CN1305284A - 无线多媒体通信中的基于码流重排的抗衰落方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线视频通信技术领域,在发端视频数据流进入信道编码器或进入调制器之前,对数据流进行自适应编排调整;然后在收端数据流进信源解码器或进入信道解码器之前,对码流位置作相应的逆编排调整恢复。编排调整参数可根据不同的信道与信源特性进行自适应调整。本发明能显著减轻无线信道相关衰落效应,提高无线视频传输可靠性,不降低传输效率且具有低实现复杂度。本发明可作为无线视频通信系统抗衰落技术的有效候选方案。

Description

无线多媒体通信中的基于码流重排的抗衰落方法

本发明属于无线视频通信技术领域，特别涉及采用H.263和MPEG4等视频压缩协议和有关移动通信标准的无线视频传输系统中多媒体传输的抗衰落技术。

目前，GSM标准作为第二代移动通信标准已经被世界大多数国家和地区采纳，得到了广泛的应用；宽带CDMA标准也正作为第三代移动通信标准在推广中。而视频传输作为今后无线通信的主流业务之一，已经在数字视频广播(DVB)，数字视频点播(VOD)，视频会议(Video Conference)等领域得到广泛的应用。其中H.263/MPEG4以其优异的压缩性能和传输灵活性，已成为第三代移动通信标准推荐的视频压缩协议。但是，视频压缩数据对于无线信道上由于衰落引起的突发误码十分敏感。这就要求系统提供很好的抗衰落技术和信道编码保护，从而大大增加了无线视频通信系统的实现成本和复杂度。尤其对于向小型化发展的无线视频通信终端而言，体积和功耗的限制使得这个缺点更为突出。值得一提的是，当前的抗衰落技术和信道编码器并没有很好的利用视频信源码流的特性来达到更好的传输效果。

为了减小由相关衰落引起的突发误码对视频传输的影响，人们做了大量研究工作，现有的解决方法包括：

第一方面，采用抗衰落技术来降低无线信道的衰落效应，现有抗衰落技术的技术特点包括：所处位置上，比特/块交织处理位于在通信系统中信道编码器之后，调制发射之前，位于系统中的传输段；块重排处理位于信源编码器之前，位于系统中的信源编码段；在功能上，比特/块交织仅仅考虑信道条件，与信源特性无关，属于一种传输技术；块重排仅仅考虑信源特性，与信道条件无关，属于一种与信源编码有关的预处理技术；在性能上，比特交织的实现复杂度很大；块重排降低了视频信源的时域相关性，使系统视频传输效率降低；交织、块重排或分集接收使系统的实现复杂度和成本大大提高，尤其不符合当前无线视频终端的小型化发展趋势。

第二方面，采用信道编码对数据进行保护。但是对于无线视频传输，编码保护会增加传输带宽，而且无线信道衰落效应造成的误码突发分布降低了编码保护的有效性和效率：在突发段，即使很强的信道编码也无法实现有效保护，而在突发间隔段，信道编码又大大降低了传输效率，尤其是面对无线信道有限的带宽资源和视频传输的大数据量，这一缺点就更为突出。

本发明的目的在于，为克服已有技术的不足之处，提出一种新的无线多媒体通信中的基于码流重排的抗衰落方法，可以相对较小的系统复杂度实现有效的抗衰落效果，提高频谱利用率和视频传输的可靠性。

本发明提出一种无线多媒体通信中的基于码流重排的抗衰落方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

1)在发端将输入的原始码流分割为若干码流单元，然后将各个码流单元的位置进行重新调整排列，得到经过码流重排处理后的输出码流；

2)在收端将码流单元的位置进行相应的恢复调整码流解重排处理，得到解重排处理后的原始码流。

所说的码流单元分割方法是将长度为N的码流分割为n_B个长度为B的等长码流单元，N,B,n_B参数满足关系式：N=B*n_B；

所说的码流单元位置重排方法是将经过分割的码流中的各个码流单元进行位置重新排列，具体步骤包括：

(1)产生一个随机数序列，其中包含与码流单元数目相同数目的随机数，序列中的各个随机数与码流单元一一对应；

(2)将随机数序列中的所有随机数按照从小到大的顺序进行排列，则各个码流单元也按照各自对应的随机数重新进行位置排列。

所说的码流重排处理可以位于信源编码器之后，信道编码器之前，也可以位于信道编码器之后，调制发射之前，可以单独或同时位于系统中的多个部分。

所说的单元分割方法中两个参数值：码流单元长度B，和进行码流单元重排的码流单元个数n_B可按如下方法设置：

设在n_B个码流单元中出现的连续错误码流单元数目为M个，则经过重排后任意两个错误码流单元都不相邻，并且任意两个错误码流单元之间间隔的无误码流单元个数不小于k个，则n_B、M和k三个参数满足关系式：

n_B＞=M+(M-1)*k

其中，B＜B_max,B_max为码流单元长度的最大阈值，M为连续错误的码流单元数目。

所说的单元分割方法应用在位于信道编码器之后、调制发射之前时，根据信道统计特性：误码平均突发长度L(Burst)和突发段误码密度Δ，及相应的BCH(n,k,t)信道编码器，则码流单元长度B₁，和进行码流单元重排的码流单元个数n_B1可满足以下关系式：

B₁＜=n；

B₁＜=t/Δ；

n_B1＞=L(Burst)/B₁+(L(Burst)/B₁-1)*(n/B₁-1)；

式中n,k,t为信道编码器参数。

所说的单元分割方法应用在位于信源编码器之后，信道编码器之前时，根据视频信源码流统计特性：宏块(MB)的平均长度L(MB)，取码流单元长度B₂和进行一次重排的码流单元个数n_B2作为重排器参数来进行码流重排处理，其中参数B₂和n_B2可满足以下关系式：

B₂＜L(MB)；n_B2＞(B1/B2+1)+(B1/B2)^*(2^*L(MB)/B₂-1)；

本发明的效果是，在相对较低的系统复杂度下，降低了无线信道突发性误码的影响，便于提高传输效率与信道编码的可靠性，是无线视频通信系统中抗衰落技术的一个候选方案。

附图简要说明：

图1为本发明的码流重排方法的基本模块和流程示意图。

图2为本发明的码流重排中的码流单元分割示意图。

图3为本发明的码流重排中的码流单元位置重排示意图。

图4为本发明的码流解重排方法的基本模块和流程示意图。

图5为本发明的码流单元位置解重排流程示意图。

图6为采用本发明所述方法的一种无线视频通信系统优化设计原理框图。

下面结合各附图及实施例对本发明的原理进行详细说明。

本发明所述的无线多媒体通信中的基于码流重排的抗衰落方法，如图1所示。包括以下具体步骤：

1)在发端将输入的原始码流分割为若干码流单元，然后将各个码流单元的位置进行重新调整排列，得到经过重排处理后的输出码流；

2)在收端将码流单元的位置进行相应的恢复调整码流解重排处理，得到解重排处理后的原始码流。

上述发端中所说的码流单元分割方法如图2所示，码流单元分割是将一定长度的码流分割为一定数目的等长码流单元，若输入码流长度为N，码流单元长度为B，将整个码流分割为n_B个码流单元，则N,B,n_B参数满足关系式：N=B*n_B。

上述发端中所说的码流单元位置重排方法如图3所示，码流单元位置重排是将经过分割的码流中的各个码流单元进行位置重新排列，具体步骤包括：

(1)产生一个随机数序列，其中包含与码流单元数目相同数目的随机数，序列中的各个随机数与码流单元一一对应；

(2)将随机数序列中的所有随机数按照从小到大的顺序进行排列，则各个码流单元也按照各自对应的随机数重新进行位置排列。

同样的，上述收端中的码流解重排处理方法如图4所示。经过重排处理的码流经过码流单元分割和码流单元位置解重排两个步骤的处理，得到解重排处理后的码流。其中码流单元分割步骤与图2中所示，前面已经描述过了，这里不再赘述。码流单元位置解重排步骤如图5所示。经过码流重排处理后的码流中，各个码流单元的位置与原始码流不同，根据重排时产生的随机数序列，就可以得到各个码流单元重排前与重排后的位置差异，这样就可以进行位置解重排，即进行位置恢复，得到解重排处理后的码流。

上述单元分割方法中两个参数值：码流单元长度B，和码流单元重排的码流单元个数n_B。的设置方法如下：

设在n_B个码流单元中出现的连续错误码流单元数目为M个，则经过重排后任意两个错误码流单元都不相邻，并且任意两个错误码流单元之间间隔的无误码流单元个数不小于k个的概率由n_B、M和k三个参数决定，这三个参数满足关系式：

n_B＞=M+(M-1)*k    公式1

码流单元长度B应当满足如下约束：

B＜B_max           公式2

其中，B_max为码流单元长度的最大阈值，M为连续错误的码流单元数目，k为重排后任意两个错误码流单元之间间隔的无误码流单元个数。

本发明所说的码流重排处理方法可以位于信源编码器之后，信道编码器之前，也可以位于信道编码器之后，调制发射之前，可以单独或同时位于无线视频通信系统中的多个部分。

本发明在系统设计时利用了重排处理模块与信源、信道以及之间的相关性，进行联合优化设计。

上述的单元分割方法应用在位于信道编码器之后、调制发射之前时，根据信道统计特性，包括误码平均突发长度L(Burst)和突发段误码密度Δ，及相应的BCH(n,k,t)信道编码器，则参数B₁和n_B1应当满足以下关系式：

B₁＜=n；       公式3

B₁＜=t/Δ；    公式4

n_B1＞=L(Burst)/B₁+(L(Burst)/B₁-1)*(n/B₁-1)；   公式5

上面三个式子给出了B₁和n_B1的取值门限。式中n,k,t为信道编码器参数。

单元分割方法应用在位于信源编码器之后，信道编码器之前时，根据视频信源码流统计特性，包括宏块(MB)的平均长度L(MB)。然后设计信源码流重排参数：取码流单元长度B₂和进行一次重排的码流单元个数n_B2作为重排器参数来进行每次的码流重排处理。其中参数B₂和n_B2应当满足以下关系式：

B₂＜L(MB)；          公式6

 nB₂＞(B1/B2+1)+(B1/B2)*(2*L(MB)/B₂-1)，  公式7

上面两个式子给出了B₂和n_B2的取值门限。

上述设计原理：当设计位于信道编码器之后，调制发射之前的模块1时，M₁、k₁的设置与信道条件有关，也和本模块采用的码流单元长度B₁有关，B₁与信道条件和采用的信道编码有关；当设计位于信源编码器之后，信道编码器之前的模块2时，M₂与模块1的码流单元长度B₁，和本模块采用的码流单元长度B₂有关，B₂、k₂与信源特性有关。可见，模块参数的设置与信源和信道条件都有关，并且之间相互关联。

若在无线视频通信系统中位于信道编码器之后、调制发射之前；以及位于信源编码器之后，信道编码器之前同时采用本发明所述的码流重排处理方法可以在前面所述方法的基础上，进行基于信源信道联合编码的系统优化设计。首先应当给出系统优化的另外两个约束条件，根据系统资源情况得到的传输效率约束条件，即最小传输效率门限(＜=k/n)；根据信源解码效果得到的传输可靠性约束条件，即最大宏块丢失率门限(通过仿真得到)。本发明可以通过以下两个步骤进行联合优化，在传输效率和可靠性之间实现很好的折衷，使系统效果达到最优。

为满足系统传输效率的下限约束条件(即最小传输效率门限)，先选取一种能够满足最小传输效率门限的信道码字BCH(n,k,t)，求出采用不同(B,n_B)组合的信道码流重排的(B,n_B)参数范围及信道重排/解重排后相应的信道码字丢失率。

根据所说的信道码型BCH(n,k,t)，选取一种信道码流重排参数组合及相应的信道码字丢失率，得到满足信源宏块丢失率上限约束条件(即最大宏块丢失率门限)的各种信源码流重排参数(B,n_B)组合，并从这些参数组合中选取经信源重排/解重排后相应信源宏块丢失率最小的一种。

选取不同的信道码流重排参数组合，就可以得到不同最优信源码流重排参数组合。如果信道码流重排参数优化采用的信道码字使传输效率为系统资源要求的传输效率约束下限值，则可以得到使系统达到最优传输效果的信源/信道码流重排参数组合。反之，如果信道码流重排参数优化改变信道码字而不断提高传输效率，使相应的信源宏块丢失率达到约束上限，则可以得到使系统达到最优传输效率的信源/信道码流重排参数。

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。采用本发明所述方法的一种无线视频通信系统构成如图6所示，包括：视频信源编码器模块，信源码流重排模块，信道编码器模块，信道码流重排模块，无线信道，信道码流解重排模块，信道解码器，信源码流解重排模块，信源解码器模块几个部分。其中，信源码流重排模块，信道码流重排模块，以及，信道码流解重排模块，信源码流解重排模块是采用本发明的方法设计而成。该系统的工作过程为：

在发端：图中视频输入数据1首先送入视频信源编码器，信源编码器输出信源码流2,2进入信源码流重排器，输出重排后的信源码流3,3进入信道编码器，输出信道码流4,4进入信道码流重排器，输出重排后的信道码流5,5送入信道传输。在收端：图中接收到的码流6输入信道码流解重排器，输出解重排后的信道码流7,7进入信道解码器，输出重排过的信源接收码流8,8进入信源码流解重排器，输出信源接收码流9,9进入视频信源解码器，输出视频重建信号10。

在本实施例中，给定信道条件为：信道平均误码率2*10^-3，信道突发误码平均长度L(Burst)约为200比特，突发误码间隔平均长度约为10000比特，突发段误码密度Δ为0.2。给定信源条件如表1所示，信源为视频序列“car-phone”,QCIF格式，传输帧速率为10帧/秒，编码器量化系数为13。宏块平均长度L(MB)为30比特。根据系统资源情况给定传输效率最小门限为60％，根据视频信源解码重建效果给定宏块丢失率最大门限为3*10^-2。

       表1  信源条件和采用的信道编码器

视频序列video sequence	Car-phone
		视频图像帧格式frame format	QCIF
编码帧速率frame rate	10帧/秒
		视频编码器量化系数Q	13
信道码字BCH(n,k,t)	BCH(31,21,2)

根据公式3,4,5,6,7,B₁＜=31；

B₁＜=2/0.2；

n_B1＞=200/B₁+(200/B₁-1)*(31/B₁-1)；

B₂＜30；            公式6

n_B2＞(B1/B2+1)+(B1/B2)*(2*30/B₂-1)；    公式7

以及优化步骤可以得到如表2所示的各个系统参数，信源码流重排采用8比特单元长度(B₂)和3个信源帧的比特长度作为重排深度(N₂)，信道码流重排采用8比特单元长度(B₁)和1848个信道码字的比特长度作为重排深度(N₁)。采用这样的系统参数设计，可以得到如表3所示的系统传输效果，系统传输效率(η)为67.74％，当编码发送端图像的平均峰值信噪比(PSNR)为31.71dB时，解码接收端重建图像的平均峰值信噪比(Recon PSNR)为28.97dB。

      表2  应用码流重排方法的系统优化设计结果

信源码流重排单元长度B2	8比特
		信源码流重排深度N2	3个信源帧的比特长度
信道码流重排单元长度B1	8比特
		信源码流重排深度N1	1848个信道码字对应的比特长度

BCH(n,k,t)：信道编码码字

n为一个信道码字的比特长度，k为一个信道码字中的信息比特长度，t为一个信道码字的纠错能力；

信源码流重排单元长度B₂：单位为比特(Bit)；

信道码流重排单元长度B₁：单位为比特(Bit)；

信源码流重排的重排深度N₂：

一次信源码流重排的总长度，单位为相应数目的信源视频图像帧对应的比特长度，

N₂=(信源码流重排单元长度B₂)*(一次信源码流重排单元个数n_B2)；

信道码流重排的重排深度N₁：

一次信道码流重排的总长度，单位为相应数目的信道码字对应的比特长度，

N₁=(信道码流重排单元长度B₁)*(一次信道码流重排单元个数n_B1)；

    表3  应用码流重排方法的系统传输效果

系统传输效率η(％)	67.74
		编码器端视频图像PSNR(dB)	31.71
解码端重建视频图像PSNR(dB)	28.97

编码器端PSNR：视频信源编码器端的视频图像峰值信噪比；解码端重建PSNR：视频信源解码器端的视频图像峰值信噪比；η：系统传输效率，单位为百分比数目；

Claims (4)

1、一种无线多媒体通信中的基于码流重排的抗衰落方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

1)在发端将输入的原始码流分割为若干码流单元，然后将各个码流单元的位置进行重新调整排列，得到经过码流重排处理后的输出码流；

2)在收端将码流单元的位置进行相应的恢复调整码流解重排处理，得到解重排处理后的原始码流。

所说的码流单元分割方法是将长度为N的码流分割为n_B个长度为B的等长码流单元，N,B,n_B参数满足关系式：N=B*n_B；

所说的码流单元位置重排方法是将经过分割的码流中的各个码流单元进行位置重新排列，具体步骤包括：

(1)产生一个随机数序列，其中包含与码流单元数目相同数目的随机数，序列中的各个随机数与码流单元一一对应；

(2)将随机数序列中的所有随机数按照从小到大的顺序进行排列，则各个码流单元也按照各自对应的随机数重新进行位置排列。

所说的码流重排处理可以位于信源编码器之后，信道编码器之前，也可以位于信道编码器之后，调制发射之前，可以单独或同时位于系统中的多个部分。

2、如权利要求1所述的基于码流重排的抗衰落方法，其特征在于，所说的单元分割方法中两个参数值：码流单元长度B，和进行码流单元重排的码流单元个数n_B。的设置方法如下：

设在n_B个码流单元中出现的连续错误码流单元数目为M个，则经过重排后任意两个错误码流单元都不相邻，并且任意两个错误码流单元之间间隔的无误码流单元个数不小于k个，则n_B、M和k三个参数满足关系式：

n_B＞=M+(M-1)*k

其中，B＜B_max,B_max为码流单元长度的最大阈值，M为连续错误的码流单元数目。

3、如权利要求1或2所述的基于码流重排的抗衰落方法，其特征在于，所说的单元分割方法应用在位于信道编码器之后、调制发射之前时，根据信道统计特性：误码平均突发长度L(Burst)和突发段误码密度Δ，及相应的BCH(n,k,t)信道编码器，则码流单元长度B₁，和进行码流单元重排的码流单元个数n_B1满足以下关系式：

B₁＜=n；

B₁＜t/Δ；

n_B1＞=L(Burst)/B₁+(L(Burst)/B₁-1)*(n/B₁-1)；

式中n,k,t为信道编码器参数。

4、如权利要求1或2所述的基于码流重排的抗衰落方法，其特征在于，所说的单元分割方法应用在位于信源编码器之后，信道编码器之前时，根据视频信源码流统计特性：宏块(MB)的平均长度L(MB)，取码流单元长度B₂和进行一次重排的码流单元个数n_B2作为重排器参数来进行码流重排处理，其中参数B₂和n_B2满足以下关系式：

B₂＜L(MB)；n_B2＞(B1/B2+1)+(B1/B2)*(2*L(MB)/B₂-1)；

Images