DE19603725A1 - Verfahren zur Optimierung der Übertragung von Signalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Übertragung von Signalen, insbesondere Videosignalen, über einen Kanal vorgegebener Kanaldatenrate nach einer Quellencodierung zur Datenreduktion und einer Kanalcodierung, bei welcher den quellencodierten Signalen Redundanz als Fehlerschutz hinzugefügt wird.

Aufgrund begrenzter Resourcen zur Übertragung von Informationen (Video, Audio, Daten) bei vorhandenen und zukünftigen Netzen werden zusätzliche Maßnahmen zur Maximierung der Systemkapazität im Sinne der Teilnehmeranzahl, Dienstarten, Dienstqualität und Anwendungen getroffen.

Eine erhebliche Datenreduktion wird mit parametrischen Quellencodierverfahren - beispielsweise MPEG1, MPEG2 und MUSICAM - erzielt. Dabei setzt sich das codierte Signal aus verschiedenen Parametersätzen mit unterschiedlichem Informationsgehalt zusammen. Damit ist jedoch meist eine selektive Empfindlichkeit der codierten Signale gegenüber Übertragungsfehlern vorhanden. Sogenannte hierarchische Videocodierverfahren sind durch eine codierte Sequenz charakterisiert, die sich aus mehreren Teilsequenzen zusammensetzt, welche aus entsprechenden Codierprozessen mit unterschiedlicher Auflösung stammen und dementsprechend ebenfalls eine ungleichmäßige Fehlerempfindlichkeit aufweisen. Man kann annehmen, daß auch künftige objektorientierte Quellencodierverfahren, beispielsweise MPEG4, durch eine ungleichmäßige Fehlerempfindlichkeit der verschiedenen Objekte und/oder Teilobjekte charakterisiert sein werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, insbesondere bei zeitvarianten Kanaleigenschaften, wie sie beispielsweise in Mobilfunknetzen gegeben sind, eine Optimierung der Übertragung von Signalen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein Qualitätsparameter der übertragenen und decodierten Signale gemessen wird und daß in Abhängigkeit des gemessenen Qualitätsparameters das Verhältnis zwischen der Quellgenauigkeit der Quellencodierung und der hinzugefügten Redundanz im Sinne einer Optimierung der Übertragung gegenläufig verändert wird.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Verhältnis zwischen der Quellgenauigkeit der Quellencodierung und der hinzugefügten Redundanz ferner von Qualitätsindikatoren bezüglich der zu codierenden Quelleninformation abhängig ist. Die Qualitätsindikatoren können beispielsweise die örtliche und/oder zeitliche Auflösung eines zu übertragenden Bildes beschreiben.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der gemessene Qualitätsparameter über einen Kanal entgegengesetzter Richtung zu einer die Quellencodierung und die Kanalcodierung steuernden Einrichtung übertragen wird. Der dafür erforderliche Rückkanal ist bei vielen zur Übertragung von datenreduzierten Signalen vorgesehenen Netzen ohnehin vorhanden ist. Dieses trifft beispielsweise für Mobilfunknetze bei einer bidirektionalen Übertragung von Videosignalen zu. Anstelle des Verkehrskanals können bei digitalen Mobilfunknetzen auch verschiedene Signalisierungskanäle als Rückkanal verwendet werden.

Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß der gemessene Qualitätsparameter zur gegenläufigen Veränderung des Verhältnisses zwischen der Quellgenauigkeit der Quellencodierung und der hinzugefügten Redundanz eines Kanals in entgegengesetzter Richtung benutzt wird.

Durch die zeitvarianten Ausbreitungsbedingungen ist eine Rekonfiguration oder Adaption der funktionalen Systemkomponenten in Abhängigkeit der momentanen Kanaleigenschaften zur Gewährleistung einer bestimmten Dienstqualität erforderlich. Da dieses allein in diskreten Schritten möglich ist, ist bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Quellgenauigkeit und die Redundanz schrittweise veränderbar sind und daß die Veränderung in Abhängigkeit von dem gemessenen Qualitätsparameter in einem Iterationsprozeß erfolgt.

Eine sichere Beurteilung der Qualität der übertragenen und decodierten Signale ist bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch gegeben, daß als Qualitätsparameter die Restfehlerrate am Kanaldecoderausgang bestimmt wird.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Bestimmung der Restfehlerrate dadurch möglich, daß eine Zuverlässigkeitsinformation bei der Kanaldecodierung des übertragenen Signals gewonnen wird, daß die Zuverlässigkeitsinformation kurzfristig gemittelt wird, daß die kurzfristig gemittelte Zuverlässigkeitsinformation auf Restfehler abgebildet wird, daß die durch die Abbildung gewonnene Größe mit mindestens einer Entscheidungsschwelle verglichen wird und daß das Vergleichsergebnis als Restfehlerinformation ausgegeben wird. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, die kurzfristige Mittelung über jeweils einen Block der kanaldecodierten Signale durchzuführen.

Die Zuverlässigkeitsinformation kann durch Anwendung des Soft-Output-Viterbi-Algorithmus oder nach anderen Verfahren gewonnen werden, wie sie beispielsweise in J. Huber, A. Rüpel, "Zuverlässigkeitsschätzung für die Ausgangssymbole von Trellis-Decodern", AEÜ, Band 44, Heft 1, S. 8-21, 1990 beschrieben wird.

Diese Weiterbildung hat den Vorteil, daß dem übertragenen Signal keine zusätzliche Redundanz zur Erkennung von Restfehlern (beispielsweise zusätzliche Paritätsbits) zugefügt werden muß.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Weiterbildung besteht darin, daß die Zuverlässigkeitsinformation ferner langfristig gemittelt wird, daß mit der langfristig gemittelten Zuverlässigkeitsinformation die mit der Abbildung gewonnene Größe modifiziert wird und daß die Modifikation durch Multiplikation der mit der Abbildung gewonnenen Größe mit einer durch die Abbildung der langfristig gemittelten Zuverlässigkeitsinformation auf Restfehler gewonnenen weiteren Größe erfolgt.

Gute Ergebnisse liefert diese Weiterbildung, wenn die kurzfristig gemittelte Zuverlässigkeitsinformation mit Hilfe einer stetig fallenden Funktion, vorzugsweise mit einem Polynom, auf Restfehler abgebildet wird.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung dieser Weiterbildung besteht darin, daß die langfristig gemittelte Zuverlässigkeitsinformation auf Restfehler mit Hilfe einer fallenden Funktion abgebildet wird, die in einem mittleren Wertebereich einen negativen Sprung aufweist. Hierbei tritt eine wesentliche Reduktion der Werte der langfristig gemittelten Zuverlässigkeitsinformation auf, so daß die anschließende Signalverarbeitung stark vereinfacht wird.

Einzelheiten zum Verlauf der Funktionen sind vom Fachmann jeweils in bezug auf die spezielle Anwendung und die jeweils verarbeiteten Signale vom Fachmann zu ermitteln.

Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal ein Mobilfunkkanal mit einer Kanaldatenrate von 32 kBit/s ist. Dadurch ist jedoch die Anwendung auf andere Kanäle und andere Übertragungsverfahren nicht ausgeschlossen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 Tabellen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Ableitung eines Qualitätsparameters aus einem empfangenen Signal und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer zweiten Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 stellt eine bidirektionale Übertragung von Signalen, beispielsweise Videosignalen, über ein Telekommunikationsnetz 1 zwischen zwei Endeinrichtungen dar. In einer Richtung werden bei 2 zugeführte Signale zunächst in einem Quellencoder 3 und anschließend in einem Kanalcoder 4 codiert und über einen Multiplexer 5 einem Übertragungskanal des Telekommunikationsnetzes 1 zugeführt. Die übertragenen Signale werden nach einem Demultiplexer 6 einem Kanaldecoder 7 und danach einem Quellendecoder 8 zugeführt, an dessem Ausgang 9 die decodierten übertragenen Signale entnehmbar sind.

Ein gleichartig aufgebauter Signalweg dient zur codierten Übertragung von Signalen in umgekehrter Richtung zwischen einem Eingang 10 und einem Ausgang 11. Dieser Gegenkanal wird im folgenden nur beschrieben, sofern er zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei den zwischen dem Eingang 2 und dem Ausgang 9 übertragenen Signalen erforderlich ist.

Bei vielen Verfahren zur Quellencodierung entstehen mehrere Parametersätze, die quasi gleichzeitig zu übertragen sind. Bei einem in Fig. 2 der obengenannten Druckschrift dargestellten Hybriden-Video-Quellencoder sind beispielsweise sieben Parametersätze als Ausgangssignale vorgesehen. Der Übersichtlichkeit halber sind in Fig. 1 lediglich zwei Parametersätze dargestellt, die von Quellen Q1 und Q2 im Quellencoder 3 erzeugt werden. Die von Q1 und Q2 ausgegebenen Datenraten sind RU1 und RU2. Von dem Quellencoder 3 werden ferner Qualitätsindikatoren QI1 und QI2 ausgegeben. Den Parametersätzen wird in den Teil-Kanalcodern K1 und K2 Redundanz R1 bzw. R2 hinzugefügt, um bei der Übertragung auftretende Fehler erkennen und gegebenenfalls korrigieren zu können. Im Multiplexer 5 werden die Signale mit den Datenraten RV1 und RV2 sowie andere Signale zusammengefaßt.

Nach der Übertragung und einer Aufteilung im Demultiplexer 6 gelangen die übertragenen Signale zu den Kanaldecodern DK1 und DK2, von denen die kanaldecodierten Signale Quellendecodern S1, S2 zugeführt werden und schließlich in decodierter Form am Ausgang 9 zur Verfügung stehen.

Die Kanaldecoder DK1 und DK2 erzeugen ferner Signale QP1 und QP2, welche als Qualitätsparameter die Qualität der übertragenen und kanaldecodierten Signale beschreiben. Ein Beispiel zur Ableitung dieser Signale wird später im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert. Die Qualitätsparameter QP1 und QP2 werden über einen Multiplexer 12, den Rückkanal des Telekommunikationsnetzes 1 und einen Demultiplexer 13 wieder zu dem ersten Teilnehmer übertragen. Dort werden sie im Demultiplexer 13 von den Nutzsignalen des Rückkanals getrennt und einem Prozessor 14 zugeführt.

Der Prozessor 14 leitet aus dem jeweiligen Wert der Signale QI1 und QP1 bzw. QI2 und QP2 die günstigste Paarung zwischen der Ausgangsdatenrate des Quellencoders (Quellendatenrate RU1 bzw. RU2) und der hinzugefügten Redundanz R1 bzw. R2 ab. Dieses erfolgt für jeden Parametersatz, so daß QI1 und QPI zur Auswahl einer Paarung von RU1, R1 und QI2 und QP2 zur Auswahl einer Paarung von RU2, R2 benutzt werden. Dabei ist bei Netzen mit konstanter Bitrate zu berücksichtigen, daß die Summe aller Parametersätze nach der Kanalcodierung dieser konstanten Bitrate entsprechen muß.

Anhand der in Fig. 2 dargestellten Tabelle wird dieser Optimierungsvorgang genauer beschrieben, wobei der Übersichtlichkeit halber lediglich ein Parametersatz angenommen wird, für welchen der vollständige Kanal von 32 kBit/s zur Verfügung steht. Die Tabelle geht davon aus, daß der Quellencoder zwischen Datenraten von 8, 16, 24 und 32 kBit/s umschaltbar ist. Arbeitet der Quellencoder mit einer Datenrate von 32 kBit/s, kann keine Redundanz bei der Kanalcodierung mehr hinzugefügt werden, das heißt die Coderate ist gleich 1. Bei der Quellendatenrate von 24 werden 8 kBit/s Redundanz hinzugefügt, was eine Coderate von 2/3 ergibt. Bei 16 kBit/s ergibt sich dann eine Coderate von 1/2 und bei 8 kBit/s eine Coderate von 1/4. Diese vier Paarungen sind abhängig von vier möglichen Werten des Qualitätsparameters QP. Dazu passend ist der Kanaldecoder 7 (Fig. 1) derart ausgeführt, daß die Qualitätsparameter QP1 und QP2 auf vier Wertebereiche quantisiert sind, deren Grenzen bei p₀, p₁, p₂ liegen.

Bei einer sehr kleinen Fehlerrate von beispielsweise p0 wird die Quellendatenrate auf 32 kBit/s und die Coderate auf 1 eingestellt.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Gewinnung des Qualitätsparameters QP. Dabei erfolgt die Kanaldecodierung DK1 bzw. DK2 (Fig. 1) beispielsweise unter Anwendung des Soft-Output-Viterbi-Algorithmus (SOVA). Der Kanaldecoder 21 hat außer einem Eingang 22 und einem Ausgang 23 für das kanaldecodierte Signal einen Ausgang für eine Zuverlässigkeitsinformation.

Die Zuverlässigkeitsinformation vom Kanaldecoder 21 wird zunächst einem Mittelwertbildner 24 zugeleitet, der die Zuverlässigkeitsinformation L_k kurzfristig, d. h., bei diesem Ausführungsbeispiel für jeweils einen Block i, mittelt. Dieses erfolgt nach der Gleichung

Dabei ist K die Anzahl der Symbole pro Block und i der Index des jeweiligen Blocks.

Da gedächtsnisbehaftete Kanäle betrachtet werden, wie beispielsweise Mobilfunkkanäle, weisen die resultierenden Übertragungsfehler eine starke statistische Bindung auf (Bündelfehler). Im Fall einer begrenzten Verwürfelung der übertragenen Symbole besteht auch eine statistische Verbindung für die decodierten Symbole bzw. die zugehörige Zuverlässigkeitsinformation. Diese tritt auch bei der Verwendung eines Codes mit nicht ausreichender Korrekturfähigkeit auf.

Die Ausnutzung dieser zusätzlichen Information kann durch eine langfristige Mittelung der kurzfristigen Mittelwerte der Zuverlässigkeitsinformation erfolgen. Dazu werden die kurzfristigen Mittelwerte (m_K) bei 25 nach der Gleichung

gemittelt, wobei M die Anzahl der gemittelten Blöcke (Gedächtnis) bezeichnet.

Die kurzfristigen Mittelwerte m_K und die langfristigen Mittelwerte m_L werden bei 26 und 27 jeweils auf die Restfehler mit Hilfe von fallenden Funktionen abgebildet. Die Ausgangsgrößen der Funktionen 26 und 27 werden bei 28 multipliziert. Das entstehende Produkt wird über einen Quantisierer 29 entsprechend den Spalten BE und QP der Tabelle nach Fig. 2 zum Ausgang 30 geleitet und steht dort als Signal QP zur Verfügung. Dieses ist ein Maß für die Restfehler pro Block, wobei lediglich ausgesagt wird, ob Fehler in einem Block vorliegen. Unabhängig davon, wieviele Fehler es sind.

In vielen Fällen verhalten sich zugehörige Kanäle in beiden Richtungen sehr ähnlich, so daß die Qualitätsparameter des Kanals in der einen Richtung zur Steuerung des Kanals in der anderen Richtung verwendet werden können. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 4 dargestellt, das ansonsten demjenigen nach Fig. 1 entspricht. Die Qualitätsparameter QP1 und QP2 werden hierbei jedoch einem Prozessor 15 zur Steuerung des Quellencoders 16 und des Kanalcoders 17 zugeleitet. In entsprechender Weise erhält der Prozessor 14 Qualitätsparameter QP3 und QP4 zur Steuerung des Quellencoders 3 und des Kanalcoders 4.

Claims (13)

1. Verfahren zur Optimierung der Übertragung von Signalen, insbesondere Videosignalen, über einen Kanal vorgegebener Kanaldatenrate nach einer Quellencodierung zur Datenreduktion und einer Kanalcodierung, bei welcher den quellencodierten Signalen Redundanz als Fehlerschutz hinzugefügt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Qualitätsparameter der übertragenen und decodierten Signale gemessen wird und daß in Abhängigkeit des gemessenen Qualitätsparameters das Verhältnis zwischen der Quellgenauigkeit der Quellencodierung und der hinzugefügten Redundanz im Sinne einer Optimierung der Übertragung gegenläufig verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Quellgenauigkeit der Quellencodierung und der hinzugefügten Redundanz ferner von Qualitätsindikatoren bezüglich der zu codierenden Quelleninformation abhängig ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gemessene Qualitätsparameter über einen Kanal entgegengesetzter Richtung zu einer die Quellencodierung und die Kanalcodierung steuernden Einrichtung übertragen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gemessene Qualitätsparameter zur gegenläufigen Veränderung des Verhältnisses zwischen der Quellgenauigkeit der Quellencodierung und der hinzugefügten Redundanz eines Kanals in entgegengesetzter Richtung benutzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellgenauigkeit und die Redundanz schrittweise veränderbar sind und daß die Veränderung in Abhängigkeit von dem gemessenen Qualitätsparameter in einem Iterationsprozeß erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Qualitätsparameter die Restfehlerrate am Kanaldecoderausgang bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Restfehlerrate dadurch bestimmt wird, daß eine Zuverlässigkeitsinformation bei der Kanaldecodierung des übertragenen Signals gewonnen wird, daß die Zuverlässigkeitsinformation kurzfristig gemittelt wird, daß die kurzfristig gemittelte Zuverlässigkeitsinformation auf Restfehler abgebildet wird, daß die durch die Abbildung gewonnene Größe mit mindestens einer Entscheidungsschwelle verglichen wird und daß das Vergleichsergebnis als Restfehlerinformation ausgegeben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzfristige Mittelung über jeweils einen Block der kanaldecodierten Signale erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuverlässigkeitsinformation ferner langfristig gemittelt wird, daß mit der langfristig gemittelten Zuverlässigkeitsinformation die mit der Abbildung gewonnene Größe modifiziert wird und daß die Modifikation durch Multiplikation der mit der Abbildung gewonnenen Größe mit einer durch die Abbildung der langfristig gemittelten Zuverlässigkeitsinformation auf Restfehler gewonnenen weiteren Größe erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzfristig gemittelte Zuverlässigkeitsinformation mit Hilfe einer stetig fallenden Funktion auf Restfehler abgebildet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die stetig fallende Funktion ein Polynom ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die langfristig gemittelte Zuverlässigkeitsinformation auf Restfehler mit Hilfe einer fallenden Funktion abgebildet wird, die in einem mittleren Wertebereich einen negativen Sprung aufweist.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal ein Mobilfunkkanal mit einer Kanaldatenrate von 32 kBit/s ist.