基于信道特性的自适应分层视频传输方法技术

一种在物理层对具有不同重要性的视频数据提供不同的保护、从而最终提高视频恢复质量的基于信道特性的自适应分层视频传输方法。技术方案是：包括下列步骤：发送端读入视频序列并采用SVC编码器对视频进行编码，对编码生成的BL和EL比特流，采用16QAM进行调制，根据反馈信道传输来的CSI，进行子载波分配和功率分配，BL和EL符号分别进行串并转换，混合进行IFFT，插入循环前缀，进行并串转换，送入信道；接收端的过程与发送端的过程相反，所得比特流输入SVC解码器进行解码得到BL和EL数据，接收能力弱的接收者接收到BL数据，恢复低分辨率视频，而接收能力强的接收者接收到两层数据，恢复高分辨率视频。

【技术实现步骤摘要】
基于信道特性的自适应分层视频传输方法
本专利技术属于视频传输方法
，具体涉及一种在物理层对具有不同重要性的视频数据提供不同的保护、从而最终提高视频恢复质量的基于信道特性的自适应分层视频传输方法。
技术介绍
随着无线网络和移动终端的快速发展，无线视频传输技术变得越来越普遍，因此，如何在无线网络中提供更好的视频服务已成为无线视频传输领域的一个研究热点。目前，无线组播是无线视频传输的一个重要方式，其目的是由视频服务器将一个视频信号同时传递给多个用户，每个用户得到自己的恢复视频。由于多个用户具有异构的信道条件(例如，基站同所有的用户进行通信，离基站较近的用户接收能力强，而那些离基站较远的用户接收能力较差)，因此，无线视频组播面临的最主要的挑战是如何使具有异构特性的多个接收者得到与其信道条件相匹配的恢复质量。在传统的分层无线视频传输系统中，物理层不加区别地对待来自上层的视频数据流，即对收到的视频数据流采用固定的信道编码和调制技术进行处理。然而，对新兴的视频应用来说，视频数据流的不同比特数据对用户预期的服务质量(user-perceivedqualityofservice，QoS)有着不同的重要性和影响。例如，采用分层的可伸缩视频编码(ScalableVideoCoding，SVC)技术，视频被编码为基础层和增强层，基本层的数据丢失比增强层的数据丢失所导致的QoS退化更严重，因此，重要的数据需要被重点保护。对此，地面数字视频广播(DigitalVideoBroadcast-Terrestrial，DVB-T)标准采用分层的无线视频传输方式(即将分层的视频编码框架和分层的视频传输框架结合)，来解决异构用户的质量匹配问题。具体而言，DVB-T采用分层的SVC将视频编码为基础层和增强层，然后，采用分层传输技术保证接收能力较弱的接收者接收到基本层数据，从而解码出基本质量的视频，而接收能力较强的接收者则能接收到基础层和增强层，并解码出具有更好质量的视频。在新的数字视频广播系统中，开始使用分层调制(HierarchicalModulation，H-mod)技术来实现具有不同优先级数据流的无线传输。H-mod的核心思想是将数据流的不同层信号分别映射为一个符号流，然后将不同层的符号叠加在一起进行传输。由于基本层数据的映射星座比增强层数据的映射星座更加稀疏，这样在解码端基本层的数据就更容易被区分。然而，现有的H-mod存在两个问题：第一，硬件实现的限制，第二：性能的限制。针对H-mod出现的问题，LinCai等人提出了可伸缩调制(ScalableModulation，S-mod)。S-mod通过将不同层比特映射到具有不同最小欧几里得距离的星座，实现对不同层的保护。该方法的灵活性很高，可以为视频传输提供更多的选择。然而，当星座点密集时，S-mod方案的误码率会升高。HaoCui等人提出了混合调制(MixCastModulation，MixCast)。MixCast调制将基础层和增强层比特通过算术加权和操作得到任意数目的无线符号。通过对重要比特设置较大权重系数，从而保护了重要比特。MixCast调制存在两个问题：第一，解调算法复杂度较高；第二，解调过程的错误蔓延将导致视频质量的严重退化。同时，现有方案没有考虑信道特性，这就使得分层的视频传输仍然面临很多挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种根据实际的传输信道特性，在物理层对具有不同重要性的视频数据提供不同的保护，以有效克服现有视频传输技术不考虑信道特性的缺点，从而最终提高视频恢复质量的基于信道特性的自适应分层视频传输方法。本专利技术的技术方案是：一种基于信道特性的自适应分层视频传输方法，其特征是包括下列步骤：发送端采用SVC进行信源编码生成不同层的视频数据；利用反馈的信道特性对不同层的视频数据分配不同的子载波进行传输；对不同的子载波采用注水算法进行功率分配等，实验表明，本方案使不同的接收者能够恢复与其信道条件相匹配的视频质量，从而实现了自适应分层视频传输。具体操作步骤是：Ⅰ.发送端，主要包括分层的SVC视频编码，正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技术，子载波分配，注水算法等，包括下列步骤：⑴.读入视频序列；⑵.使用SVC编码器对视频序列编码，生成一个基本层(BaseLayer，BL)和一个增强层(EnhancementLayer，EL)；⑶.将编码生成的BL和EL比特流使用16正交幅度调制(16QuadratureAmplitudeModulation，16QAM)进行调制，其调制原则是将相邻的四个二进制比特0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000，1001，1010，1011，1100，1101，1110，1111调制成相应的符号-3-3j，-3-j，-3+3j，-3+j，-1-3j，-1-j，-1+3j，-1+j，3-3j，3-j，3+3j，3+j，1-3j，1-j，1+3j，1+j；⑷.根据反馈信道传输来的信道状态信息，包括信道传递函数H和信道噪声方差E，对每个子信道对应的Hn进行排序，使得|Ho(1)|2≥|Ho(2)|2≥......≥|Ho(N)|2,其中N为子信道总数，Hn是第n个子信道的传递函数，n∈[1,N]，索引值通过函数n＝o(m)进行表示，其中m∈[1,N]；⑸.根据索引值n＝o(m)，BL符号选择|Hn|2值最大，也即信道质量最好的X1个子信道进行传输；EL符号则用剩余的X2个子信道进行传输，其中X1+X2≤N；⑹.将BL和EL符号根据注水算法进行功率分配，对信道质量好，|Hn|2大的子信道，分配大的信号功率；对|Hn|2小的子信道分配小的信号功率，具体分配原则如式(1)所示：其中，En是第n个子信道的噪声方差,Hn是第n个子信道的传递函数，式中，选择使其满足其中Power是总功率；在本专利方案中，如果某一个子信道的归一化噪声特别高，当时，那么这个子信道不被使用；⑺.将功率分配之后的BL和EL符号分别从串行信号转换为两个列数相同的并行信号，并将两个并行信号按第Ⅰ部分的步骤⑸所示原则混合得到S(n)，对S(n)进行N点逆傅里叶变换(IFFT)，得到w(n)＝PowernF-1(S(n))，其中，F-1代表逆傅里叶变换，Powern是第n个子信道分配的功率；⑻.将w(n)根据公式(2)插入循环前缀(Cyclicprefix，CP)，得到u(n)：其中，TCP是大小为P×N的插入循环前缀矩阵，其中P＝N+L，L是循环前缀的长度，TCP的矩阵形式如式(3)所示：其中，IN是大小为N×N的单位阵，ICP是大小为L×N的单位阵。⑼.将u(n)进行并串转换得到OFDM传输符号；⑽.将OFDM传输符号送入信道，发射到接收端。Ⅱ.接收端，接收端的过程与发送端的过程是相反的，包括下列步骤：⑴.将接收到的串行信号转换为并行信号y(n)，这里y(n)可用式(4)表示：其中，hl是信道冲击响应，η(n)为信道加性噪声，H0是大小为P×P的矩阵，如式(5)所示：H1是大小为P×P的矩阵，如式(6)所示：⑵.将y(n)去除循环前缀得到x(n)，如式(7)所示：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于信道特性的自适应分层视频传输方法，其特征是包括下列步骤：发送端采用可伸缩视频编码(Scalable Video Coding，SVC)进行信源编码生成不同层的视频数据；对不同层视频数据采用不同的调制方法；利用反馈的信道特性对不同层的视频数据分配不同的子载波进行传输；对不同的子载波采用注水算法进行功率分配。

【技术特征摘要】
1.一种基于信道特性的自适应分层视频传输方法，其特征是包括下列步骤：在视频组播的场景中，当接收端有多个用户时，使用等效传递函数；发送端采用可伸缩视频编码(ScalableVideoCoding，SVC)进行信源编码生成不同层的视频数据；利用反馈的信道特性对不同层的视频数据分配不同的子载波进行传输；对不同的子载波采用注水算法进行功率分配；最终保证不同的用户可以得到匹配其信道质量的视频；其中，Ⅰ.所述发送端采用SVC进行信源编码生成不同层的视频数据，包括分层的SVC视频编码、正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技术、子载波分配以及注水算法过程，具体包括下列步骤：⑴.读入视频序列；⑵.使用SVC编码器对视频序列编码，生成一个基本层(BaseLayer，BL)和一个增强层(EnhancementLayer，EL)；⑶.将编码生成的BL和EL比特流使用16正交幅度调制(16QuadratureAmplitudeModulation，16QAM)进行调制，其调制原则是将相邻的四个二进制比特0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000，1001，1010，1011，1100，1101，1110，1111调制成相应的符号-3-3j，-3-j，-3+3j，-3+j，-1-3j，-1-j，-1+3j，-1+j，3-3j，3-j，3+3j，3+j，1-3j，1-j，1+3j，1+j；⑷.根据反馈信道传输来的包括信道传递函数H和信道噪声方差E的信道状态信息，对每个子信道对应的Hn进行排序，使得|Ho(1)|2≥|Ho(2)|2≥......≥|Ho(N)|2,其中N为子信道总数，Hn是第n个子信道的传递函数，n∈[1,N]，索引值通过函数n＝o(m)进行表示，其中m∈[1,N]；⑸.根据索引值n＝o(m)，BL符号选择|Hn|2值最大，也即信道质量最好的X1个子信道进行传输；EL符号则用剩余的X2个子信道进行传输，其中X1+X2≤N；⑹.将BL和EL符号根据注水算法进行功率分配，对信道质量好，|Hn|2大的子信道，分配大的信号功率；对|Hn|2小的子信道分配小的信号功率，具体分配原则如式(1)所示：其中，En是第n个子信道的噪声方差,Hn是第n个子信道的传递函数，式中，选择使其满足其中Power是总功率；如果某一个子信道的归一化噪声特别高，当时，那么这个子信道不被使用；⑺.将功率分配之后的BL和EL符号分别从串行信号转换为两个列数相同的并行信号，并将两个并行信号按第Ⅰ部分的步骤⑸所示原则混合得到S(n)，对S(n)进行N点逆傅里叶变换(IFFT)，得到w(n)＝PowernF-1(S(n))，其中，F-1代表逆傅里叶变换，Powern是第n个子信道分配的功率；⑻.将w(n)根据公式(2)插入循环前缀(Cyclicprefix，CP)，得到u(n)：其中，TCP是大小为P×N...

【专利技术属性】
技术研发人员：王安红，张帆，马晓莉，王海东，邢彩荣，
申请(专利权)人：太原科技大学，
类型：发明
国别省市：山西;14