CN110337031A - 经无线网络向与该网络连接的多个接收器发送数据的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种经无线网络向与该网络连接的多个接收器发送数据的方法，所述方法包括应用叠加编码的组播或广播，以致产生多分辨率组播或广播信号，从而以可扩展组播或广播的形式向多个接收器传送数据。该方法包括：将数据分成一个或多个质量层；通过应用保护或鲁棒方法，将每个质量层中的数据转换为单独的受保护层数据流；使用调制手段，对每个所述受保护层数据流进行调制，用于每个所述受保护层数据流的调制手段并不一定是是相同的；将所有层的调制数据叠加成单一的或组播传输块中；并将所述单个广播或组播传输块发送到与所述无线网络相连的多个接收器，高效地解决了不均匀的信道状态，有效地恢复接收器之间各种错误的鲁棒数据。

Description

经无线网络向与该网络连接的多个接收器发送数据的方法
【技术领域】
本发明属于无线通信技术领域，特别是涉及一种经无线网络向与该网络连接的多个接收器发送数据的方法。
【背景技术】
无线通信系统被广泛应用，以提供各种通信服务，如语音、数据、视频、其变化或组合等。通过共享可用系统资源，这些系统可以同时为多个用户(或接收器)提供通信，其中，这些多个接收器可以期望一个或多个信息实例。这些系统的一些示例包括：分码多址系统、时分多址系统、频分多址系统、正交频分多址和即时分同步的码分多址系统。
在对相同内容(如数据、视频、音频等)感兴趣的一组接收器之间进行组播或共享发送信号和信息通常是一种有效且可扩展的在无线基础结构，乃至有线基础结构中传递带宽密集数据的方式，因为可以防止重复发送相同的数据副本。然而，在无线介质中，多用户衰落分集是一种内在特性，其中接收器通常在任何时刻都具有与基站(BS)(或发射器)相关的不同信道状态。在接收器之间这种异构的信道状态下，向有效地利用传输介质的所有接收器发送(组播)公共信息的单一最佳传输速率或策略是困难的。图2说明了在IEEE802.16点对点网络中，表示来自源的数据的组播信号从BS发送到所有感兴趣的接收器-用户服务站(SS)的时刻，其中组播信号用高传输速率的方案进行调制(例如16QAM)。由于此时不同SS之间的异构信道状态，在16QAM中调制的组播信号不能由那些在其信道中具有较低信噪比(SNR)且仅支持BPSK(一种对解码要求较低但传输速率较低的调制方案)的用户服务站进行解码。每个接收器的信道状态是时变的，这意味着现在只能支持BPSK的接收器可以在下一时刻支持16QAM，反之亦然。然而，如果BS继续保守使用BPSK进行组播数据，对于那些具有良好信道状态的那些支持16QAM的SS来说，信道未得到充分利用。
可以在发射器处采用叠加调制，在单个无线信号中嵌入以不同接收器为目标的多个信息实例。在信道不好时，接收器可以使用这种特殊信号中的多分辨率解调对信号进行部分解码，获得其自身的信息。然而，一个好的信道接收器可以完全解码相同的信号，并通过首先解码它不感兴趣的信息并将其从整个信号中删除，从而得到自己感兴趣的信息。然而，由于衰落信道的瞬时性和波动性，在信道状态不良的那些时刻，即使就具有通常性能良好的信道的接收器来说，信号中的一定量的数据(尤其是关于较高视频质量的有关信息)会被永久或者错误地丢失。。这对许多需要质量保证的商业应用软件产生了很大的限制。
现有的无线组播技术有几种方法。
第一种方法：这种方法通过调整传输速率、功率分配、防错方案等来适应信道状态，或者在跨层设计中结合这些因素，来适应信道状态，从而达到吞吐量的优化利用并可实现接收器的视频质量。
然而，这些自适应方法通常侧重于一对一的通信。为了发送相同的视频数据，通常需要在每个接收器和BS之间进行重复传送，这不能有效地消耗带宽，从而按照对于大量接收器的大规模视频或数据流式传输扩展系统容量。
第二种方法：这种方法采用组播方式在基站上进行传输。对于所有接收器，在组播信号上选择单个传输速率或方案，以便所有接收器能够根据所选方案同时接收视频数据。
然而，由于多用户信道分集问题，选择的传输速率或方案并不是所有接收器的最优方案。一些接收器的信道将得不到充分利用，或者一些接收器不能解码接收的信号，因为达不到传输方案的SNR要求。
在这种方法下的启动一般未考虑可调整视频编码的性质，也未考虑使用叠加编码来克服组播环境下的多用户信道分集。对于不同的接收器，现有技术通常使用叠加调制来为在传送块内广播不同的数据。现有技术未提供在不均匀信道状态下，向相同的有关群体发送相同视频的叠加调制。
第三种方法：这种方法采用组播方式在基站上进行叠加调制传输，使得在一些接收器的信道状态好到足以解码用高阶调制方案调制的附加数据的时机内，这些接收器偶尔能够接收附加数据。
高通技术公司的WO/2005/032035介绍了在多天线通信系统中进行广播叠加调制/解调的技术。该系统可以是在发射器处具有多个天线的多输出单输入(MISO)系统、在接收器处具有多个天线的单输入多输出(SIMO)系统，也可以是在发射器和接收器具有多个天线的多输入多输出(MIMO)系统。
也有人介绍了利用叠加调制结合分层视频编码来实现IPTV业务视频流在WiMAX上的组播，通过对组播信号进行多分辨率调制，它能够克服多用户信道分集的内在问题。在相同的组播信号下，信道状态良好的接收器可以同时对基层和增强质量层的数据解调，从而获得完整的视频质量，而信道状态差的接收器仍然可以解调并获取基本层质量的数据。
但上述现有方法均没有讨论结合叠加调制策略地使用保护码，以便进一步在无线组播传输情况下提高视频质量的性能和鲁棒性的可能性。在接收器仅在不良信道状态期间获得“基础层”数据和/或利用在良好信道状态下获得的“增强层”数据的情况下，根本没有恢复高质量视频数据丢失的想法。
使用按照此方法公开的方法，从不会获得某些数量的数据，尤其是对于在相关信道状态不良或者不是很好的时隙期间，仍然丢失或者出错的高质量视频层来说更是如此。根据所涉及的视频编码，高质量层中不完整的视频数据集对接收器来说可能根本没有用处。因此，在这些时间段里接收到的数据，只获得部分高质量层的数据，仍然构成了对重叠编码组播的浪费使用。
第四种方法：
这种方法对视频数据应用保护编码，以便能够更稳定地传送数据。如果接收到的数据量满足所选择的保护编码方案的恢复要求，可以恢复由于信道状态差而丢失的数据。
在许多有线和无线通信中，通过重新传送相同的数据来恢复丢失的数据是很常见的，但当出错的频率和接收器的数量很大，特别是对于需求带宽的视频流式传输服务来说，未能按比例提高支持或效率。现有技术解决了无线局域网上用于单播和组播传输的实时视频流式传输问题。在公开的方法中，提出了一种新的混合自动重发请求(ARQ)算法，该算法将前向错误控制(FEC)编码与ARQ协议有效地结合起来。针对多用户情况，将实时视频组播问题描述为对组播用户空间最大估算代价函数的优化。该方法的所提出的数据恢复思想是向多个接收器发送单一奇偶校验分组，以替换他们自己丢失的数据分组，而不对丢失的数据分组进行单个的重传。如本文所述，这种方法只适用于小型组播本地网络。这里根本未讨论信道分集问题。
现有技术中还有人探讨分层多描述编码，它产生一组MDC数据分组来描述一组视频信息，例如一组视频帧(GOF)。每个MDC数据分组包含多个视频质量层的数据。例如，低带宽客户端可以通过获得一组较小的MDC数据分组来接收基本MDC层来获得视频质量的基本层，而高带宽客户端可以通过获得完整或更大的MDC数据分组来获得更高视频质量的基础层和增强质量层。然而，根本没有讨论和举例说明在无线组播中应用这种保护码，和对多用户信道分集问题的解决方案。最重要的是，假定每个MDC包都是为其预期目的完全接收的。然而，MDC数据分组的部分接收通常发生在无线通信中，在本研究中根本没有假设或讨论过这种情况。
保护编码的现有技术使用，特别是带有多个描述的保护编码，旨在用于在发射器到接收器或一组接收器之间具有多个网络路径的有线基础设施中工作，其中，每个数据分组包含视频位流的所有质量层的受保护数据。连接发射器和接收器的这种有线介质的连接性/可靠性和传输容量通常比无线信道更可靠。因此，数据分组的丢失主要是由于通信量拥挤而引起的中间设备中的缓冲区溢出，或者是由于传输缓冲器中等待时间过长而引起传输超时。
当将一组MDC数据分组发送给一个接收器或一组接收器时，当沿该传输路径向每个数据分组提供一致的传输容量时，每个数据分组都会存在或多或少相同的丢失概率。重要的是要确保接收到足够数量的低质量层数据分组。否则，接收到的任何高质量层数据分组对于改善视频质量没有用处。这自然会产生一种感觉，即低质量层数据的重要性高于较高层数据的重要性。
因此，较低质量的数据需要更鲁棒的保护，以满足更低的数据分组接收要求(即需要较少数量的MDC数据分组)。如果它使用Reed-Solomon代码作为保护代码，这意味着应选择恒量N个受保护信息块中的数目较少的K个成功接收的信息块，以便更容易地恢复低质量层数据，尤其是存在传送受限数目的MDC分组的带宽约束的情况下。于是，现有技术通常决定使用从低层到高层顺序渐增的K值，其中低层的数据的重要性较高。
在这种有线基础结构下，包含多个质量层的位流数据的数据分组要么完全丢失，要么作为一个整体接收，从而达到恢复效果。MDC数据分组的部分接收是没有意义的，或者以前提出的任何方案根本没有使用它。
相反，由于信道衰落效应的缘故，发射器和接收器之间的无线信道的传输容量和连通性是时变和不可靠的，其特点是传输容量波动和数据分组丢失率较高。这对在接收器和发射器之间的信道状态不均匀的状态下，同时向多个接收器组播公共信息提出了巨大的挑战。由于信道性能较差的接收器的接收速率和解调能力有限，一个组播信号只包含所有质量层的数据，并使用单一或单分辨率调制方案在基站上传输，不会被所有接收器完全接收。这给无线组播可调整视频位流带来了一个非常独特的问题，这就需要在单个组播传输中支持多分辨率调制方案，而对于信道状态较差和信道状态好的接收器，仍然可以从相同的组播信号中获得部分视频质量和完整视频质量。
需要一种能够实现组播的系统和方法来解决上述缺点。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供一种经无线网络向与该网络连接的多个接收器发送数据的方法，应用叠加编码的组播或广播，以致产生多分辨率组播或广播信号，从而以可扩展组播或广播的形式向多个接收器传送数据。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种经无线网络向与该网络连接的多个接收器发送数据的方法，其包括应用叠加编码的组播或广播，以致产生多分辨率组播或广播信号，从而以可扩展组播或广播的形式向多个接收器传送数据，所述组播或广播计算机可进行如下操作：
1)将数据分成一个或多个质量层；
2)通过应用保护或鲁棒方法将每个质量层中的数据转换为单独的受保护层数据流；
3)使用调制手段，对每个所述受保护层数据流进行调制；
4)将所述单个广播或组播传输块发送到与所述无线网络相连的多个接收器。
与现有技术相比，本发明一种经无线网络向与该网络连接的多个接收器发送数据的方法的有益效果在于：高效地解决了不均匀的信道状态，有效地恢复接收器之间各种错误的鲁棒数据；能够提供良好数据容量利用的组播系统和方法，特别是在数据量相对较大的情况下(例如高质量视频)；按照适合于各种接收器的方式提供这些好处，从而利用现有接收器或者成本较低的接收器完成成本效果合算的实现的无线组播系统和方法；在结合组播或广播使用叠加编码的情况下，进一步提高当其信道不良时获得“基本流”数据，当其信道良好时获得一些“增强流”数据的接收器的数据容量(即如果传送视频位流，那么提高视频质量)。
【附图说明】
图1描述了具有两个质量层的压缩的可伸缩码流。
图2描述了在IEEE802.16点对点网络中从BS向所有感兴趣的接收器(用户站(SS))发送组播信号的时刻。
图3描述了在每K个数据块上增加鲁棒性以形成第i层的N个受保护单元的过程。
图4描述了由RS码(N，Ki)形成的第i层的受保护单元。
图5描述了在等待形成SPC组播信号的L1和L2缓冲器中的第1层和第2层的PU的存储。
图6描述了利用叠加编码组播，发送视频位流的所有质量层的所有PU的基站。
图7描述了SS-1，SS-2和SS-3同时从BS接收连续的SPC组播信号的实施例中的多用户分集衰落情。
图8描述了在本发明的一个方面，按照本发明的丢失PU的恢复。
图9描述了即使在其中一个时隙中没有接收到受保护单元的情况下，仍然可以恢复完整的GoF的完整视频位流集合的过程。
图10描述了本发明的其中一个方面中各要素的操作顺序。
图11描述了在其中的一个方面本发明所实现的获得收益的代表性示例。
【具体实施方式】
实施例一：
本发明可通过以下所述的高级联合信源和信道编码方法和系统，提高无线通信解决方案(如使用WIMAX、LTE、任何类似或正在发展的无线标准的无线通信网络)中数据组播的容量和鲁棒性，及其变化。本发明的应用实例是与保证一定质量的通过WIMAX的宽带多媒体服务，比如IPTV或移动TV服务、基于因特网的广告、或者任何一对多的无线视频通信有关。
下面通过解释其四个主要方面来描述本发明。为了便于说明，分别对这些参数进行了描述，并给出了设计参数的建议。然而，本发明不限于所述的示例和相关参数，这些示例和参数可以扩展、转换或诱导以适用于其他应用程序的变型。还应该理解，本发明不限于本发明的具体实施。另外，本发明的公开不应被理解成要求特定的数目或序列。事实上，对于本领域的技术人员来说，实现本发明的一个或多个方法步骤是显而易见的，以便将下面描述的一个或多个方法步骤相互合并或扩展，以提供比所描述的更多或更少的步骤，而不偏离本发明。
在本发明的一个方面，提供了一种用于组播/广播的系统和方法，其中多个接收器中的每一个都可以从源接收数据(在本公开内容中，为了方便起见，单个或者一批数据文件，或者实时数据发生器也被称为“信源”)，或数据文件的一部分，足以提供源的部分相对于整个源的大量使用质量，包括通过(一)在源上应用保护编码和(二)在信道上应用叠加编码，信道状态因接收者而异的情况。可以用多个质量层生成来自源的数据，并/或在每个层上应用保护。
在本发明的一个方面，不同质量层的数据可以通过不同的调制方案进行调制：(1)可以使用具有较低SNR要求的方案来调制较低质量层的数据，并且(2)可以使用具有较高SNR要求的方案来调制来自增强层或较高质量层的数据。如果信道状态良好的接收器能够解调源于SNR要求较高的调制方案的数据，它可以用较低的SNR要求解调来自调制方案的数据。否则，当信道不太好时，接收器仍能够解调源于SNR要求较低的调制方案的数据。在使用SCM在BS上传输的时隙期间，接收器的信道状态可能在所述时隙的一部分内状态良好，这导致解调和接收基本质量层的数据的机会，及解调和接收增强质量层的数据的另一机会(假设数据流中只有2个质量层)。然而，在较差信道状态下的时隙的另一部分下，接收器仍有机会从基本质量层解调和接收数据。如果在有线基础设施中进行组播，不会在单个传输中实现更细粒度的部分数据接收，其中在有线基础设施中，每个传输中的组播数据分组要么成功接收，要么不被接收。
根据本发明进行的选择性调制发生在与现有技术相反的情况下，并提供了良好的结果。现有技术假设较低质量的数据具有较高的重要性。然而，实际上，由于信道衰落效应导致了发射器和接收器之间的时变传输容量和连通性，在无线组播的情况下，本发明提供了更好的结果。
在本发明的又一方面，将相对鲁棒的保护编码方法应用于由较高质量的数据组成的质量层，并将相对不那么鲁棒的保护编码方法应用于由较低质量数据组成的质量层。这是因为，不管时隙的总周期如何，根据在本发明中使用的SCM较低质量层的接收数据的机会(或时隙)通常比相对较高质量层的接收数据的机会(或时隙)更大、更容易。因此，根据本发明，可以使用更鲁棒的保护码来保护来自具有较高解调要求的较高质量层的数据，从而可以使用较高质量层上的保护码中使用较少的K，更容易地恢复来自信源的整层的信息。
同样，尽管现有技术提到从低层开始使用顺序渐增的K值，以降低鲁棒性/保护的影响，不过本发明同样违反直觉地反其道而行之，在这里所述的参数的条件下，就无线组播来说结果得到改善。
本发明采取与现有技术相反的方法，以将K值(递减次序)从第一层排序到后续层，这也与保护编码的现有技术的使用相反。相对较高层的数据将受到更有力的保护，尽管它们没有来自较低层的数据那么重要。
本发明旨在通过先进的信源和信道编码技术及其变化，提高无线通信网络(如WiMAX、LTE、TD-SCDMA系统或任何未来的无线宽带系统)中数据组播的容量和鲁棒性。对保证一定质量的通过WIMAX的现代宽带多媒体服务，比如IPTV或移动TV服务、基于因特网的广告、或者任何一对多的无线视频通信来说，这尤其重要。
本发明的一个潜在实施例将同时向多个无线接收器发送视频位流。该潜在实施例将用于说明本发明的系统和方法，但如上所述，本发明不局限于本实施例。
一、可调整视频编码的视频位流
表示一组信息的数据，例如一组视频帧(GoF)可以由高级编码方案编码和压缩到具有两个或多个概念质量层的可伸缩码流中(具有分层结构的连续信息，其中较高层的数据将细化较低层，以提供更好的整体信息)。GoF可以由从一个到多个不等的任意数量的视频帧组成。在此可以描述某些参数和编码方法，但本发明不限于针对此类概念性质量层或质量分段的特定可伸缩码流，也不限于质量级别的总数。具有不均匀接收性能的接收器仍然可以根据接收到的数据层数来重构某种质量的信息。
图1描述了具有两个质量层11、13的压缩的可伸缩码流(质量层的数量可以是从一个到多个的任意数字)，每个GoF17由可伸缩视频编码19实现。用于最小可接受视频质量的最重要信息或该GoF17的视频数据的子集通常可以包括在位流的基础层13(或第1层)中，而同一GoF17的其他信息或子集通常可以放入比特流的第二层或下一层11，通常称为增强层(或第2层)。如果在增强层11中完全或部分地获取数据，接收器设备中解码器感知到的视频帧的质量可以得到一定程度的改善。
二、保护/冗余编码增加对视频位流的鲁棒性
第i层中的位流数据可以划分为每个块中具有Ki字节大小的多个数据块，该数据块具有所有层中K1≧Ki+1的唯一属性，其中i的较小值指的是质量较低的层。然后，每个Ki字节的数据块都将应用一个保护编码，使其成为一个N字节长的受保护单元(PU)(或如果每个数据分组的大小为一字节，并且具有数据分组ID，则为一个N字节长的数据受保护单元)。
本发明不限于产生这些N个或广义数的数据分组的特定保护编码方案，只要该方案能够恢复层i的所有N个或广义数的数据分组，即使某些数据分组在接收时丢失和/或出错，当存在至少Ki分组或者甚至不太成功地接收时。保护编码算法的非详尽列表可能包括Reed-Solomon、Fountain、Tornado等编码，所有这些都为本领域的专家所熟知。
对于Reed-Solomon(RS)的保护码，RS码可以由两个数字N、K来描述，其中N是码字的长度，K是码字中的数据符号的数量。
使用旋风码为了恢复初始的K个信息单元，需要稍大于K的N个受保护单元。然而，它具有更快和线性的编码和解码时间。
N和K的选择是重要的，因为本发明的目的是向多个接收器可靠地发送组播视频或具有高质量的连续信息。影响N和K值的一个主要参数是组中接收器的最坏信道状态。
每个质量层的最终N和K的确定可以根据当前最坏的信道或接收器中的平均信道自适应地在线(实时)进行，方法是实施以下自适应算法，并对接收器的所有信道状态进行反馈并与保护编码程序交互。对于预期的视频质量(PSNR)或者其它必要的参数，值的选择应保持由接收器获得的预期数据量，或者使之最大化。理想情况下，K/N值(冗余开销比)应最小化。
通过使用部署的组播站点中的所有固定接收器的信道状态的统计记录，还可以实现N和K值的离线确定，因为固定接收器的信道变化具有长期平均值。可以选择这些值以覆盖在所有统计记录中发现的用于预期视频质量PSNR)或其他必要参数的最坏信道状态，同时将K/N的值(冗余开销比)最小化。
图3描述了在每Ki个数据块31上增加鲁棒性以形成第i层35的N个受保护单元的过程。假设将GoF编码为具有N个概念质量层35的可伸缩码流。第i层35的视频位流可以分割成多个数据块31，每个数据块31的大小为Ki字节。例如，具有参数N和Ki(即RS(N，Ki))的ReedSolomon码可以应用于每个Ki数据块，以形成层第i层35的N个数据分组33(或PU)。
图4描述了由RS码(N，Ki)形成的第i层的受保护单元33。这些具有不同质量的位流数据层的受保护单元33可以(但并不一定是)存储在临时对应于其质量层(或级别)的不同缓冲器中，如图4所示。
三、使用叠加编码组播的调制
此时，位流的受保护单元可以在缓冲器中等待由基站(BS)(或发射器)以一种群信号的形式进行无线传输，该群信号可由一组感兴趣的接收器同时接收。这种支持这种一对多的传输，并且在IEEE802.16d/e(或WIMAX)IEEE802.11(或WiFi)、HSDPA、CDMA以及其他新兴无线的许多无线技术中也称为“组播”。
调制可以将数字信息转换为无线传输的一组无线电波形式(或调制信号)。先进的宽带无线技术，如WiMAX，支持根据BS和SS(或接收器)之间的信道状态自适应地切换多个调制方案。
在BS处的无线组播传输中不使用单个调制方案，，在本发明的一个方面可以使用叠加调制，其中可以同时使用不同的调制方案，以同时形成来自不同数据集的调制信号。
然后可以叠加多个调制信号以形成组播信号的单个传输块。根据应用场景，每个缓冲器(对应于质量层)的受保护单元可通过特定的调制方案以一定的传输速率进行调制，使得属于不同缓冲器中相同数据分组ID的所有受保护单元可同时进行调制，以形成这种叠加编码(SPC)组播信号。
每个叠加编码传输中发送层数据的传输速率
图5描述了在等待形成SPC组播信号的L1和L2缓冲器中的第1层和第2层的PU的存储。再次假设视频位流中只有2个质量层，本发明可以使用RS代码为每个层生成受保护单元，如图4所示。第1层和第2层的所有受保护单元可分别存储在L1和L2缓冲器51、53中。对于无线传输的给定时隙(例如，在时间t＝1)，具有L1缓冲器51中的数据分组ID＝1的PU可以用BPSK(第1级数据)57进行调制，它要求信道具有较低的信噪比(SNR)，用于特定比特误码率(BER)的解调。另一方面，对于相同的无线传输时隙，具有L2缓冲器53中的数据分组ID＝1的PU可以同时与QPSK59一起调制，这需要更高的QPSK59。
用于解调相同的比特误码率的信噪比。来自L1和L2缓冲器51、53的两个调制信号可叠加61，以同时形成用于组播传输的组合调制信号63。
图6描述了利用叠加编码组播，发送视频比特流的所有质量层的所有PU的基站。对于下一个可用时隙(例如，在t＝2时)的所有缓冲区中数据分组ID＝2 65的下一组受保护单元，BS可能重复上述相同的进程。一旦同一个GoF中的所有PU被调制和组播，则可以下一个GoF就可以在视频位流结束之前，重复相同的过程，依此类推。通过本发明的操作，BS可以根据最佳调度策略(例如)发送视频位流，更重要的是，利用最少的所需传输资源。
在第1层缓冲器上应用的调制方案RM,l，其传输速率必须足够快，以组播属于MDC数据分组那一层的所有PU。否则，应该调整PU的数量、PU的大小和时隙的持续时间。这可能是BS实现长期稳定的必要条件，因此可以将其表述为在每次传输中选择调制方案的下列约束：
其中：RM,l是集合{BPSK、QPSK、16QAM、64QAM}内调制方案的传输速率(比特/秒)；bl是视频位流到质量层1的位置；Kl是第1层上的RS码的值；t是依据调度策略分配给组播传输的一个时隙的持续时间。在下一个可用的传输时隙内(例如，在时间t＝2)，BS可对所有缓冲区中属于第二描述的下一组PU重复相同的叠加过程，依次类推。
五、每个接收器(或用户站/SS)的解调
解调是将一组无线电波换化为数字信息的相反调制过程。根据本发明，所有SS(或接收器)都可以在BS的范围内的同一时隙接收相同的叠加编码组播信号。然而，由于其时变信道状态(或衰落信道的多用户分集)的异质性，它们可能并不都能够解调和接收它们最初应该从同一个组播信号中获得的所有数据。在SS和BS之间的信道状态的强度可以通过信噪比(SNR)的可量化值来测量。当信道的SNR值能够满足缓冲器中采用的对较高质量层数据(例如L2缓冲器)调制方案的SNR要求时，SS可用于解调和接收该时隙接收的组播信号内的所有基础层和增强层的所有受保护单元。否则，在信道状态非常差的情况下，SS可能仅能够从相同的组播信号解调和接收属于较低质量层(例如来自L1缓冲器的)的受保护单元，或者不能接收受保护单元。来自接收的叠加编码组播信号的第1层和第2层的任何解调数据可以(但并不一定是)临时存储在接收器处的相应缓冲器中，然后传递到保护解码器和视频解码器，以便在接收设备中进行视频回放。
图7描述了SS-1，SS-2和SS-3同时从BS接收连续的SPC组播信号的实施例中的多用户分集衰落情。由于衰落信道状态的多用户分集，在时间t＝1时，SS-1 71和SS-2 73都可以解调和接收同一组播信号中所有PUS77、79的视频质量层，因为这两种信道状态都很好，具有支持QPSK和BPSK的信噪比。然而，由于SS-3 75与BS之间性能较差的信道信噪比较低，SS-3 75仅能解调和接收属于第1层的PU81。当t＝2时，SS-1 71通道变坏，信噪比降低，仅能解调接收第1层的受保护单元，而SS-2 73和SS-3 75都具有信道状态，信噪比足以支持QPSK和BPSK，使得组播信号中第1层和第2层的受保护单元85、87可以解调并完全接收。
五、追回丢失和/或错误的受保护单元
将叠加编码调制/解调用于组播传输使这些SS(或接收器)有机会从无线组播寻址数据分组的相同信号中获得更高的视频质量的更多信息，而信道质量较差的其他SS，仅通过从相同组播信号解调较低层数据，仍然可以获得基本的视频质量。因此，在相关信道状态较差的时隙下，较高质量层的一些PU仍然可能丢失或出错。本发明的另一个新颖的方面在于，当SS能够成功地解调和接收第i层的Ki受保护单元时，即使单独使用多分辨率调制，也可以恢复不同质量层的丢失和/或错误的受保护单元。
在“通过保护/冗余编码增加对视频位流的鲁棒性”情况下，可以使用上述保护编码来完成丢失和/或错误受保护单元的恢复。
图8描述了在本发明的一个方面，按照本发明的丢失PU的恢复。SS-189在时隙t＝1和t＝3接收第2层的PU91、93，并且SS-2 95从前两个时隙接收第2层的PU97、99。最后，SS-189和SS-2 95都能够各自恢复丢失的受保护单元，从而提供一套完整的两层质量的视频位流数据，实现最高质量的视频回放。由于在增加鲁棒性的过程中，使用Reed-Solomon代码RS(4，2)形成了第2层的受保护单元，因此当第2层的K2受保护单元(其中K2＝2)可以从任意两个不同的时隙进行解调和接收时，可以成功地实现恢复。
图9描述了即使在其中一个时隙中没有接收到受保护单元的情况下，仍然可以恢复完整的GoF的完整视频位流集合的过程。即使在不良信道情况下，例如SS-3101在时隙t＝3处由于负面网络效应而在所有103处没有接收到任何信号，仍然可以恢复2个质量层的完整的一组视频位流，因为还有三个时隙105、107、109用于第1层的PU。
实现
本发明在无线网络中的一个实施例可以包括多个用户站(接收器)和基站(BS或发射器)，它们通过高速骨干网(例如千兆以太网网络或通过以太网IP无源光网络)连接到IPTV服务提供商的视频源。这些机器可以构成最后一英里的无线宽带接入(WBA)网络，并且可部署在具有不同邻里的城镇中，其中可无线地向配有订户站的每个邻里/社区组播视频流。
图10描述了本发明的其中一个方面中各要素的操作顺序。图10的各个方面在下文中有更全面的描述。
视频编解码
本发明不限于视频位流的传输。例如，视频编码可与任何可伸缩视频编码方法合作，该方法可从模拟或数字视频信号产生具有一个或多个视频质量的概念质量层(或级别)的编码位流。可用硬件芯片集、软件、在机器中运行的软件或者任何类似的形式实现这种视频编码器，它们可以集成在另一个系统(软件或硬件)中，也可以与另一个系统(软件或硬件)接口，以添加保护代码。例如，使用H.264/AVC-部分10标准的软件编码器可用于生成具有多个质量层的可伸缩码流。
视频编码器可以位于基站附近，或者远程安装在通过高速网络连接的远程位置，用于传输用于无线传输的视频位流。视频解码器可对接收到的位流数据进行解码，并立即在接收设备上显示视频(例如移动电话或便携式媒体播放器)。有时，视频解码器可以安装在接收器位置的机顶盒设备中，该设备与诸如电视、FAT面板监视器或任何其他视频显示设备等显示单元接口。
添加保护码
视频位流的保护编码可以通过具有保护算法的系统上的软件程序或硬件芯片组来实现(例如，Reed-Solomon、Turbo乘积码)，以处理和编码来自视频编码器的视频位流的输入数据。将位流远程传递给此类软件或系统进行保护编码。在某些情况下，视频编码器可以构建在与用于这种保护处理的软件的另一部分相同的系统中，其中位流在同一软件或系统内进行传递。受保护的位流可分为不同形式的类和/或组，并随后被传送给BS中的对应数据缓冲区等待调制。
叠加编码组播
作为实现的一个示例，例如，可以通过在BS内的硬件芯片组或可编程硬件芯片组来实现叠加调制，以根据在硬件芯片集或可编程硬件芯片集内的程序中配置的功率和传输时间分配策略，把调制信号叠加成信号组播传输块，可实现叠加调制。然后，这些芯片组可以与上述用于数据预处理的组件对接。
这种对数据的预处理可以在传输系统的MAC层的软件或硬件代码中实现，后者可以与应用程序或网络层接口，将每一层的受保护(或不受保护)位流放入相应的缓冲区，等待调制和无线传输。也可以将多个缓冲器、它们的数据同步、持久性和用于数据完整性的其它所需的处理以及传输来实现到该组件中。
叠加编码组播的解调
叠加编码组播信号的解调也可以通过硬件芯片组或Sxed或便携式/移动用户站(接收器)中的可编程硬件芯片组来实现，以执行所接收的信号的解调并将解调后的数据传送到接收器设备中的相应缓冲器中。
恢复数据丢失或出错
系统上的软件程序或硬件芯片组可以在接收器设备内实现，或者连接到接收设备，以支持在视频源或发射器系统上用于解码视频位流的受受保护单元的相同保护算法，将这些受保护单元成功解调，并存储在连接到接收器的存储器装置中，例如缓冲器。可以将恢复的位流数据传递到视频解码器，进行进一步的视频解码。该软件可以与停留在接收器上或与接收器相连的其他软件一起集成，或者与接收器相关的现有硬件一起集成硬件芯片组功能。
解调数据的处理可以在接收器系统的MAC层的软件程序或硬件代码中实现，该软件程序或代码可以与物理层的解调单元和接收器系统中的保护解码器进行对接。可以在接收系统中使用软或硬件解码器来实现保护解码器。最后，只要解码器能够支持视频编码器使用的相同的可伸缩视频编码标准，就可以用内置于接收器系统内的软件或硬件实现视频解码器。
实现的变化
本发明的系统在其个方面可以以集成形式来提供。例如，视频编码、保护编码、预处理和叠加调制可以集成到相同的发射器系统中，或者视频编码和保护编码可以集成到发送视频源的系统中，而预处理和叠加调制可以集成到发射器系统中。
同样，可以将叠加解调、解调数据的处理、保护解码和视频解码集成到同一接收系统中，或者将解调数据的叠加解调和处理集成在无线接收系统中，而保护解码和视频解码可以集成在视频显示系统中。
然而，本发明不限于这些实施方式，只要保持图10中所示的组件的操作顺序即可。
下面是说明本发明的优点的模拟，其中它可以提供更好的视频质量。应注意，这些参数只是用于举例说明本发明的优点，并不意图限制本发明的范围或者本发明可按其工作的参数。
模拟可包括具有30帧/秒的恒定帧速率的视频源，为基本质量层和增强层的两个质量层，构成基本质量层的固定百分率的视频数据，和通过对基本质量层使用BPSK以及对增强层使用16QAM而进行的叠加调制。模拟还可以包括两个SS，一个具有高平均信道SNR，一个具有低平均信道SNR。可以模拟瑞利衰落，使信道内波动从一个传输帧到下一个传输帧。在第一模拟中，基础层可以包含每帧的40％的视频数据。在第二模拟中，基础层可以包含每帧的80％的视频数据。假设如上文所述的瑞利衰落信道变化，如上所述，和为了简洁起见，恒定的信道状态，模拟结果可能表明接收到的视频质量有所提高。
通过比较与SS感知的PSNR相应的逐帧视频质量，可观察到与现有方案相比，两个SS都接收质量更好的数据。还可观察到当包括在基本层中的视频数据的百分率降低时，在PSNR方面可达到的增益程度增大。
图11描述了在其中的一个方面本发明所实现的获得收益的代表性示例。可以看出，在现有技术中，采用本发明方法的PSNR要高于现有技术中的SPCM。
关于感知视频质量保证的自适应参数选择
采用上述优化编码和传输参数的方法，可以实现最优性能。不过，也可以提出快速试探法，以折衷性能优化和计算速度。可很好地减轻多用户信道分集和短期信道波动对视频组播质量的影响。
确定最佳编码和传输参数
根据视频或信息源的一般速率-失真理论，失真D(R)(即视频质量的测量，其中失真越小，感知质量越好)可能随着表示信息的比特数单调递减。这又证明如果在接收器获得/恢复的位流的总量增大，那么接收器感知的一组编码视频帧(或者一组信息)的失真会减小。
借助本发明，可以开发一种描述视频GoF的可接收/可恢复位流的总量或用于本发明技术的信息集的模型，这可以方便地确定在实际环境下实现和/或部署本发明所需要的最佳编码参数、传输速率、和/或功率分配的优化。
如上所述，影响保护编码参数的最佳选择的各种因素可包括为发送每个概念质量层的数据而选择的调制速率RM,i，和每个调制中关于质量层i的数据的功率分配。对于长期稳定性来说，对用于层i的缓冲区应用的调制速率RM,i必须快到足以在时隙t内组播该层的描述的所有PU，所述时隙t受位流的量和该层的诸如K和N之类的保护参数(如果采用Reed-Solomon码的话)影响。
一旦BS为层1选择了调制方案RM,l，那么只有当相关RM,l,m(γl,m)满足如下总结的所需SNR,γl,m下限，SS-m才能够以特定的传输速率γl,m成功解调层1：
这些下限可以根据WiMAX标准得到，不过通过包括对应的SRN下限，也可关于任何其它现有或者新的调制方案扩展这些下限。要成功地解调第l层，必须满足所需的SNR下限。否则，SPCM信号可以部分或完全无法解码。
用于接收SS-m处的第1层位流的预期误码率(BER)(表示为el,m)也可受其相关信道的SNR,γl,m的影响，其近似关系如下所示。如现有技术中所述，这些近似值通常假定为所指示的调制方案。在此可使用它们来导出以下公式。然而，当对任何新的或现有的调制方案修改这些BER近似值时，本发明提供的下列公式和框架仍然适用。
其中：Q(.)是Q函数。
给定el,m和(bl-bl-1)，在部分MDC数据分组中，在SS-m处丢失或出错的第1层的整个PU列在处处丢失或错误的平均丢失概率εl,m，可导出为：
注意，(bl-bl-1)/Kl可以给出部分MDC数据分组中的第1层中的PU的行数。
在本发明的一个方面中，在接收器处的质量层的删除错误恢复严格上说，可以是接收在GOF中的该层所接收的部分MDC数据分组的数量(即PU的列数)的函数，而不是接收那些数据分组(或PU)中的某个数据分组。因此，仅当在第1层中成功地接收到至少Kl个PU时，SS-m处的第l层长度为N的PU才能恢复。设Fl表示第1层的N个部分MDC数据分组中的数据分组删除错误数量的随机变量。随后，在第1层的N个部分MDC数据分组中获得N-Kl或更少的删除错误概率，可以近似为：
考虑到第1层的位流仅在第l-1层完全可恢复或接收时才有用，SS-m得到的GoF中第1层的可接收/可恢复位流的平均数量记为Tl,m，可按以下方式计算如下：
Tl，m＝(bl-bl-1)Πi＝1 lPi，m
注意，所有涉及的损失事件都可以假设为独立的，这是基于这样一个事实：由于在连续时隙上的多个服务流之间的数据传输交叉，导致了独立分布的位错误。因此，具有L层的SS-m的GoF的可接收/可恢复视频位流Tm(以位为单位)的总平均数量可表示为：
Tm＝Σl＝1 LTl，m
如图2所示，由于GoF中的失真与位流边界可能存在直接关系，因此Tm值可以看作是SS-m的GoF的视频质量测量值，以供分析之用。根据不同的应用场景，可以在某些业务需求(包括IPTV业务中的其他QoS要求和IPTV服务系统约束)下，通过为不同层选择RS码中的适当功率分配、调制方案，甚至选择N和K的值来创建特定策略来优化Tm。
优化示例
要注意的是本发明提供的模型可用于优化上述任何参数。以下讨论只是一个说明性例证，并不意图限制前述讨论的范围。下文提供的公式仅为本示例的说明，并不适用于上文提供的本发明的所有变化。
其目的是在值为N的保护开销极限条件下，并对照其它约束，比如所说明的每个传输中的总功率预算，通过选择每个GoF中的恰当各组功率分配p:{Pl，P2，...，Pn}和源数据分配K:{Kl，K2，...，Kn}，使失真降至最小。
假设具有两个质量层的视频位流通过WiMAX BS组播到一组具有不同平均SNR的SS，其中每个SS的信道状态受瑞利衰落和短期信道波动的影响，并根据单个信道侧信息反馈在一个时间窗内进行评估，以ω表示。已知值N，EL和M的值可由一组操作点确定，包括Kl的值、分配给质量层l的功率和调制方案，后者反过来根据GOF的可接收/可恢复位流总量反映SS-M处体验到的合成视频质量。设SS-j*的接收机信道状态最差的时间窗口ω在平均水平。由于SPCM信号由所有SS共享和接收，因此可以选择一组最佳的功率pl和调制率Rm，l来提高SS-j*处GOF的视频质量。所以，目标可能是使接收的视频位流总数最大化。其中，
maxTj*＝∑l＝1 LTl，j*。
采用这种优化目标是基于这样一个假设，即在j≠j*的情况下，任何SS-j都将比SSError接收更多的视频位流。无法通过编辑字段代码创建对象。在不同衰落信道下的时间窗口内，视频质量可以变得更好。Kl以及两个质量层pl和RM,l的所有可能值的优化可能受到以下限制：
错误！无法通过编辑字段代码创建对象。
由于我们现在的示例中，只有两个视频数据的质量层，所以在这个例子中，L＝2。基于上述分析公式，GOF的每个叠加编码组播传输的最佳操作点(Kl、pl、RM,l)可能是非线性和离散的，因此不能由任何商用整数规划求解器求解。由于在典型部署中，所提出框架中总操作点的可能空间可能是是数目有限的少量组合，因此可以使用一种不太复杂但实用的算法(例如迭代搜索法)有效地处理优化问题，其中每个评估功率的离散比分配对可以在有限可能的一组调制方案下的总功率约束内设置，其实际K值的有限集合与N有关。每个质量层的相关信噪比、可支持调制和合成误差率(即质量层不可恢复的概率)，以及使用本发明优化的组播传输的最终可信位流Tj*可以用所有合理的操作组合进行评估。因此，可以确定产生叠加编码组播信号的最佳编码和传输速率。
关于质量层i数据在每个调制中的功率分配
对于给定的距离，质量层i中接收数据的比特误差率(BER)可能会受到基站传输过程中分配给质量层i数据的调制功率的影响。在线和离线确定每个质量层i的N和K可以根据质量层i的当前(用于实时计算)或最差(用于离线计算)BER反馈进行设计，以实现视频位流的预期视频质量(PSNR)。或者，换言之，假设所有可能的传输速率RM和l由基站和N值以及一组K＝{K1，K2，……，Ki}支持，可以实现优化来分配适当的功率P＝{P1，P2，……，Pi}用于每个传输信号或一组传输信号上的调制方案，以便为接收器提供最佳的整体视频质量。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种经无线网络向与该网络连接的多个接收器发送数据的方法，其特征在于：其包括应用叠加编码的组播或广播，以致产生多分辨率组播或广播信号，从而以可扩展组播或广播的形式向多个接收器传送数据，所述组播或广播计算机可进行如下操作：
1)将数据分成一个或多个质量层；
2)通过应用保护或鲁棒方法将每个质量层中的数据转换为单独的受保护层数据流；
3)使用调制手段，对每个所述受保护层数据流进行调制；
4)将所述单个广播或组播传输块发送到与所述无线网络相连的多个接收器。
2.如权利要求1所述的经无线网络向与该网络连接的多个接收器发送数据的方法，其特征在于：多个接收器中的每个接收器随后可操作以接收这样的调制层，并对这些层解调和解码，并从所述层重构所述数据。
3.如权利要求1所述的经无线网络向与该网络连接的多个接收器发送数据的方法，其特征在于：在最低层提供基本信息，在逐次渐高的层中提供逐次丰富的或者修正的信息。
4.如权利要求1所述的经无线网络向与该网络连接的多个接收器发送数据的方法，其特征在于：提供或获得多个调制手段，并且为了减少数据丢失，根据不同接收器处无线网络条件的不同，选择特定的调制手段。
5.如权利要求1所述的经无线网络向与该网络连接的多个接收器发送数据的方法，其特征在于：对由较低质量数据组成的质量层使用与较低SNR要求相关的调制手段，并对由较高质量数据组成的质量层使用与较高SNR要求相关的调制手段。
6.如权利要求5所述的经无线网络向与该网络连接的多个接收器发送数据的方法，其特征在于：对由较低质量数据组成的质量层使用与较低传输速率相关的调制手段，并对由较高质量数据组成的质量层使用与较高传输速率相关的调制手段。
7.如权利要求5所述的经无线网络向与该网络连接的多个接收器发送数据的方法，其特征在于：将相对鲁棒的保护编码方法应用于由较高质量的数据组成的质量层，以便通过在这些层中成功接收到较小数量的数据来实现这些层的恢复，并将相对不那么鲁棒的保护编码方法应用于由较低质量数据组成的质量层，以便通过在这些层中成功接收的较多数据来实现这些层的恢复。
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