一種基于部分協(xié)作通信協(xié)議的自適應(yīng)可分級視頻傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，具體地說本發(fā)明設(shè)及一種基于部分協(xié)作通信協(xié)議的自 適應(yīng)可分級視頻傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[000引 協(xié)作通信框架由Sendonaris和Laneman等學(xué)者提出（Sendonaris A，Erkip E， Aazhang B. User cooperation diversity-Part I: system description[J]. IEEE Transactions on Communications,2003,51(11): 1927-1938.)，其核屯、思想是使得單天線 的移動終端源節(jié)點(diǎn)可W擁有一個(gè)或者多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，這樣源節(jié)點(diǎn)即利用了自己有利用了中 繼節(jié)點(diǎn)的空間通道，從而獲得空間分集增益，提高通信系統(tǒng)的可靠性和傳輸速率。顯然協(xié)作 通信可W看作是一個(gè)分布式的ΜΙΜΟ系統(tǒng)，其單個(gè)/多個(gè)中繼聯(lián)合信源組成發(fā)送端的虛擬 ΜΙΜΟ陣列，W克服移動終端尺寸下不足W容納多根發(fā)送天線的弊端，而不同的中繼協(xié)議和 中繼選擇策略則可^用來克服信道拓樸尺寸和質(zhì)量的波動。目前協(xié)同通信的研究熱點(diǎn)主要 包括:不同中繼協(xié)議下的傳輸性能分析，中繼選擇策略，中繼通信中的資源分配技術(shù)。
[000引可分級視頻編碼（Scalable Video Coding, SVC)技術(shù)（Schwarz H，Marpe D, WiegandT.Overview of the scalable video coding extension of the H.264/AVC standard[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2007,17(9) :1103-1120.)產(chǎn)生的分層碼流具有層進(jìn)的空時(shí)分辨率W及碼率，只需編碼一 次，接收用戶可W根據(jù)信道帶寬、信道質(zhì)量W及終端尺寸自適應(yīng)的調(diào)整接收視頻的質(zhì)量。顯 然和傳統(tǒng)單層固定碼率的視頻編碼相比，它大大增強(qiáng)了視頻編碼對于帶寬和質(zhì)量多變的無 線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性。
[0004]近幾年來，逐漸有研究人員利用協(xié)作通信框架進(jìn)行多媒體視頻數(shù)據(jù)傳輸。其中 Guan，Wu，Cosman 等人（Guan Z Y，Ding L，Melodia T，et al.On the Effect of Cooperative Relaying on the Performance of Video Streaming Applications in Cognitive Radio Networks[C].//IEEE International Conference on Communications,Kyoto,Japan,2011:1-6.,Wu Y S,Nguyen T V，Yeh C H et al.Scalable video streaming transmission over cooperative communication networks based on frame sig打ific過打ce 過打過lysis[C].//IEEE I打ter打過tio打過1 Co打fere打ce on Sig打過1 Processing,Communication and Computing(ICSPCC),Hong Kong,China,2012:274-279., Cosman P C，Milstein L B.Double-Layer Video Transmission Over Decode-and-Forward Wireless Relay Networks Using Hierarchical Modulation[J]. IEEE Transactions on Image Processing,2014,23(4) :1791-1804.)研究的核屯、思路是根據(jù)可 分級視頻碼流的重要性分級，通過不等重信道編碼或者分級調(diào)制技術(shù)保障關(guān)鍵碼流的優(yōu)先 魯棒傳輸。不難看出上述自適應(yīng)傳輸方案，大多基于傳統(tǒng)協(xié)作通信協(xié)議，在直傳信道較差 時(shí)，多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)使用波束成型技術(shù)能最大限度利用陣列增益，從而大大提高目的端數(shù)據(jù) 接收的魯棒性，但其帶寬利用率較化（只有50%)，在信道較好時(shí)，不利于高碼率視頻壓縮碼 流的有效傳輸。為改善運(yùn)一不足，Xia〇(Xia〇 Η J，Dai Q H，Ji X Y，et al.A Novel JSCC Framework With Diversity Multiplexing Coding Gain Tradeoff for Scalable Video Transmission Over Cooperative MIM0[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology,2010,20(7) :994-1006.)提出基于信道狀態(tài)，在一個(gè)傳輸 時(shí)隙中，在直傳和AF兩種協(xié)議下動態(tài)切換的視頻傳輸方案。但在一個(gè)傳輸時(shí)隙，傳輸機(jī)制只 能被配置為直傳/A刊辦議中的一種，顯然運(yùn)種方案控制不夠靈活，不能夠有效適配具有不同 率失真特性的視頻分層壓縮碼流和多變的信道情況。而且上述技術(shù)方案均沒有結(jié)合源、中 繼功率分配進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，為無線協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提供一種基 于部分協(xié)作通信協(xié)議的自適應(yīng)可分級視頻傳輸方法。包括W下步驟：
[0006] 步驟1、從源節(jié)點(diǎn)S向目的節(jié)點(diǎn)D傳輸可分級視頻編碼碼流，可分級視頻編碼碼流由 獨(dú)立可解的編碼碼流單元SlKScalable化it)組成，對編碼碼流單元SU進(jìn)行重要性評估，即 采用平均差錯(cuò)傳播區(qū)域作為評價(jià)指標(biāo)，定量計(jì)算評估每個(gè)碼流單元的重要性等級；
[0007] 步驟2、基于部分協(xié)作通信協(xié)議的傳輸資源分配優(yōu)化，即在給定的傳輸總功率和帶 寬約束下，W最小化目的節(jié)點(diǎn)重建視頻的平均差錯(cuò)傳播區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)，采用改進(jìn)的差分演化 算法對可分級視頻編碼碼流單元的傳輸參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，包括對可分級視頻編碼碼流單 元的優(yōu)先級劃分、不等重信道編碼保護(hù)效率W及源、中繼節(jié)點(diǎn)的功率分配等關(guān)鍵傳輸參數(shù) 進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，得到優(yōu)化結(jié)果；
[0008] 步驟3,根據(jù)步驟2得到的傳輸參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，對可分級視頻編碼碼流單元進(jìn)行 不等重信道編碼保護(hù)；
[0009] 步驟4、基于部分協(xié)作通信協(xié)議的碼流傳輸，即根據(jù)步驟2中得到的傳輸參數(shù)的優(yōu) 化結(jié)果，分配源和中繼的傳輸功率，然后按照部分協(xié)作通信協(xié)議逐帖傳輸信道編碼后的碼 流。
[0010] 其中，步驟1中，采用如下公式評估分級視頻編碼碼流單元的重要性等級：
[0011]
[0012] 其中Z(t，q)表示時(shí)域分辨率等級為t，最高時(shí)域分辨率等級為T，質(zhì)量域等級為q的 編碼碼流單元丟失引起的差錯(cuò)傳播區(qū)域大小，Cl、C2為模型參數(shù)。
[0013] 步驟2包括W下步驟：
[0014] 步驟2-1，在給定的總傳輸功率Ρτ和帶寬Βτ約束下，從源節(jié)點(diǎn)S向目的節(jié)點(diǎn)D傳輸可 分級視頻編碼碼流，根據(jù)可分級視頻編碼碼流的率失真特性和無線信道的實(shí)時(shí)衰落情況， 將可分級視頻產(chǎn)生的編碼碼流單元按照重要性等級差異，分為高優(yōu)先級HP (High Priority,HP)碼流單元和低優(yōu)先級LP(；Low Priority,LP)碼流單元，設(shè)SU(p，q)表示第p帖 可分級視頻的第q級質(zhì)量層編碼碼流單元，其長度為B(p，q)，若q = 0表示該編碼碼流單元SU 為基本層壓縮數(shù)據(jù)單元;而當(dāng)q〉〇，表示其為質(zhì)量增強(qiáng)層的第q級壓縮數(shù)據(jù)單元；用式(2)中 的參數(shù)ε (P，q)表示重要性等級劃分的結(jié)果：
[0015]
[0016] 當(dāng)ε (p，q) = 1時(shí)，表示洲(p，q)被劃分成為高優(yōu)先級HP碼流單元，當(dāng)ε (p，q) = 0時(shí)， 表示SU(p，q)被劃分成為低優(yōu)先級LP碼流單元；
[0017] 其中高優(yōu)先級HP碼流單元的傳輸借助于兩個(gè)W上中繼節(jié)點(diǎn)通過放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通 信協(xié)議進(jìn)行傳輸，用R康示第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，1引1挪]，飾表示中繼節(jié)點(diǎn)的總數(shù)，下標(biāo)1?是中 繼Relay的簡寫字母。低優(yōu)先級LP碼流單元的傳輸通過源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D直接傳輸；
[0018] 步驟2-2,設(shè)源節(jié)點(diǎn)的傳輸功率為Ps，中繼節(jié)點(diǎn)的總傳輸功率為扣，源節(jié)點(diǎn)S和中繼 節(jié)點(diǎn)Ri之間信道增益系數(shù)為，中繼節(jié)點(diǎn)Ri和目的節(jié)點(diǎn)D間的信道增益系數(shù)為，源節(jié) 點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)直傳的信道增益為hsD，無線信道噪聲服從高斯白噪聲模型，功率為巧％通過 如下公式計(jì)算LP碼流單元通過源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D直接傳輸?shù)牡刃鬏斝旁氡券熝?
[0019]
[0020] 通過如下公式計(jì)算HP碼流單元通過放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)作通信協(xié)議進(jìn)行傳輸?shù)牡刃鬏?信噪比&?。?br>[0021]
[0022] 其中X,寬，表示多中繼鏈路通過最優(yōu)波束成型技術(shù)形成的等效傳輸信噪比，通過如 下公式計(jì)算r置。：
[0023]
[0024] 步驟2-3,將不