基于自适应STBC的多天线HDA视频传输方案

孙金凯,王安红,李素月

(太原科技大学电子信息工程学院,太原 030024)

传统的数字视频组播传输方案存在“悬崖效应”,Softcast[1]利用一种类模拟传输方案克服了悬崖效应,然而压缩性能较低。李厚强提出了一种混合数模(HDA-Cast)视频传输方案[2-3],将视频信号分为数字部分和模拟部分,通过发送数字部分和模拟部分的叠加信号,在单播效率、组播效率和移动性方面都取得更好的性能。同时,近年来,多天线(MIMO)无线传输已经成为非常流行的视频传输技术[4-6],由于采用多天线发射信号,可利用多天线的发射分集增益对抗无线衰落信道的不利影响,因此,可取得比单天线系统更好的性能[6]。

空时分组码是一种多天线无线通信常用技术,通过在多个天线上发送数据流的多个副本,并利用接收的各种数据版本来提高数据传输的可靠性。一般地,空时分组码(STBC)可以通过最大似然译码算法来实现全分集[7-9]。然而,目前的多天线软视频传输由于只使用单一的STBC而不能达到更好的视频传输性能。复杂符号的正交空时分组码(OSTBC),如Alamouti码[8],在超过两个天线的情况下不可能实现全传输速率。当给定符号速率时,尽管OSTBC提供了明显的传输分集增益,但是由于发送了更多的冗余数据,其传输速率较低。Jafarkhani提出的准正交空时分组码(QSTBC)[10]虽然牺牲了完全分集,但是提供了更高的传输速率。Guo Y提出了一种基于Softcast的多天线自适应STBC方案[11],通过综合利用OSTBC与QSTBC的特性,实验结果表明:当给定符号速率时,将OSTBC与QSTBC相结合可取得好的视频恢复质量。然而,对HDA信号的多天线视频传输,如何利用自适应STBC,目前还没有研究。

综上,本文提出研究多天线HDA视频传输的自适应STBC方案,以获得利用多天线进行HDA视频传输的质量提升。主要思路是:将HDA的数据包根据重要性分为三种类型,OSTBC用于传输最重要包,QSTBC用于传输次重要包,同时丢弃与最重要包同等数量的最不重要包;进一步,为优化重要数据包的数量,推导了关于重要数据包个数与视频质量的一个闭式表达,并采用搜索法对此优化问题进行求解。同时,为了对要传输的数据包进行优化功率分配,研究采用了一种自适应的功率分配方案。实验表明,由于根据数据包的重要性自适应选择STBC,对重要数据采用高分集增益的传输,而对次重要数据包采用高速率传输、并丢弃最不重要包以节省频带,从而保证了在相同传输速率下,本文方案比纯OSTBC或纯QSTBC提供了0.2 dB～2 dB的质量提升。

1 相关理论

1.1 HDA

HDA视频编码端发送一个数字信号与模拟信号的叠加信号,此叠加信号可以在接收端被分离恢复出数字和模拟信号并解码得到重建视频。HDA发送端数字信号的产生过程是,首先用传统的数字编码器(如H.264)压缩视频源生成数字码流,并采用前向纠错编码(Forward error correction,FEC)以选定的速率对比特流进行编码,然后采用传统的数字调制(如BPSK),从而获得数字信号;模拟信号是指原始视频与重构数字视频相减的残差信号进行Softcast编码而生成的信号。在Softcast编码中,将每帧的像素划分为多个不重叠块,同时通过离散余弦变换(Discrete cosine transform,DCT)去除块内的空间相关性,然后对DCT系数进行幅度调制。HDA最后将数字信号与模拟信号通过优化的功率分配后叠加发送出去。

1.2 STBC

以4×1系统为例,传统的OSTBC设计方案如下:

(1)

式中:*表示数据的复共轭,列向量表示天线,行向量表示时隙。该方法表示在八个时隙中传输四个符号,因此,以牺牲传输速率取得分集增益。

4×1系统中,传统的QSTBC设计方案如下:

(2)

这种编码方式采用四个时隙来传输四个符号,因此传输速率更高,但缺点是不能获得全分集。

2 HDA-ASTBC传输方案

2.1 传输框架

本文提出的ASTBC传输框架如图1所示,发送端用HDA编码方式逐帧发送视频。原始视频序列S首先通过H.264/AVC视频编码、前向纠错编码和调制来进行数字处理获得数字信号。接下来,对原始视频与H.264解码重建视频的残差信号进行DCT,对得到的DCT系数采用ASTBC(见2.2、2.4节)编解码,然后对要传输的包进行功率分配(见2.3节),并与数字信号叠加传输入信道。

图1 HDA-ASTBC发送端

图2 HDA-ASTBC接收端

2.2 编码端

如图1所示,设数字信号为Sd,残差信号为Sa,将Sa的一帧分为8×8的块,每个块的DCT系数经zigzag扫描,按照从低频到高频的顺序排序,然后将不同块的同频系数构成一个包,共形成64个包,这些包也就是HDA的模拟信号,用C来表示。

由于DCT变换后,系数能量按照zigzag顺序逐次下降,能量大部分集中在低频部分,而高频部分趋近于0,因此,根据包的重要性(即DCT系数的能量),将64个包分为三个等级,即:最重要包、次重要包和不重要包。用OSTBC来传输最重要包,QSTBC传输次重要包,同时,最不重要包(数量与最重要包相同)被丢掉。

给定符号速率R,并用R(O)表示OSTBC的符号速率,用R(Q)表示QSTBC的符号速率。假设J为使用OSTBC传输的最重要包个数,则J个不重要的包会被丢掉,其余64-2J个包使用QSTBC进行发送,通过推导公式来描述在不同的信道条件下传输的优化数据包的个数,以获得最优重构视频质量,因此优化方案可以表示为:

(3)

进一步,对选中要传输的64-J个DCT系数包,根据系数方差,将模拟总功率进行分配。具体而言,假设分配给模拟信号的总功率为Pa(Pa的详细优化方法见2.3节),则对第i个DCT系数包的功率因子定义如下:

(4)

式中:λi对应第i个包的方差。至此,要传输的模拟信号包向量Sa可以表示如下:

Sa=G·K·C

(5)

具体地,Sa如公式(6)所示:

(6)

式中:{k1=k2=…=k64-J=1,k64-J+1=…=k64=0},这就意味着J个包被丢弃。

模拟信号Sa在调制完成后,与经过功率分配的数字信号Sd叠加,形成最终的传输信号X,如公式所示:

X=Sa+Sd

(7)

接下来,提出方案使用自适应的STBC在一个4×1系统中传输叠加信号X,假设信道为瑞利信道。当符号速率给定时,OSTBC以1/2的传输速率来传输最重要包,即{X1,…,XJ},QSTBC传输次重要包,即{XJ+1,…,X64-J},丢掉最不重要包,即{X64-J+1,…,X64}.因此,对只有一根天线的接收端,接收信号可以表示为:

Y=X·H+N

(8)

式中:Y=[y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7,y8]T,H=[h1,h2,h3,h4]T,h1,h2,h3,h4是信道传输增益,h1=a+bi其中a与b都是恒定的衰落系数。

2.3 功率分配优化

HDA系统中,一般假设数字部分是无失真传输的,因此重构视频的质量完全取决于模拟部分的均方误差,而模拟部分的均方误差与模拟数据方差、分配给模拟部分的功率有关。也就是说,分配给模拟部分的功率越多,恢复视频质量就越好。因此在给定总功率的情况下,可以通过合理分配数字部分与模拟部分的功率来获得更好的重构视频。TanBin等人在提出了一种新的基于叠加编码的HDA系统功率优化方案[12],该方案基于不同的视频内容来找到最合适的模拟功率,本文也根据TanBin的方法来决定本文的功率分配。

首先,本文仿真了Foreman、News视频序列中每个数据包的量化系数QP与其方差的关系,图3和图4分别给出Foreman、News两个包的量化系数QP与其方差λi的变化关系,图中可以看出,数据包的方差随QP呈对数线性变化;因此,可根据TanBin在文献[12]中提出的方案,首先推导出QP与模拟功率Pa的关系,如公式(9):

图3 Foreman中不同包方差与QP的拟合曲线

图4 News中不同包方差与QP的拟合曲线

(9)

再推导出QP与方差λi的关系,如公式(10):

λi=eki·QP+ωi

(10)

最终得到模拟失真Da与Pa的关系,即公式(11):

Da(Pa)=

(11)

根据公式(11),可以通过控制分配给模拟部分的功率Pa来最小化模拟失真,即通过视频的QP来得到数据包的方差,再通过梯度下降优化算法得到使Da最小的Pa.最后,将Pa带入公式(4),从而根据Pa对不同的数据包进行功率分配,以提升重构视频的质量。

2.4 解码端

最重要包使用OSTBC在八个时隙中传输,接收端使用最大合并比来解码OSTBC,因此公式(8)可以写为:

YOSTBC=

(12)

式中:

XOSTBC=[x1,x2,x3,x4]T,

(13)

令公式(13)左乘ΩH,令Y′=ΩH·YOSTBC,N′=ΩH·N1,则得到:

Y′=H′·XOSTBC+N′

(14)

(15)

由于次重要包使用QSTBC在四个时隙传输,因此,可以采用线性解码恢复QSBTC符号,公式(8)可以写为:

(16)

(17)

对公式(13)的每一项,左乘ΩH,可得到:

Y′=ΩH·YQSTBC=

(18)

公式(18),左乘W,可得:

Y″=W·Y′=

(19)

这里

(20)

最终所提出方案接收到的信号为:

(21)

(22)

(23)

3 结果分析

本节对论文提出的HDA-ASTBC无线视频传输方案做了初步的测试实验。采用两个标准测试序列:Foreman序列和News序列。序列的分辨率都是288×352.由于提出的优化公式中重构误差与峰值信噪比PSNR成反比,重构视频质量可以使用PSNR(dB)来衡量。因为所提述的公式不是一个简单的凸函数,不能直接得到最合适的包分配因子J直接求最小误差,因此使用网格搜索法来寻找最合适的J.这里假设信噪比已知,并将J的搜索步长设置为2.

图5和图6展示了在4×1系统中不同J和不同方案下Foreman序列和News序列的平均PSNR.a图表示使用OSTBC编码不同J个包的性能,b图表示不同方案性能的对比。虚线表示未使用功率分配的情况。J=0时表示使用纯QSTBC传输方案;J=2时表示使用OSTBC方案传输2个最重要的包,同时丢弃2个最不重要的包,使用QSTBC方案传输60个一般重要的包。图中可以看出,在选用合适的J时,提出的方案总能得到最高的PSNR,相较于纯QSTBC方案,PSNR能够提高(0.2～2)dB左右。

图5 丢包数量与视频恢复质量的关系-foreman序列

图6 丢包数量与视频恢复质量的关系-news序列

4 总结

本文提出了一种基于自适应STBC的多天线HDA视频传输方案。在4×1系统中,在模拟部分与数字部分进行功率优化分配后,为了在传输分集中获得增益,使用OSTBC传输最重要包,同时丢弃最不重要包,次重要包使用QSTBC发送。实验结果显示,提出方案比只使用OSTBC或QSTBC提供了更好的视频传输质量。