蜂窩視頻編碼與傳輸中的容錯(cuò)技術(shù)研究.pdf

1、隨著第三代、第四代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)正方興未艾，吸引越來(lái)越多的注意力。但是，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的低帶寬、高抖動(dòng)、高誤碼等特點(diǎn)，以及基于時(shí)域參考的預(yù)測(cè)編碼機(jī)制，都導(dǎo)致了視頻信息在蜂窩網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)傳輸時(shí)面臨包丟失造成的質(zhì)量受損等挑戰(zhàn)。雖然現(xiàn)有的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)都提供了編碼與傳輸?shù)娜蒎e(cuò)技術(shù)，但這些技術(shù)能否適用于蜂窩視頻，需要進(jìn)行驗(yàn)證或有針對(duì)性地改進(jìn)。本文主要針對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)上視頻編碼與傳輸中的容錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行了多方面的研究，這些研

2、究工作對(duì)于蜂窩視頻的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。本文中，蜂窩視頻定義為基于蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線視頻通信。具體地說(shuō)，本文的研究工作可以概括如下： 首先介紹了蜂窩視頻編碼與傳輸所涉及的相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)：視頻編碼的基本原理及視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程、無(wú)線視頻編碼與傳輸中的容錯(cuò)技術(shù)現(xiàn)狀及各自特點(diǎn)。對(duì)蜂窩視頻的應(yīng)用場(chǎng)景及相關(guān)協(xié)議、面臨的主要挑戰(zhàn)和目前的研究方向，也作了相應(yīng)的闡述。 跨層設(shè)計(jì)打破了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次間的約束，通過(guò)對(duì)各層參數(shù)的提取分析

3、和信息共享，實(shí)現(xiàn)了資源的最優(yōu)化配置并達(dá)到全局性能最優(yōu)。論文對(duì)基于跨層技術(shù)的蜂窩視頻容錯(cuò)編碼技術(shù)進(jìn)行了研究，并提出了兩個(gè)分別適用于下行和上行蜂窩網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)視頻編碼方案。針對(duì)移動(dòng)基站能夠提供視頻軟件代理的情況，提出了基于跨層丟幀的容錯(cuò)性視頻編碼方案：在鏈路層不對(duì)等重傳的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)鏈路層和應(yīng)用層(編碼器)跨層反饋，實(shí)現(xiàn)編碼器動(dòng)態(tài)的參考幀選擇和刷新，將無(wú)線信道突發(fā)的連續(xù)性丟幀錯(cuò)誤擴(kuò)散為主動(dòng)的分散性丟幀，以達(dá)到更為有效的視頻編碼傳輸和更高質(zhì)

4、量的接收端重建視頻。考慮到在目前的2.5G移動(dòng)基站上設(shè)置視頻代理需要巨大的改造和安裝成本，提出了一種無(wú)需在基站上設(shè)置軟件代理的蜂窩視頻容錯(cuò)編碼方案。該方案面向上行蜂窩網(wǎng)絡(luò)的視頻傳輸，在不對(duì)現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)基站軟硬件進(jìn)行改動(dòng)或升級(jí)投資的條件下，通過(guò)基于預(yù)測(cè)的鏈路層丟幀感知和鏈路層到應(yīng)用層的跨層反饋，來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼器對(duì)信道波動(dòng)的自適應(yīng)策略調(diào)整，從而達(dá)到增強(qiáng)的容錯(cuò)性能。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：所提的基于跨層反饋的容錯(cuò)編碼方案均優(yōu)于未考慮跨層技術(shù)的編碼

5、方案。 在基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)流媒體等存儲(chǔ)視頻業(yè)務(wù)中，不對(duì)等錯(cuò)誤保護(hù)是對(duì)信道等帶寬資源進(jìn)行優(yōu)化分配的一種有效措施。而不對(duì)等保護(hù)的關(guān)鍵，是準(zhǔn)確而快速地進(jìn)行不同視頻內(nèi)容單元(宏塊、片/片組或幀)的重要性判別。在對(duì)已有的傳輸失真(其大小用來(lái)判斷內(nèi)容單元的重要性)估算方案研究分析的基礎(chǔ)上，對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)上視頻成幀丟失造成的圖像組級(jí)(GOP-level)傳輸失真的估算進(jìn)行了建模。首先，在分析傳輸誤差的傳播鏈路和GOP級(jí)傳輸失真計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用

6、存儲(chǔ)視頻流中預(yù)先計(jì)算得到的運(yùn)動(dòng)矢量等信息，設(shè)計(jì)了一種GOP級(jí)傳輸失真的遞推計(jì)算算法。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)成幀丟失GOP內(nèi)失真?zhèn)鞑デ€的統(tǒng)計(jì)分析，提出了基于線性分段擬合的GOP級(jí)傳輸失真快速估計(jì)模型?；谏鲜鏊惴ê湍Ｐ停l(fā)送端可以準(zhǔn)確快速地估算出每幀圖像的GOP級(jí)傳輸失真，為圖像幀不對(duì)等重要性的準(zhǔn)確判決提供依據(jù)。通過(guò)對(duì)不同場(chǎng)景下多個(gè)典型視頻測(cè)試序列的仿真，結(jié)果證實(shí)了本文所提算法和模型的準(zhǔn)確性和魯棒性。 靈活宏塊排序(FMO)是H.2

7、64/AVC標(biāo)準(zhǔn)提出的一種用來(lái)增強(qiáng)錯(cuò)誤掩蓋性能的視頻片劃分技術(shù)。但FMO存在分片之間重要性無(wú)法辨別的缺點(diǎn)，導(dǎo)致其難以和UEP技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用。論文提出了一個(gè)新的用于不對(duì)等保護(hù)的視頻片組(Slicegroup)劃分方案。通過(guò)對(duì)基于RS碼的FEC信道編碼后視頻包丟失概率的推導(dǎo)分析發(fā)現(xiàn)，在片組劃分的宏塊分配比例和保護(hù)能力之間存在一個(gè)折衷。而找到這個(gè)最優(yōu)的折衷，即最優(yōu)的片組間宏塊分配比例，就會(huì)在給定信道資源條件下得到最小的期望傳輸總失真。基于此

8、，提出了一個(gè)用于不對(duì)等保護(hù)的失真最小的片組劃分方案。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，基于失真最小的視頻分割方案在R_D性能上要優(yōu)于現(xiàn)有的片組間宏塊平均分配的劃分方案。 論文最后介紹了自主設(shè)計(jì)的基于CDMA2000－1X的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及其容錯(cuò)措施。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于DSP和CPU的嵌入式實(shí)現(xiàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，提出了提出一套適于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的、信道自適應(yīng)的容錯(cuò)方案，有效地降低因發(fā)送碼率與信道有效帶寬不匹配造成的擁塞丟包概率。同時(shí)，改進(jìn)的AIMD控制算法也