CN103338412A - 结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统 - Google Patents

Abstract

一种结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统，涉及一种移动无线调制与编码的应视频编码方法，包括编码端、无线信道和解码端，编码端的物理层AMC技术和链路层ARQ技术经由无线信道上传至解码端MCS编号值，编码端至解码端获取最大重传次数，解码端应用层通过自适应视频编码系统做出适应性调整；本发明通过物理层、链路层、应用层之间的反馈协作感知信道变化从而改变发送端应用层输出码率和接收端的解码速率，有效提高了无线传输视频的输出质量。

Description

结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统

【技术领域】

本发明涉及一种移动无线调制与编码的自适应视频编码方法，尤其是涉及一种结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统。

【背景技术】

已知的，无线视频通信已成为第三代以及第四代移动通信业务发展的核心组成部分，也是各大通信运营商新的业务拓展方向；无线视频也满足人们日益增长的视频通信需求，通过通信运营商提供随时随地的高质量视频服务，可以满足视频商务会议、林业防火、教育以及其它需求；本领域研究人员为了提供更好的高质量服务，在无线通信和视频编码领域做出了大量的研究和试验；近些年，无线视频通信以及相关领域的技术都已经取得了巨大的发展。在无线通信方面，新的无线技术标准如WiFi，WiMAX，3G，Beyond3G，LTE等等为视频通信提供了更广阔的舞台；在视频编码方面，国际标准化组织ISO/国际电工委员会IEC制定的MPEG系列和国际电信联盟ITU-T制定的H.26x系列以及中国自主知识产权的AVS(Audio VideoCodingStandard Workgroup of China，AVS)都一直推动着视频标准的发展，这些标准的制定使得相关视频编码能够满足从无线流媒体到高清晰数字电视等具有不同质量要求的一系列应用。然而，尽管这些技术已经取得了很大的发展，但由于无线信道具有很多特殊的特征，在无线环境中实时传输高质量的视频仍然面临着巨大的挑战，主要干扰原因有以下几点。

1)、带宽波动大：

无线信道的吞吐量会受到多径衰落、时延扩展、噪声影响和多址干扰等因素的影响，无线信道的容量会随着基站与移动主机之间的距离的变化而波动。当移动终端在不同网络间移动时，信道带宽往往会发生剧烈的变化，这种剧烈变化又会进一步导致接收端图像质量的剧烈波动，影响人的主观感受。

2)、有限的信道带宽资源：

与一般的数据业务不同，视频的播放有严格的实时性要求，这就要求传输网络能够为视频传输提供足够的带宽。而无线网络的信道带宽资源非常有限，为了能在有限的网络带宽中传输海量的视频数据，必须采用高效的压缩算法和解压算法。因此，面向无线通信环境的视频编码不仅应该具有高效的压缩能力，还必须进行有效的码率控制，使得编码端的输出码率能够与信道带宽良好匹配。

3)、高信道误码率：

与有线信道相比，无线信道具有较大的噪声。无线网络的时变特性与噪声影响常常使传输的可靠性大为降低，在无线传输中经常会出现连续的、突发性的传输错误。无线信道的误码率一般在10^-5以上，有时甚至高达10^-2。高度压缩后的视频码流存在很强的相关性，因此对传输时所产生的误码非常敏感，一旦发生了误码，不仅影响该帧误码数据的恢复，还会影响与之相关的其他帧数据的恢复，造成“差错蔓延”(Error Propagation)，使恢复出来的信号发生严重错误，从而对重建的视频质量有着破坏性的影响。

由于存在着这些问题，无线视频传输的鲁棒性成为了无线视频通信系统的关键技术难题，设计合适的自适应编码系统对于保证实时视频传输质量起到至关重要的作用。该系统应当能够自适应地消除无线信道带宽波动和较高误码率对无线视频传输的不良影响。

【发明内容】

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统，本发明通过物理层、链路层、应用层之间的反馈协作感知信道变化从而改变发送端应用层输出码率和接收端的解码速率，有效提高了无线传输视频的输出质量。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统，包括编码端、无线信道和解码端；编码端的物理层AMC技术和链路层ARQ技术经由无线信道上传至解码端MCS编号值，编码端至解码端获取最大重传次数，解码端应用层通过自适应视频编码系统做出适应性调整。

所述的结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统，其中编码端的物理层将该层针对信道质量的进行自适应调制编码(AMC)后选择的调制编码方案(MCS)信息上报给编码段的应用层，从而获取了当前的信道状况，以便编码段链路层做出适应性调整；

进一步、链路层通过ARQ技术将当前帧的重传次数N_i及最大重传次数N_max上报给编码端的应用层；

所述编码端的应用层根据链路层和物理层上报的信息以及发送缓冲池中的容量使用率δ_send来调整编码时的码率R_send，从而避免通过无线信道重传造成的发送时延和信道占用；

经过无线信道至接收端的视频信息根据接收缓冲池中的容量使用率δ_recive调整视频的解码速率R_recive，从而使视频播放质量在主观上得到保证；

所述自适应调制与编码针对场景可建模如下：

A、视频传输系统包括三个部分：编码端、无线信道、解码端；

B、物理层使用AMC技术，设共有N种MCS，分别对应N种不同SNR取值区间；

C、针对不同的信道状况和MCS下的预期丢包率为P_n(n＝1，2，…，N)；

D、链路层采用截断ARQ技术保障错误数据的重传，定义单个帧的最大允许重传次数为N_max，期望重传次数为N′_n；

E、分别定义编码端和解码端的缓冲池容量使用率为δ_send、δ_recive。并根据使用率的值将缓冲池状态分为三种状态：欠饱和(0＜δ＜1/4)、饱和(1/4≤δ＜3/4)、过饱和(3/4≤δ＜1)。

所述的结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统，具体方案包括以下步骤：

A、应用层根据物理层采用的AMC技术方案，使用各个MCS对应的信道SNR区间的中值SNR_n(n＝1，2，…，N)估算各个方案对应的吞吐率R_n(n＝1，2，…，N)和丢包率P_n(n＝1，2，…，N)；

B、物理层上报目前采用的MCS编号n；

C、应用层根据当前采用的MCS编号n确定当前的R_n和P_n；

D、链路层将当前通过ARQ技术设定的最大允许重传次数N_max上报给应用层；

E、应用层根据预期的丢包率P_n和链路层上报的N_max计算每一个帧重传次数的期望值：

$N_n^{\′}=(1-P_n^{N_{\max }+1})/(1-P_n)$

F、发送端应用层为了降低由于数据包重传带来的延时，将发送速率调整为

R′_send＝R_n/N′_n

G、发送端根据发送缓冲池中的容量使用率δ_send的大小继续调整最终的发送速率

$R_{\mathrm{send}}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&gamma;}}_1{R}_{\mathrm{send}}^{\&prime;},& \mathrm{if}0<{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{send}}<1/4\\ {\mathrm{\&gamma;}}_2{R}_{\mathrm{send}}^{\&prime;},& \mathrm{if}1/4\&le;{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{send}}<3/4\\ {\mathrm{\&gamma;}}_3{R}_{\mathrm{send}}^{\&prime;},& \mathrm{if}3/4\&le;{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{send}}<1\end{array}\right.$

其中γ₁、分别对应缓冲池中各种状态下的速率调整参数，可根据实际环境灵活选取；

H、接收端根据接收缓冲池中的容量使用率δ_recive的大小以及MCS对应的吞吐率估值R_n调整解码速率

$R_{\mathrm{recive}}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&tau;}}_1{R}_n,& \mathrm{if}0<{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{recive}}<1/4\\ {\mathrm{\&tau;}}_2{R}_n,& \mathrm{if}1/4\&le;{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{recive}}<3/4\\ {\mathrm{\&tau;}}_3{R}_n,& \mathrm{if}3/4\&le;{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{recive}}<1\end{array}\right.$

其中τ₁、分别对应缓冲池中各种状态下的速率调整参数，可根据实际环境灵活选取。

所述的结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统，编码端包含帧间预测编码、帧内预测编码、交织编码或熵编码。

所述的结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统，无线信道状况可建模为高斯信道、瑞利信道或莱斯信道等，系统采用自适应调制的方式针对不同的信道状况改变调制模式和编码速率降低由于多径衰落和多普勒效应对传输质量的影响。

所述的结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统，解码端为移动通信中移动台；或计算机终端；或信号传输塔架基站的解码系统；或机顶盒；或手机终端。

所述的结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统的应用，所述自适应调制与编码的自适应视频编码系统适用于物理条件可以接受的任一标准中。

所述的结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统的应用，适用于3G/LTE环境中；或适用于wifi通信的环境下；或3G/LTE环境与wifi通信的融合的系统平台。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明所述的结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统，本发明是基于物理层、链路层、应用层之间的反馈协作感知信道变化从而改变发送端应用层输出码率和接收端的解码速率，最终提高无线传输视频的输出质量；本发明公开的方案不同于之前应用于有线网络环境下的视频传输，打破OSI模型中各层独立的传输方式，更好地适应了视频流在信道条件多变的无线环境中的传输。

【附图说明】

图1是本发明的无线信道下的视频传输系统结构示意图；

图2是本发明的各层协作具体方案示意图；

【具体实施方式】

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进；需要说明的是：对于本发明实施例中描述的仅仅是实现本发明的典型个例，并非实现本发明的全部实施例，本领域技术人员在无需创造性劳动下所获取本发明的等同以替换及变劣的实施例均属于本发明的保护范围。

结合附图1或2中所述的结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统，本发明针对视频在无线环境中传输的场景；目的是在于提出一种结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统的可实施方案。

传统的视频编码系统通常都基于通信系统层次结构(OSI标准分层)，这种结构中各层之间对数据传输中的差错控制方案相对独立，这种层次结构能够很好地应用于有线网络，但是并不能灵活适用于性能受信道衰落影响剧烈的无线移动信道；为了更好的适应信道变化，本发明采用“物理层、链路层、应用层”协作的方式实现视频在无线环境下的自适应机制；通过收集各个层中的反馈信息，在无线传输的编码端和解码端采取相应的措施保障最终的视频接收质量。

进一步，本发明的技术方案主要包括：

1.物理层将该层针对信道质量的进行自适应调制编码(AMC)后选择的调制编码方案(MCS)信息上报给编码段的应用层，从而等于告知了当前的信道状况。

2.链路层通过ARQ技术将当前帧的重传次数N_i及最大重传次数N_max上报给编码端的应用层。

3.编码端的应用层根据链路层和物理层上报的信息以及发送缓冲池中的容量使用率δ_send来调整编码时的码率R_send，从而避免因重传造成的发送时延。

4.接收端根据接收缓冲池中的容量使用率δ_recive调整视频的解码速率R_recive，从而让视频播放质量在主观上得到保证。

结合附图1本发明针对场景可建模如下：

F、视频传输系统包括三个部分：编码端、无线信道、解码端。

G、物理层使用AMC技术，设共有N种MCS，分别对应N种不同SNR取值区间。

H、针对不同的信道状况和MCS下的预期丢包率为P_n(n＝1，2，…，N)。

I、链路层采用截断ARQ技术保障错误数据的重传，定义单个帧的最大允许重传次数为N_max，期望重传次数为N′_n。

J、分别定义编码端和解码端的缓冲池容量使用率为δ_send、δ_recive。并根据使用率的值将缓冲池状态分为三种状态：欠饱和(0＜δ＜1/4)、饱和(1/4≤δ＜3/4)、过饱和(3/4≤δ＜1)。

结合附图2本发明具体方案包括以下步骤：

I、应用层根据物理层采用的AMC技术方案，使用各个MCS对应的信道SNR区间的中值SNR_n(n＝1，2，…，N)估算各个方案对应的吞吐率R_n(n＝1，2，…，N)和丢包率P_n(n＝1，2，…，N)。

J、物理层上报目前采用的MCS编号n。

K、应用层根据当前采用的MCS编号n确定当前的R_n和P_n。

L、链路层将当前通过ARQ技术设定的最大允许重传次数N_max上报给应用层。

M、应用层根据预期的丢包率P_n和链路层上报的N_max计算每一个帧重传次数的期望值：

$N_n^{\&prime;}=(1-P_n^{N_{\max }+1})/(1-P_n)$

N、发送端应用层为了降低由于数据包重传带来的延时，将发送速率调整为

R′_send＝R_n/N′_n

O、发送端根据发送缓冲池中的容量使用率δ_send的大小继续调整最终的发送速率

$R_{\mathrm{send}}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&gamma;}}_1{R}_{\mathrm{send}}^{\&prime;},& \mathrm{if}0<{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{send}}<1/4\\ {\mathrm{\&gamma;}}_2{R}_{\mathrm{send}}^{\&prime;},& \mathrm{if}1/4\&le;{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{send}}<3/4\\ {\mathrm{\&gamma;}}_3{R}_{\mathrm{send}}^{\&prime;},& \mathrm{if}3/4\&le;{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{send}}<1\end{array}\right.$

其中γ₁、分别对应缓冲池中各种状态下的速率调整参数，可根据实际环境灵活选取。

P、接收端根据接收缓冲池中的容量使用率δ_recive的大小以及MCS对应的吞吐率估值R_n调整解码速率。

$R_{\mathrm{recive}}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&tau;}}_1{R}_n,& \mathrm{if}0<{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{recive}}<1/4\\ {\mathrm{\&tau;}}_2{R}_n,& \mathrm{if}1/4\&le;{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{recive}}<3/4\\ {\mathrm{\&tau;}}_3{R}_n,& \mathrm{if}3/4\&le;{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{recive}}<1\end{array}\right.$

其中τ₁、分别对应缓冲池中各种状态下的速率调整参数，

可根据实际环境灵活选取。

下面给出本发明的一些较佳实施例

假定物理层的可以选择的MCS有4种，分别对应四种预计的吞吐率R₁、R₂、R₃、R₄和估计的丢包率P₁、P₂、P₃、P₄。链路层采用截断ARQ技术选择的最大允许重传次数为N_max＝3。发送缓冲池处于过饱和状态，接受缓冲池处于欠饱和状态。接下来设物理层目前采用的是第三种MCS，则本发明阐述的方案执行步骤如下：

A、物理层上报目前采用的MCS编号n＝3。

B、应用层根据当前采用的MCS编号n确定当前的吞吐率为R₃＝1Mbps，丢包率为P₃=0.02。

C、链路层将当前通过ARQ技术设定的最大允许重传次数N_max＝3上报给应用层。

D、应用层根据预期的丢包率P₃和链路层上报的N_max计算每一个帧重传次数的期望值：

N′₃＝(1-0.02³⁺¹)/(1-0.02)＝1.02

E、发送端应用层为了降低由于数据包重传带来的延时，将发送速率调整为

R′_send＝R₃/N′₃＝980kbps

发送端根据发送缓冲池中的容量使用率的状态(过饱和，即3/4≤δ_send)继续调整最终的发送速率R_send＝γ₃R′_send＝735，此处取γ₃＝。

F、接收端根据接收缓冲池中的容量使用率的状态(欠饱和，即0＜δ_recive＜)和预计的吞吐率估值R₃调整解码速率R_recive＝τ₁R_n＝500，此处取τ₁＝。

本发明未详述部分为现有技术。

Claims (8)

1.一种结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统，包括编码端、无线信道和解码端，其特征是：编码端的物理层AMC技术和链路层ARQ技术经由无线信道上传至解码端MCS编号值，编码端至解码端获取最大重传次数，解码端应用层通过自适应视频编码系统做出适应性调整。

2.根据权利要求1所述的结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统，其特征是：其中编码端的物理层将该层针对信道质量的进行自适应调制编码(AMC)后选择的调制编码方案(MCS)信息上报给编码段的应用层，从而获取了当前的信道状况，以便编码段链路层做出适应性调整；

进一步、链路层通过ARQ技术将当前帧的重传次数N_i及最大重传次数N_max上报给编码端的应用层；

所述编码端的应用层根据链路层和物理层上报的信息以及发送缓冲池中的容量使用率δ_send来调整编码时的码率R_send，从而避免通过无线信道重传造成的发送时延和信道占用；

经过无线信道至接收端的视频信息根据接收缓冲池中的容量使用率δ_recive调整视频的解码速率R_recive，从而使视频播放质量在主观上得到保证；

所述自适应调制与编码针对场景可建模如下：

A、视频传输系统包括三个部分：编码端、无线信道、解码端；

B、物理层使用AMC技术，设共有N种MCS，分别对应N种不同SNR取值区间；

C、针对不同的信道状况和MCS下的预期丢包率为P_n(n＝1，2，…，N)；

D、链路层采用截断ARQ技术保障错误数据的重传，定义单个帧的最大允许重传次数为N_max，期望重传次数为N′_n；

分别定义编码端和解码端的缓冲池容量使用率为δ_send、δ_recive。并根据使用率的值将缓冲池状态分为三种状态：欠饱和(0＜δ＜1/4)、饱和(1/4≤δ＜3/4)、过饱和(3/4≤δ＜1)。

3.根据权利要求2所述的结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统，其特征是：具体方案包括以下步骤：

A、应用层根据物理层采用的AMC技术方案，使用各个MCS对应的信道SNR区间的中值SNR_n(n＝1，2，…，N)估算各个方案对应的吞吐率R_n(n＝1，2，…，N)和丢包率P_n(n＝1，2，…，N)；

B、物理层上报目前采用的MCS编号n；

C、应用层根据当前采用的MCS编号n确定当前的R_n和P_n；

D、链路层将当前通过ARQ技术设定的最大允许重传次数N_max上报给应用层；

E、应用层根据预期的丢包率P_n和链路层上报的N_max计算每一个帧重传次数的期望值：

$N_n^{\&prime;}=(1-P_n^{N_{\max }+1})/(1-P_n)$

F、发送端应用层为了降低由于数据包重传带来的延时，将发送速率调整为

R′_send＝R_n/N′_n

G、发送端根据发送缓冲池中的容量使用率δ_send的大小继续调整最终的发送速率

$R_{\mathrm{send}}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&gamma;}}_1{R}_{\mathrm{send}}^{\&prime;},& \mathrm{if}0<{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{send}}<1/4\\ {\mathrm{\&gamma;}}_2{R}_{\mathrm{send}}^{\&prime;},& \mathrm{if}1/4\&le;{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{send}}<3/4\\ {\mathrm{\&gamma;}}_3{R}_{\mathrm{send}}^{\&prime;},& \mathrm{if}3/4\&le;{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{send}}<1\end{array}\right.$

其中γ₁、分别对应缓冲池中各种状态下的速率调整参数，可根据实际环境灵活选取；

H、接收端根据接收缓冲池中的容量使用率δ_recive的大小以及MCS对应的吞吐率估值R_n调整解码速率

$R_{\mathrm{recive}}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&tau;}}_1{R}_n,& \mathrm{if}0<{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{recive}}<1/4\\ {\mathrm{\&tau;}}_2{R}_n,& \mathrm{if}1/4\&le;{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{recive}}<3/4\\ {\mathrm{\&tau;}}_3{R}_n,& \mathrm{if}3/4\&le;{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{recive}}<1\end{array}\right.$

其中τ₁、分别对应缓冲池中各种状态下的速率调整参数，可根据实际环境灵活选取。

4.根据权利要求1所述的结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统，其特征是：编码端包含帧间预测编码、帧内预测编码、交织编码或熵编码。

5.根据权利要求1所述的结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统，其特征是：无线信道状况可建模为高斯信道、瑞利信道或莱斯信道，系统采用自适应调制的方式针对不同的信道状况改变调制模式和编码速率降低由于多径衰落和多普勒效应对传输质量的影响。

6.根据权利要求1所述的结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统，其特征是：解码端为移动通信中移动台；或计算机终端；或信号传输塔架基站的解码系统；或机顶盒；或手机终端。

7.根据权利要求1～6任一权利要求所述的结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统的应用，其特征是：所述自适应调制与编码的自适应视频编码系统适用于物理条件可以接受的任一标准中。

8.根据权利要求7所述的结合无线自适应调制与编码的自适应视频编码系统的应用，其特征是：适用于3G/LTE环境中；或适用于wifi通信的环境下；或3G/LTE环境与wifi通信的融合的系统平台。

Images