基于信道特性的混合数字模拟视频传输方案

张 帆，王安红

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)



基于信道特性的混合数字模拟视频传输方案

张 帆，王安红

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)

无线视频组播在无线网络中的应用越来越多，如何使具有异构特性的视频组播用户得到与其信道条件相匹配的视频质量和实现视频质量的平滑降级，是无线视频组播面临的难题。提出了一种基于信道特性的混合数字模拟视频传输(Hybrid Digital-Analog video transmission，HDACast)方案。将数字编码和模拟编码的优势结合，利用子载波分配算法实现HDACast方案的传输，同时利用注水算法作为功率分配算法，从而实现了性能的进一步提升。与具有相同目标的视频软播(SoftCast)和HDACast的仿真结果比较表明了该方案具有更高的单播效率和组播效率。

信道特性；子载波分配；功率分配

无线视频组播在无线网络中是一个很重要的应用，例如：移动电视，移动视频电话，无线视频会议等，其主要的挑战是不同的用户有不同的信道条件及视频质量的平滑降级。

传统的数字视频传输方案由数字视频压缩编码和数字信道编码组成。数字视频传输方案只适合于视频单播，当其应用于视频组播时，会引起用户之间的不公平性。数字视频传输方案仅支持如802.11协议中所规定的特定比特率，即当视频用低比特率传输时，对具有较好信道条件的用户不公平；当视频用高比特率传输时，信道条件差的用户不能解码视频，同样引起了用户之间的不公平。此外，传统的数字方案会引起悬崖效应，包括两种，第一种是当信道信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)大于某一值时，视频恢复质量不会升高，原因是信源编码的量化技术带来了不可恢复的失真；第二种是当信道SNR小于某一值时，视频恢复质量急剧下降，原因是纠错码不能准确的纠错。

分层数字方案的出现缓解了悬崖效应，即，将分层视频编码和分层视频传输方案结合。具体而言，数字视频广播地面标准(Digital Video Broadcast- Terrestrial，DVB-T)[1]将可伸缩视频编码(Scalable Video Coding，SVC)[2]和异构调制(Hierarchical Modulation，h-mod)[3]相结合。通过上述方案，信道条件差的接收者只能接收基本层数据，从而得到基本的视频质量，而信道条件好的接收者则能接收到基本层和增强层数据，从而得到更好的视频质量。但是，分层数字方案由于只有有限的层数，因此并没有彻底解决悬崖效应，它只是将大的悬崖变为了小的阶梯，出现了阶梯效应。

视频软播(SoftCast)[4]，即模拟方案，的出现完全克服了悬崖效应，实现了视频质量的平滑降级。不同于传统的视频传输方案，SoftCast的发送端包括离散余弦变换(Discrete Cosine Transform，DCT)，功率分配，白化。SoftCast在有损的信道中传输DCT系数，信道噪声直接加在DCT系数上，这就使得接收者的重构视频质量仅仅取决于接收者的信道信噪比(Channel SNR，CSNR).应用于视频组播时，用户通过接收不同数目的数据包，SoftCast也能够提供可伸缩的视频质量。但是，由于SoftCast没有使用预测编码，因此，其编码效率较低。

除了数字方案和模拟方案，近几年也提出了混合数字模拟方案。例如DCast[5]，WaveCast[6]，HDACast[7]等。DCast在视频组播中应用了分布式源编码理论，避免了错误蔓延的同时达到了更高的编码效率。WaveCast基于三维小波变换，使用运动补偿时域滤波器来探索帧间冗余，同时使用传统的数字框架传输运动信息。由于WaveCast在有损的模式下直接传输DWT系数，因此实现了视频组播中要求的平滑降级。国内的研究人员也提出了一些视频组播方案[8-10]，但是这些传输方案都是将数字调制和模拟调制的信号进行叠加或者使用时分或者带分的方式进行传输。

通过上述分析，无线视频传输方案在以下两个方面应该有更好的性能：(1)单播效率。一个静态接收者的接收视频质量越高，则单播效率越高。(2)组播效率。组播效率越高，则每一个接收者都能接收到匹配其信道条件的恢复视频质量。即，反映了所有接收者之间的公平性。

然而，上述方案的传输均没有考虑信道特性，因此在HDACast方案的基础上，提出了基于信道特性的混合数字模拟视频传输方案。通过子载波分配实现对数字调制信号和模拟调制信号的传输，同时采用注水算法作为功率分配算法，从而实现了性能的进一步提升。实验结果表明，与SoftCast和HDACast相比，本文方案取得了更好的单播效率和组播效率。

1 HDACast方案

HDACast由数字部分和模拟部分组成。在发送端，视频序列首先通过H.264/AVC编码器进行编码，编码得到的码流经过信道编码，调制和能量分配，得到数字部分的输出。而残差则采用修正的视频软播(Modified SoftCast，MSoftCast)进行处理，即DCT变换，能量分配，随机重排，从而得到模拟部分的输出。然后，数字部分和模拟部分的输出进行叠加，传输进入OFDM信道：

x=xd+xa

(1)

式中，xd是数字部分的输出，xa是模拟部分的输出，x是两部分的叠加，即传输信号。

HDACast方案中功率分配的原则是保证数字部分可以准确恢复：

(2)

式中，Pa和Pd分别是是分配给xa和xd的平均能量。N0是信道噪声的平均方差，γ0是保证数字部分解码的误码率(BitRateError，BER)小于目标BER的最小SNR.

2 基于信道特性的混合数字模拟视频传输方案

提出的传输方案如图1所示。在编码端，视频序列首先通过H.264/AVC编码器进行编码，所得比特流通过前向纠错(ForwardErrorCorrecting，FEC)编码和调制，得到数字部分的输出xd；而残差则使用模拟编码器进行编码，即通过DCT变换，功率分配和哈达玛变换(Hardmard transform，Had)，得到模拟部分的输出xa.两部分的输出传输进入正交频分复用信道(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)[11]信道。

图1 本文方案框图Fig.1 The framework of our proposed scheme

图2 OFDM信道Fig.2 OFDM channel

在OFDM信道中的传输过程如图2所示。 在发送端，数字部分和模拟部分首先根据信道状态信息(Channel State Information，CSI)进行子载波和功率分配，之后进行N点逆傅里叶变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)，插入循环前缀(Cyclic Prefix，CP)消除符号间干扰(Intersymbol Inference，ISI)，所得OFDM传输符号送入加性噪声信道。接收端的过程与发送端的过程相反。

值得注意的是DCT系数的标准差作为边信息，使用数字部分进行传输。

2.1 数字编解码部分

数字编解码部分将H.264/AVC和FEC、调制相结合。具体而言，调制方案使用了二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)，信道编码则使用了卷积码。

2.2 模拟编解码部分

对于模拟编解码部分，我们采用了与SoftCast方案类似的方法。与Softcast方案不同的是，解码端使用了哈达玛逆变换和MMSE进行解码。

模拟编码过程如下：

1)残差通过DCT变换得到DCT系数s(k)，s(k)进行功率分配得到xa0(k)：

xa0(k)=g(k)s(k)

(3)

式中，g(k)是能量分配伸缩因子，如下式所示：

(4)

式中，σs(k)是第k个子带的标准差，P是DCT系数的功率。

2)功率分配之后的信号xa0(k)经过哈达玛变换得到xa(k)：

xa(k)=Had×xa0(k)

(5)

式中，Had代表哈达玛变换。

3)模拟编码的输出xa(k)通过OFDM信道，得到接收信号ya0(k)：

ya0(k)=xa(k)+e(k)

(6)

式中，e(k)是信道加性噪声。

模拟解码过程如下：

1)ya0(k)进行哈达玛逆变换，得到ya0′(k)：

ya0′(k)=Had-1×ya0(k)

(7)

式中，Had-1代表哈达玛逆变换。

(8)

2.3 基于信道特性的子载波和功率分配

HDACast方案的传输并没有考虑实际的信道特性。因此我们考虑利用信道特性实现数据传输，从而实现对HDACast传输方式的改进。由于数字部分对重构视频质量有重要的影响。因此，通过子载波和功率分配实现对数字部分的保护。

(9)

假设Ns个信道条件最好的子载波用来传输数字部分xd，而剩余Nw个子载波用来传输模拟部分xa，则数字部分的BERd为：

(10)

为了保证本文方案和参考方案的传输速率一致，Ns和Nw的值分别为：

(11)

(12)

式中，Md和Ma分别是本文方案中数字部分和模拟部分的星座图大小，Md_ref和Ma_ref分别是参考方案中数字部分和模拟部分的星座图大小。

为了进一步正确解码H.264/AVC码流和边信息，功率分配是很必要的。为了对功率进行更精细的分配，我们采用基于信道特性的注水算法[12]作为功率分配方案。功率分配的公式如下所示：

(13)

图3 注水算法Fig.3 Water-filling algorithm

2.4 等效信道增益

视频组播应用中，不同的用户有不同的信道条件，因此需要找到等效的组播信道函数增益来容纳这种用户的异构特性。在方案中，我们定义等效组播信道函数增益为所有用户在第n个子信道的信道函数增益的最大值：

(14)

3 实验结果分析

本文方案与两种方案进行比较：(1)SoftCast方案；(2)HDACast方案。标准“Foreman”序列[13]作为测试序列，分辨率为352288，帧率为30Hz/s.实验中，CSNR的范围是0dB-25dB，DCT的分块大小为88，采用1/12的卷积码，分配给数字部分和模拟部分的子载波数目相等。

实验分为两组：(1)单播效率；(2)组播效率；我们利用PSNR来衡量三种视频组播方案的重构效果，其中，PSNR的定义如下：

(15)

式中，L是用来编码像素的比特数，n和m是一帧图像中的列数和行数，I是解码帧，K是原始帧。

3.1 单播效率

图4 单播效率Fig.4 Unicast efficiency

仿真一组单播实验，该实验中，接收端是一个静态接收者，其CSNR固定，三种方案在相同的CSNR下进行比较。图4是三种不同方案的PSNR比较

图5 组播效率Fig.5 Multicast efficiency

曲线。从图中可以看出：(1)方案实现了视频质量的平滑降级；(2)方案比HDACast方案提升了0.3 dB到5.6 dB；(3)方案比SoftCast方案提升了大约11 dB.因此，方案取得了更好的单播效率。

3.2 组播效率

我们仿真一组组播实验，该实验中，发送端是固定的，接收端有三个组播用户。三个用户的CSNR分别为2 dB，12 dB，23 dB.三种方案的不同用户的PSNR比较如图5所示。从图中可以看出，本文方案比其他两种方案取得了更高的组播效率，具体而言，SoftCast方案的PSNR分别为25.96 dB，33.04 dB，39.25 dB；HDACast方案的 PSNR分别为36.38 dB，41.65 dB，45.68 dB；本文方案的PSNR分别为40.22 dB，48.46 dB，52.18 dB.

4 结论

提出了一种基于信道特性的混合数字模拟视频传输方案，该方案将数字编码和模拟编码的优势结合，充分利用信道特性，通过子载波分配实现了数字部分和模拟部分的传输，同时采用注水算法作为功率分配算法，实现了性能的进一步提升。与SoftCast和HDACast的比较表明了本文方案达到了更好的单播和组播效率。

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Hybrid Digital-analog Scheme for Video Transmission Based on Channel Characteristics

ZHANG Fan，WANG An-hong

(School of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Wireless video multicast is becoming more and more popular in the applications of wireless network.However，the major challenge is that the heterogeneous receivers should obtain video quality matched with channel condition，and video quality should degrade gracefully.This study proposes Hybrid Digital-analog video transmission scheme (HDACast) based on wireless channel characteristics，which combines the advantages of digital coding with analog coding.Subcarrier allocation is utilized to realize the transmission of HDACast scheme.In addition，water-filling algorithm is used as the power allocation strategy，which realizes the further performance improvement.The simulation results show the advantages in unicast and multicast efficiency of our scheme over SoftCast and HDACast which have the same motivations.

channel characteristics，subcarrier allocation，power allocation

2015-01-27

国家自然基金(61272262)；山西省回国留学人员科研资助项目(2014-056)；教育部新世纪优秀人才项目(NCET-12-1037)

张帆(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向为视频编解码和传输。

1673-2057(2015)06-0430-06

TN919.8

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.06.004