了混合数字模拟(HDA)来实现压缩效率和平滑的视频质量自适应。网络信息理论表明，需要通过联合源信道编码来实现广播能力。由于MIMO信道可被分解为多个具有不同信道增益的独立子信道，因而MIMO中的视频传输则可看做是对多天线接收端的视频组播。而且由于各子信道增益不同，不同子信道需采用不同码率对信号进行信道编码，这同样可以认为是“悬崖效应”问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于天线异构场景下的混合数模视频传输方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于天线异构场景下的混合数模视频传输方法，包括以下步骤：

S1、数字基本层编码，原始视频信号划分为多个GOP，通过数字信源编码器得到数字比特流，所述数字比特流通过数字信道编码器得到数字信道编码信号，所述数字信道编码信号通过空时分组编码得到数字编码信号；

S2、模拟增强层编码，对原始视频信号和步骤S1得到的数字比特流的重建信号求差得到残差信号，对所述残差信号依次进行3D-DCT变换、功率缩放和空间复用编码得到模拟编码信号；

S3、对步骤S1和步骤S2分别得到的数字编码信号和模拟编码信号根据设定的限制总功率进行功率分配，得到混合数模信号后发送；

S4、对步骤S3得到的混合数模信号接收和重建，对接收信号的数字部分通过解码器得到数字重建视频，对接收信号的模拟部分，若接收端有两根天线，则通过空间复用解码和线性最小均方估计联合解码算法得到模拟重建视频，若接收端有一根天线，将多出的天线的系数当做噪声处理来重建视频。

所述步骤S1的空时分组编码过程，具体包括：

将每个GOP通过数字信道编码器编码后得到的数字信道编码信号表示为向量X_d＝{D₁,D₂,D₃,…,D_n}，其中，D表示数字基本层经过编码调制后的复数符号，n表示复数符号的个数，通过空时分组编码得到复数形式的数字编码信号，表示为：

将每个GOP经过空时分组编码后的复数符号映射到发射端的2根天线发送。

所述步骤S2中的功率缩放过程的计算公式为：

其中，a_i表示对第i个DCT系数做功率缩放之后的系数，j表示对一个GOP内的视频分块的索引值，s_i表示一个GOP内的第i个DCT系数，g_j表示第j个DCT分块的功率缩放系数，M表示DCT分块的尺寸，g_j的计算公式为：

其中，λ_j表示一个GOP内第j个DCT分块的方差，P_a表示一个GOP的信号模拟部分的功率，J表示一个GOP内分块的数目。

所述步骤S2中空间复用编码具体包括：

把完成功率缩放后的DCT系数表示为{a_i,i＝1,2,...,4n}，每两个系数依次映射到同向分量和正交分量从而形成一个复数信号A_l，具体表示为：

将向量{A_l,l＝1...2n}转化为行数为2的矩阵，得到模拟编码信号，计算公式为：

所述步骤S3具体包括：

所述混合数模信号用X表示，计算公式为：

X＝α*X_d+β*X_a

其中，α和β分别表示原始视频信号的数字部分和模拟部分的功率因子，计算公式分别为：

其中，P_d表示视频信号数字部分的功率，P_a和P_d的和不大于设定的模拟部分和数字部分的限制总功率。

所述步骤S4中空间复用解码和线性最小均方估计联合解码算法具体包括：

通过空间复用解码将一个GOP的n个时隙的模拟接收信号做实数化处理得到实数矩阵Y_r，Y_r的计算公式为：

其中，表示将单个时隙内的实数化处理后的信道矩阵H_r扩展到n个时隙后的信道矩阵，G表示功率缩放系数的对角矩阵，表示将单个时隙内的模拟重建视频信号S扩展到n个时隙后的模拟重建视频信号，表示单个时隙内接收端信道噪声的实数矩阵N₀′_r扩展到n个时隙后的信道噪声功率矩阵，公式分别如下：

其中，k表示第k个时隙，Y_r经过线性最小均方估计解码后得到模拟重建视频信号计算公式如下：

其中，Λ表示发送端信号的协方差矩阵，C表示信道参数与功率缩放系数的乘积，其计算公式为：

所述步骤S4中接收端只有一根天线时，只求出接收天线中的信号矩阵系数，而将多出的天线信号当做噪声处理，得到模拟接收信号做实数化处理得到实数矩阵Y_r′，计算公式为：

其中，Y_a表示接收端重建的模拟复数信号，R表示复数向量的实部，I表示复数向量的虚部，h表示信道向量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、利用数字编码获得最佳的编码效率，模拟编码可获得平缓的视频质量变化，通过混合数模编码方法，可以有效地结合二者的优点，充分利用数字编码调制中的功率余量传输增强层相关的信息，在提高功率利用率的同时增强视频传输的重建质量，从而实现质量可伸缩性和编码效率的有效权衡。

2、基于混合数模方式的无线视频传输方案，数字部分的传输通过空时编码来获得由基站提供的分集增益，并且具有天线异构性的所有终端用户都可以成功地解码数字部分，模拟部分采用空间复用方式进行发送，可以提供与用户的天线数量相匹配的信号质量。

3、发送端采用基于叠加调制编码的数模混合视频传输技术，接收端提出了同时执行空间复用和线性最小均方估计联合译码算法的方法，与一些传统框架相比，所提出的方法在峰值信噪比方面实现了显着的裕度。

附图说明

图1为本发明用于天线异构场景下的混合数模视频传输方法流程图；

图2为本发明用于天线异构场景下的混合数模视频传输示意图；

图3为2根天线接收端的不同传输方案下的视频传输性能示意图；

图4为1根天线接收端的不同传输方案下的视频传输性能示意图；

图5为1根天线接收端的多个视频在不同传输方案下的平均性能比较柱状图；

图6为2根天线接收端的多个视频在不同传输方案下的平均性能比较柱状图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本申请提出的视频传输方法用于2×{1,2}异构MIMO系统，原始视频信号在数字压缩编码器之后获得比特流作为基本层数据，基本层数据以数字形式传输。增强层是通过原始视频和基本层压缩视频的残差获得的。其中，基本层数模编码过程为：原始视频信号根据最差信道条件选择调制编码方案，同时考虑多个发射天线产生的发射分集增益，通过数字信源编码器得到数字比特流，数字比特流经数字信道编码器得到数字信道编码信号，然后应用空时分组编码来利用发射天线分集。增强层模拟编码过程为：数字编码器的残差可以表示为原始视频源和重建视频之间的差，其将在伪模拟信号中传送。通过3D-DCT将模拟源变换到频域中，以去除空间和时间冗余，然后将DCT系数复用为两个流，并使用2根天线来发送。所提出的方法在下文具体描述。

一种用于天线异构场景下的混合数模视频传输方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、数字基本层编码，原始视频信号划分为多个画面组GOP，通过数字信源编码器得到数字比特流，数字比特流通过数字信道编码器得到数字信道编码信号，数字信道编码信号通过空时分组编码得到数字编码信号；

S2、模拟增强层编码，对原始视频信号和步骤S1得到的数字比特流的重建信号求差得到残差信号，对残差信号依次进行3D-DCT变换、功率缩放和空间复用编码得到模拟编码信号；

S3、对步骤S1和步骤S2分别得到的数字编码信号和模拟编码信号根据设定的限制总功率进行功率分配，得到混合数模信号后发送；

S4、对步骤S3得到的混合数模信号接收和重建，对接收信号的数字部分通过解码器得到数字重建视频，对接收信号的模拟部分，若接收端有两根天线，则通过空间复用解码和线性最小均方估计联合解码算法得到模拟重建视频，若接收端有一根天线，将多出天线的系数当做噪声处理来重建视频。

步骤S1的空时分组编码过程，具体包括：

将每个GOP通过数字信道编码器编码后得到的数字信道编码信号表示为向量X_d＝{D₁,D₂,D₃,…,D_n}，其中，D表示数字基本层经过编码调制后的复数符号，n表示复数符号的个数，通过空时分组编码得到复数形式的数字编码信号，具体表示为：

将每个GOP经过空时分组编码后的复数符号映射到发射端的2根天线发送。

步骤S2中的功率缩放过程的计算公式表示为：

其中，a_i表示对第i个DCT系数做功率缩放之后的系数，j表示对一个GOP内的视频分块的索引值，s_i表示一个GOP内的第i个DCT系数，g_j表示第j个DCT分块的功率缩放系数，M表示DCT分块的尺寸，g_j的计算公式为：

其中，λ_j表示一个GOP内第j个DCT分块的方差，P_a表示一个GOP的信号模拟部分的功率，J表示一个GOP内分块的数目。

步骤S2中空间复用编码具体包括：

把完成功率缩放后的DCT系数表示为{a_i,i＝1,2,...,4n}，每两个系数依次映射到同向分量和正交分量从而形成一个复数信号，可以表示成向量{A_l,l＝1,2,...,2n}，A_l具体表示为：

将向量{A_l,l＝1,2,...,2n}转化为行数为2的矩阵，矩阵每一列对应一个时隙，得到模拟编码信号，表示为：

步骤S3功率分配具体包括：

混合数模信号用X表示，计算公式为：

X＝α*X_d+β*X_a

其中，α和β分别表示原始视频信号的数字部分和模拟部分的功率因子。

用P_a和P_d分别表示视频信号模拟部分和数字部分的功率，P_a和P_d的和不大于设定的模拟部分和数字部分的限制总功率。假设数字和模拟部分的总功率受限于P_t，显然，信干噪比(SINR)可用于描述模拟部分对数字部分的影响：

s.t.P_t＝P_a+P_d

其中，N₀是信道噪声。

定义SNR_t是数字译码误码率小于10^-6时的信噪比阈值。根据信干噪比的定义式，混合数模部分的功率分配应该满足下式：

数字和模拟部分之间的最优功率分配应该满足上式，因此，功率因子α和β的计算公式为：

步骤S4中对于有两根天线的接收端，采用空间复用解码和线性最小均方估计联合解码算法，不失一般性，在第k个时隙，重建的带噪模拟信号Y_a的计算公式为：

Y_a[k]＝H[k]·X_a[k]+N′[k]

其中，N′表示信道噪声矩阵，H表示信道矩阵，H和X_a的计算公式分别为：

X_a[k]＝[A_2k-1 A_2k]^T

其中，h表示信道向量。

考虑到联合译码设计，将复数形式的2×2矩阵重新表示为实数矩阵：

Y_r[k]＝H_r[k]·X_r[k]+N_r′[k]

＝H_r[k]·G[k]·S[k]+N_r′[k]

其中，N_r表示信道噪声的实数矩阵，实数信道矩阵H_r表示为：

R表示复数向量的实部，I表示复数向量的虚部，缩放系数实数矩阵X_r表示为：

X_r[k]＝[R(X_a[k])^T I(X_a[k])^T]^T

＝[a_4k-3 a_4k-1 a_4k-2 a_4k]^T

从一个时隙扩展到n个时隙，通过空间复用解码将一个GOP的n个时隙的模拟接收信号做实数化处理得到实数矩阵Y_r，Y_r的计算公式为：

其中，表示将单个时隙内的实数化处理后的信道矩阵H_r扩展到n个时隙后的信道矩阵，G表示功率缩放系数的对角矩阵，表示将单个时隙内的模拟重建视频信号S扩展到n个时隙后的模拟重建视频信号，表示单个时隙内接收端信道噪声的实数矩阵N₀′_r扩展到n个时隙后的信道噪声功率矩阵，公式表达如下：

Y_r经过线性最小均方估计解码后得到模拟重建视频信号计算公式如下：

其中，Λ表示发送端信号的协方差矩阵，C表示信道参数与功率缩放系数的乘积，其计算公式为：

步骤S4中接收端只有一根天线时，接收端试图通过一个方程解两个未知变量，这是欠定方程问题，信道矩阵可以写成：

H[k]＝[h₁₁(k) h₁₂(k)]

其实数矩阵可以表示为：

然后解这个欠定的方程，只求出接收天线中的信号矩阵系数，而将多出的天线信号当做噪声处理。考虑到DCT系数有一定的稀疏性，接收端通过一根天线可以解出部分DCT系数，得到模拟接收信号做实数化处理得到实数矩阵Y_r′，为：

其中，Y_a表示接收端接收的模拟复数信号，k表示第k个时隙。

实施例一

图2所示为使用本视频传输方法的混合数模视频传输示意图。原始视频信号序列划分为多个画面组GOP后，以GOP为单位分为基本层编码和增强层编码两部分。

如图2所示，基本层编码过程为：原始视频信号通过数字信源编码器H.264编码器得到数字比特流，数字比特流经数字信道编码器向前纠错(FEC)与调制得到数字信道编码信号，再经过空时分组编码(Alamouti编码)后利用发射天线分集。

增强层编码过程为：数字编码中的数字比特流经H.264解码器解码后得到重建视频，原始视频源和该重建视频之间的残差用于模拟增强层编码，得到的残差信号通过三维离散余弦变换(3D-DCT)将模拟信号源变换到频域中，得到DCT系数矩阵，然后将DCT系数矩阵通过空间复用编码(MIMO编码)复用为两个信号流，并使用2根天线来发送，数字编码信号和模拟编码信号再根据设定的功率约束进行功率分配，叠加得到混合数模信号后发送。

视频接收重建过程分为接收端有一根天线和接收端有两根天线两种情况。当接收端有两根天线时，信号以最大比合并接收，基本层数字信号通过空时分组解码(Alamouti解码)后再经过解调&FEC解码，得到的信号再通过H.264解码得到重建的原始数字视频；对于增强层模拟信号，首先通过将接收的两路视频信号分别减去经过解调&FEC解码后的两路数字重建视频信号得到两路接收的模拟信号部分，再对这两路模拟信号采用满轶空间复用解码和线性最小均方估计联合解码(MIMO解码+LLSE解码)方法解码，再经过三维离散余弦逆变换(3D-IDCT)得到重建的原始模拟视频，将重建的原始数字视频和原始模拟视频叠加得到重建的原始视频。

当接收端有一根天线时，只将发送端其中一根天线的信号作为处理信号，另一根天线的信号当做噪声处理。基本层数字信号通过空时分组编码(Alamouti解码)后再进行解调&FEC解码，得到的信号通过H.264解码得到重建的原始数字视频；对于增强层模拟信号，通过将接收的视频信号减去经过解调&FEC解码后的数字重建视频信号得到接收的模拟信号部分，对模拟信号采用不满轶的空间复用解码和线性最小均方估计联合解码方法，再经过三维离散余弦逆变换得到重建的原始模拟视频，将重建的原始数字视频和原始模拟视频叠加得到重建的原始视频。

实施例二

为了说明本申请提出的传输方法的正确性和有效性，通过仿真实验加以验证，以峰值信噪比(PSNR)来评价系统性能。同时，为了验证仿真结果的正确性和优越性，将本申请提出的混合数字和模拟联合解码方法(HDA)与其他两种方法进行比较，其他两种方法分别是：伪模拟视频传输方案(Softcast)和多天线异构下的模拟传输方案(AirScale)。

在仿真实验中，从标准视频测试序列中随机选出一个视频来处理，图3所示为该视频当接收端为2根天线时在三种不同传输方案下的性能曲线，图4所示为该视频当接收端为1根天线时在三种不同传输方案下的性能曲线。

从图3中可知，不论在低信噪比和高信噪比下，在接收端为2根天线时混合数字和模拟联合解码的方法的性能都要优于其他两种方法。

从图4中可知，不论在低信噪比和高信噪比下，在接收端为1根天线时混合数字和模拟联合解码的方法的性能变化不大，但始终都要优于其他两种方法，其中在低信噪比时性能优势更明显。

综合图3和图4可知，对于仿真实验处理的视频，混合数字和模拟联合解码方法的性能，不论接收端是1根天线还是2根天线，不论在低信噪比和高信噪比下都要高于其他两种传输方案。

在另一个仿真实验中使用7组测试视频对不同视频传输方法的平均性能作比较，图5所示为接收端为1根天线时多个视频采用四种不同传输方案的平均性能比较示意图，四种传输方法分别是：混合数字和模拟联合解码(HDA Joint Decode)方法，伪模拟传输方法(Softcast)，多天线异构下的模拟传输方法(AirScale)，以及混合数字和模拟信号分开解码的方法(HDA Separate Decode)。图6所示为接收端为1根天线时多个视频采用四种不同传输方案的平均性能比较示意图。

从图5和图6中可知，不论接收端为1根天线还是2根天线，混合数字和模拟联合解码方法的性能都比其他三种传输方案的性能高。

通过仿真试验比较，可知本申请的传输方法相较于其他方法的有效性和优越性，无论在高信噪比还是低信噪比条件下，本方法接收端的重建视频质量都高于其他两种传输方法。同时，采用基于混合数模的传输方法，克服了传统无线视频传输中的“悬崖效应”，实现了视频在无线信道中传输时随着信道质量变化能够达到连续的图像质量衰减，同时接收端的视频质量也能实现与接收端天线数目相匹配。

Claims (7)

1.一种用于天线异构场景下的混合数模视频传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、数字基本层编码，原始视频信号划分为多个GOP，通过数字信源编码器得到数字比特流，所述数字比特流通过数字信道编码器得到数字信道编码信号，所述数字信道编码信号通过空时分组编码得到数字编码信号，数字编码中的数字比特流经H.264解码器解码后得到重建视频；

S2、模拟增强层编码，对原始视频信号和步骤S1得到的数字比特流的重建信号求差得到残差信号，对所述残差信号依次进行3D-DCT变换、功率缩放和空间复用编码得到模拟编码信号；

S3、对步骤S1和步骤S2分别得到的数字编码信号和模拟编码信号根据设定的限制总功率进行功率分配，得到混合数模信号后发送；

S4、对步骤S3得到的混合数模信号接收和重建，对接收信号的数字部分通过解码器得到数字重建视频，对接收信号的模拟部分，若接收端有两根天线，则通过空间复用解码和线性最小均方估计联合解码算法得到模拟重建视频，若接收端有一根天线，将多出的天线的系数当做噪声处理来重建视频。

2.根据权利要求1所述的一种用于天线异构场景下的混合数模视频传输方法，其特征在于，所述步骤S1的空时分组编码过程，具体包括：

将每个GOP通过数字信道编码器编码后得到的数字信道编码信号表示为向量X_d＝{D₁,D₂,D₃,…,D_n}，其中，D表示数字基本层经过编码调制后的复数符号，n表示复数符号的个数，通过空时分组编码得到复数形式的数字编码信号，表示为：

将每个GOP经过空时分组编码后的复数符号映射到发射端的2根天线发送。

3.根据权利要求2所述的一种用于天线异构场景下的混合数模视频传输方法，其特征在于，所述步骤S2中的功率缩放过程的计算公式为：

其中，a_i表示对第i个DCT系数做功率缩放之后的系数，j表示对一个GOP内的视频分块的索引值，s_i表示一个GOP内的第i个DCT系数，g_j表示第j个DCT分块的功率缩放系数，M表示DCT分块的尺寸，g_j的计算公式为：

其中，λ_j表示一个GOP内第j个DCT分块的方差，P_a表示一个GOP的信号模拟部分的功率，J表示一个GOP内分块的数目。

4.根据权利要求3所述的一种用于天线异构场景下的混合数模视频传输方法，其特征在于，所述步骤S2中空间复用编码具体包括：

把完成功率缩放后的DCT系数表示为{a_i,i＝1,2,...,4n}，每两个系数依次映射到同向分量和正交分量从而形成一个复数信号A_l，具体表示为：

将向量{A_l,l＝1...2n}转化为行数为2的矩阵，得到模拟编码信号，计算公式为：

5.根据权利要求4所述的一种用于天线异构场景下的混合数模视频传输方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

所述混合数模信号用X表示，计算公式为：

X＝α*X_d+β*X_a

其中，α和β分别表示原始视频信号的数字部分和模拟部分的功率因子，计算公式分别为：

其中，P_d表示视频信号数字部分的功率，P_a和P_d的和不大于设定的模拟部分和数字部分的限制总功率。

6.根据权利要求3所述的一种用于天线异构场景下的混合数模视频传输方法，其特征在于，所述步骤S4中空间复用解码和线性最小均方估计联合解码算法具体包括：

通过空间复用解码将一个GOP的n个时隙的模拟接收信号做实数化处理得到实数矩阵Y_r，Y_r的计算公式为：

其中，表示将单个时隙内的实数化处理后的信道矩阵H_r扩展到n个时隙后的信道矩阵，G表示功率缩放系数的对角矩阵，表示将单个时隙内的模拟重建视频信号S扩展到n个时隙后的模拟重建视频信号，表示单个时隙内接收端信道噪声的实数矩阵N₀′_r扩展到n个时隙后的信道噪声功率矩阵，公式分别如下：

其中，k表示第k个时隙，Y_r经过线性最小均方估计解码后得到模拟重建视频信号计算公式如下：

其中，Λ表示发送端信号的协方差矩阵，C表示信道参数与功率缩放系数的乘积，其计算公式为：

7.根据权利要求6所述的一种用于天线异构场景下的混合数模视频传输方法，其特征在于，所述步骤S4中接收端只有一根天线时，只求出接收天线中的信号矩阵系数，而将多出的天线信号当做噪声处理，得到模拟接收信号做实数化处理得到实数矩阵Y_r′，计算公式为：

其中，Y_a表示接收端重建的模拟复数信号，R表示复数向量的实部，I表示复数向量的虚部，h表示信道向量。