基于晶格量化的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視頻聯(lián)合信源信道編碼方法

為提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸質(zhì)量，提出一種基于晶格量化的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視頻聯(lián)合信源信道編碼方法。首先，利用多描述聯(lián)合信源信道編碼的信號(hào)源并行信道傳輸方案，建立高斯視頻源傳輸?shù)亩嗝枋霆?dú)立的并行信道傳輸框架；其次，采用晶格尺度量化方法分別考慮有或無(wú)邊信息解碼器情形下實(shí)現(xiàn)模擬映射帶寬的降低，通過(guò)帶寬擴(kuò)展來(lái)提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸性能；最后，通過(guò)與VPS、FMS和DMUS 3種算法在編碼冗余度、編碼速率、峰值信噪比、端到端視頻幀延遲及有效損失率指標(biāo)上的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

引言

近年來(lái)，基于移動(dòng)技術(shù)的視頻傳輸(如在線游戲直播、體育直播等)己成為熱門流媒體應(yīng)用，視頻傳輸流量也出現(xiàn)快速增長(zhǎng)[1]。2012年視頻流量約占總流量的58%，2017年將達(dá)到70%左右。2012~2017年，移動(dòng)總流量將增長(zhǎng)14倍左右[2]。如何保證在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)下確保超清視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允欠?wù)商面臨的主要難題。

雖然，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已為用戶提供不同的互聯(lián)網(wǎng)接入方法，但單一網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力仍存在限制，無(wú)法提供滿意的移動(dòng)視頻傳輸性能[3]。WLAN網(wǎng)絡(luò)存在的主要問(wèn)題是帶寬受限，覆蓋范圍小，無(wú)法滿足大量移動(dòng)用戶的移動(dòng)視頻服務(wù)需求。WiMAX網(wǎng)絡(luò)相對(duì)可提供更廣的覆蓋范圍和更高峰值速率，但用戶共享量較大時(shí)，多媒體實(shí)時(shí)高吞吐量需求無(wú)法滿足。單一網(wǎng)絡(luò)性能受限使得異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)帶寬整合問(wèn)題得到學(xué)者們的高度重視。經(jīng)典聯(lián)合信源信道編碼[4](Joint Source-Channel Coding，JSCC)主要研究?jī)?nèi)容是信道編碼和信源的速率最優(yōu)化，以及視頻數(shù)據(jù)糾錯(cuò)編碼和信道狀態(tài)：(1)信道編碼和信源編碼比優(yōu)化，例如文獻(xiàn)[5、6]；(2)在設(shè)定信道參數(shù)和狀態(tài)情形下，如何對(duì)編碼速率進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到需要的傳輸目標(biāo)，例如文獻(xiàn)[7]；(3)信道編碼的可靠性改進(jìn)，如噴泉碼、Turbo等；(4)聯(lián)合編碼優(yōu)化算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能提升，如文獻(xiàn)[8]；文獻(xiàn)[9]研究了在帶寬限制情況下的編碼速率最優(yōu)化問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)視頻端到端失真的最小化。

但是，上述算法利用差錯(cuò)控制方式，但并未考慮信道本身存在的故障問(wèn)題，容易造成傳輸數(shù)據(jù)視頻傳輸質(zhì)量的弱化，影響用戶體驗(yàn)和視頻服務(wù)質(zhì)量。對(duì)此，本文主要針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸問(wèn)題，在解碼器中利用晶格量化轉(zhuǎn)換進(jìn)行了多描述聯(lián)合信源信道編碼方法研究，目的是獲得低失真和低延遲視頻傳輸方案。

1問(wèn)題模型描述

利用多描述聯(lián)合信源信道編碼（MD-JSCC）的信號(hào)源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并行信道傳輸方案如圖1所示。

則稱率失真五元組(R1，R2，D0，D1，D2)是可以實(shí)現(xiàn)的。其中，MD-SC問(wèn)題的率失真區(qū)域R(D0，D1，D2)是速率對(duì)(R1，R2)的閉包集合。該區(qū)域中有或沒(méi)有邊信息(SI)事先是未知的。例外情形是二次高斯MD-SC情形，即高斯源和二次失真函數(shù)：

2基于晶格量化器的模擬MD-JSCC方案

2.1多重描述的模擬映射

2.2晶格量化器

l維晶格是歐氏空間的離散子群，可描述為：

2.3編碼-解碼過(guò)程

其中，θ是旋轉(zhuǎn)角度。輸出的最大相關(guān)可利用旋轉(zhuǎn)角度θ=π/2獲得，可參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。所提聯(lián)合模擬信源信道MD編碼方案如圖2所示。

圖2中，(S1，S2)可通過(guò)以下步驟編碼X1：

(2)情形2：（有SI可用編碼器）將遵循情形1編碼，除輔助變量初始對(duì)(Z1，Z2)0，其替代形式為：

3實(shí)驗(yàn)分析

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)置

選取Exata作為網(wǎng)絡(luò)仿真器，設(shè)置如下：仿真平臺(tái)版本是Exata 2.1，該平臺(tái)是由QualNet開(kāi)發(fā)的高級(jí)模擬版本，可用來(lái)進(jìn)行半實(shí)物環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)仿真。為實(shí)現(xiàn)獲得H.264實(shí)時(shí)視頻流的目的，利用Exata 2.1與本文算法進(jìn)行整合開(kāi)發(fā)，具體開(kāi)發(fā)細(xì)節(jié)可參照Exata使用手冊(cè)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，預(yù)留有線網(wǎng)絡(luò)接入端口，端配的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口有WiMAX接口、WLAN接口和HSDPA接口。通過(guò)IP地址綁定可建立客戶端與服務(wù)端的連接。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)有關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

本文將所提SCLQ-JSCC算法同下列多路徑/異構(gòu)網(wǎng)視頻傳輸方案進(jìn)行對(duì)比：(1)虛擬路徑傳輸系統(tǒng)(Virtual Path System，VPS)。該方法采用噴泉碼進(jìn)行異構(gòu)網(wǎng)視頻傳輸路徑構(gòu)建，在算法實(shí)現(xiàn)中，參數(shù)更新周期為0.5 s。噴泉碼數(shù)據(jù)包大小是8 B，符號(hào)長(zhǎng)度為512 B。(2)媒體流量分配策略(Media Flow Rate Allocation，MFRA)。該策略采用使用率最大算法進(jìn)行多路徑視頻傳輸?shù)木幋a速率和冗余度優(yōu)化，視頻層數(shù)設(shè)定為數(shù)值1，因?yàn)镾VC/H.264編碼的可伸縮性。

3.2結(jié)果分析

為對(duì)所提SCLQ-JSCC算法性能進(jìn)行驗(yàn)證，選擇可容忍的傳輸丟失率對(duì)前向糾錯(cuò)碼(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)冗余度和視頻編碼速率進(jìn)行對(duì)比。

圖4所示為3種對(duì)比算法冗余度和視頻編碼速率兩項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比情況。從圖4(a)可看出，所提SCLQ-JSCC算法在編碼冗余度指標(biāo)要明顯優(yōu)于VPS以及MFRA兩種算法，同時(shí)MFRA策略因?yàn)榭紤]到了冗余度優(yōu)化問(wèn)題，其冗余度要優(yōu)于VPS策略。根據(jù)圖4(b)所示可知，在視頻編碼速率指標(biāo)上，本文算法要優(yōu)于選取的兩種對(duì)比策略，而VPS策略因?yàn)榭紤]到了虛擬路徑傳輸問(wèn)題，因此其編碼速率要高于MFRA算法。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，視頻接收的PSNR指標(biāo)(峰值信噪比)標(biāo)準(zhǔn)差、均值和瞬時(shí)值對(duì)比結(jié)果如表2所示。表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在PSNR指標(biāo)均值上，本文算法在City等4組視頻傳輸上要始終高于VPS以及MFRA兩種算法，這表明混在傳輸信號(hào)中的失真相對(duì)最小，本文算法的視頻復(fù)原質(zhì)量相對(duì)更好。而在PSNR指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差上，本文算法的標(biāo)準(zhǔn)差最小，這表明所提算法視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性更好。

圖5所示結(jié)果為視頻傳輸過(guò)程中的幀延遲累積分布。根據(jù)圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文所提SCLQ-JSCC 算法的幀延遲要顯著低于VPS以及MFRA兩種算法，這體現(xiàn)了所提算法的低延遲特性，雖然VPS算法中考慮了虛擬路徑傳輸問(wèn)題，但是視頻幀丟失后需要重新搭建虛擬路徑，因此會(huì)影響視頻幀的傳輸延遲。

圖6所示為[30，80]s時(shí)間段內(nèi)的有效損失率指標(biāo)對(duì)比情況，需注意視頻傳輸過(guò)程中的PSNR值不但與損失率有關(guān)聯(lián)，同時(shí)還和視頻幀丟失情況有關(guān)，因此該指標(biāo)可一定程度上體現(xiàn)視頻傳輸過(guò)程的質(zhì)量變化。

根據(jù)圖6所示可知，在有效損失率指標(biāo)上，本文算法要小于選取的VPS及MFRA算法，MFRA因?yàn)椴捎昧艘曨l分流傳輸技術(shù)，導(dǎo)致其在損失率上要高于VPS及本文SCLQ-JSCC算法。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提算法在視頻數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和傳輸速度上的優(yōu)勢(shì)。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出基于晶格量化的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視頻聯(lián)合信源信道編碼方法，建立高斯視頻源傳輸?shù)亩嗝枋霆?dú)立并行信道傳輸框架，采用晶格尺度量化方法實(shí)現(xiàn)模擬映射帶寬降低，通過(guò)帶寬擴(kuò)展來(lái)提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸性能。今后將主要針對(duì)多接入中繼信道或多跳網(wǎng)絡(luò)MD-JSCC方案模擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。