0 引言

    近年來，基于移動(dòng)技術(shù)的視頻傳輸(如在線游戲直播,、體育直播等)己成為熱門流媒體應(yīng)用,，視頻傳輸流量也出現(xiàn)快速增長^[1]。2012年視頻流量約占總流量的58%,，2017年將達(dá)到70%左右,。2012~2017年,，移動(dòng)總流量將增長14倍左右^[2]。如何保證在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)下確保超清視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允欠?wù)商面臨的主要難題,。

    雖然,，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已為用戶提供不同的互聯(lián)網(wǎng)接入方法，但單一網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力仍存在限制,，無法提供滿意的移動(dòng)視頻傳輸性能^[3],。WLAN網(wǎng)絡(luò)存在的主要問題是帶寬受限，覆蓋范圍小,，無法滿足大量移動(dòng)用戶的移動(dòng)視頻服務(wù)需求,。WiMAX網(wǎng)絡(luò)相對(duì)可提供更廣的覆蓋范圍和更高峰值速率，但用戶共享量較大時(shí),，多媒體實(shí)時(shí)高吞吐量需求無法滿足,。單一網(wǎng)絡(luò)性能受限使得異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)帶寬整合問題得到學(xué)者們的高度重視。經(jīng)典聯(lián)合信源信道編碼^[4](Joint Source-Channel Coding,，JSCC)主要研究內(nèi)容是信道編碼和信源的速率最優(yōu)化,，以及視頻數(shù)據(jù)糾錯(cuò)編碼和信道狀態(tài)：(1)信道編碼和信源編碼比優(yōu)化，例如文獻(xiàn)[5,、6],；(2)在設(shè)定信道參數(shù)和狀態(tài)情形下，如何對(duì)編碼速率進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到需要的傳輸目標(biāo),，例如文獻(xiàn)[7],；(3)信道編碼的可靠性改進(jìn)，如噴泉碼,、Turbo等,；(4)聯(lián)合編碼優(yōu)化算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能提升,，如文獻(xiàn)[8],；文獻(xiàn)[9]研究了在帶寬限制情況下的編碼速率最優(yōu)化問題，可實(shí)現(xiàn)視頻端到端失真的最小化,。

    但是,，上述算法利用差錯(cuò)控制方式，但并未考慮信道本身存在的故障問題,，容易造成傳輸數(shù)據(jù)視頻傳輸質(zhì)量的弱化，影響用戶體驗(yàn)和視頻服務(wù)質(zhì)量,。對(duì)此,，本文主要針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸問題，在解碼器中利用晶格量化轉(zhuǎn)換進(jìn)行了多描述聯(lián)合信源信道編碼方法研究,，目的是獲得低失真和低延遲視頻傳輸方案,。

1 問題模型描述

    利用多描述聯(lián)合信源信道編碼（MD-JSCC）的信號(hào)源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并行信道傳輸方案如圖1所示,。

則稱率失真五元組(R₁，R₂,，D₀,，D₁，D₂)是可以實(shí)現(xiàn)的,。其中,，MD-SC問題的率失真區(qū)域R(D₀，D₁,，D₂)是速率對(duì)(R₁,，R₂)的閉包集合。該區(qū)域中有或沒有邊信息(SI)事先是未知的,。例外情形是二次高斯MD-SC情形,，即高斯源和二次失真函數(shù)：

2 基于晶格量化器的模擬MD-JSCC方案

2.1 多重描述的模擬映射

2.2 晶格量化器

    l維晶格是歐氏空間的離散子群，可描述為：

2.3 編碼-解碼過程

其中,，θ是旋轉(zhuǎn)角度,。輸出的最大相關(guān)可利用旋轉(zhuǎn)角度θ=π/2獲得，可參見文獻(xiàn)[9],。所提聯(lián)合模擬信源信道MD編碼方案如圖2所示,。

    圖2中，(S₁,，S₂)可通過以下步驟編碼X₁：

    (2)情形2：（有SI可用編碼器）將遵循情形1編碼,，除輔助變量初始對(duì)(Z₁，Z₂)₀,，其替代形式為：

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

    選取Exata作為網(wǎng)絡(luò)仿真器,，設(shè)置如下：仿真平臺(tái)版本是Exata 2.1，該平臺(tái)是由QualNet開發(fā)的高級(jí)模擬版本,，可用來進(jìn)行半實(shí)物環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)仿真,。為實(shí)現(xiàn)獲得H.264實(shí)時(shí)視頻流的目的，利用Exata 2.1與本文算法進(jìn)行整合開發(fā),，具體開發(fā)細(xì)節(jié)可參照Exata使用手冊(cè),。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，預(yù)留有線網(wǎng)絡(luò)接入端口,，端配的無線網(wǎng)絡(luò)接口有WiMAX接口,、WLAN接口和HSDPA接口。通過IP地址綁定可建立客戶端與服務(wù)端的連接,。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)有關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示,。

    本文將所提SCLQ-JSCC算法同下列多路徑/異構(gòu)網(wǎng)視頻傳輸方案進(jìn)行對(duì)比：(1)虛擬路徑傳輸系統(tǒng)(Virtual Path System，VPS)。該方法采用噴泉碼進(jìn)行異構(gòu)網(wǎng)視頻傳輸路徑構(gòu)建,，在算法實(shí)現(xiàn)中,，參數(shù)更新周期為0.5 s。噴泉碼數(shù)據(jù)包大小是8 B,，符號(hào)長度為512 B,。(2)媒體流量分配策略(Media Flow Rate Allocation，MFRA),。該策略采用使用率最大算法進(jìn)行多路徑視頻傳輸?shù)木幋a速率和冗余度優(yōu)化,，視頻層數(shù)設(shè)定為數(shù)值1，因?yàn)镾VC/H.264編碼的可伸縮性,。

3.2 結(jié)果分析

    為對(duì)所提SCLQ-JSCC算法性能進(jìn)行驗(yàn)證,，選擇可容忍的傳輸丟失率對(duì)前向糾錯(cuò)碼(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)冗余度和視頻編碼速率進(jìn)行對(duì)比,。

    圖4所示為3種對(duì)比算法冗余度和視頻編碼速率兩項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比情況,。從圖4(a)可看出，所提SCLQ-JSCC算法在編碼冗余度指標(biāo)要明顯優(yōu)于VPS以及MFRA兩種算法,，同時(shí)MFRA策略因?yàn)榭紤]到了冗余度優(yōu)化問題,，其冗余度要優(yōu)于VPS策略。根據(jù)圖4(b)所示可知,，在視頻編碼速率指標(biāo)上,，本文算法要優(yōu)于選取的兩種對(duì)比策略，而VPS策略因?yàn)榭紤]到了虛擬路徑傳輸問題,，因此其編碼速率要高于MFRA算法,。

    實(shí)驗(yàn)過程中，視頻接收的PSNR指標(biāo)(峰值信噪比)標(biāo)準(zhǔn)差,、均值和瞬時(shí)值對(duì)比結(jié)果如表2所示,。表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在PSNR指標(biāo)均值上,，本文算法在City等4組視頻傳輸上要始終高于VPS以及MFRA兩種算法,，這表明混在傳輸信號(hào)中的失真相對(duì)最小，本文算法的視頻復(fù)原質(zhì)量相對(duì)更好,。而在PSNR指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差上,，本文算法的標(biāo)準(zhǔn)差最小，這表明所提算法視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性更好,。

    圖5所示結(jié)果為視頻傳輸過程中的幀延遲累積分布,。根據(jù)圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文所提SCLQ-JSCC 算法的幀延遲要顯著低于VPS以及MFRA兩種算法,，這體現(xiàn)了所提算法的低延遲特性,，雖然VPS算法中考慮了虛擬路徑傳輸問題,，但是視頻幀丟失后需要重新搭建虛擬路徑，因此會(huì)影響視頻幀的傳輸延遲,。

    圖6所示為[30，80]s時(shí)間段內(nèi)的有效損失率指標(biāo)對(duì)比情況,，需注意視頻傳輸過程中的PSNR值不但與損失率有關(guān)聯(lián),，同時(shí)還和視頻幀丟失情況有關(guān)，因此該指標(biāo)可一定程度上體現(xiàn)視頻傳輸過程的質(zhì)量變化,。

    根據(jù)圖6所示可知,，在有效損失率指標(biāo)上，本文算法要小于選取的VPS及MFRA算法,，MFRA因?yàn)椴捎昧艘曨l分流傳輸技術(shù),，導(dǎo)致其在損失率上要高于VPS及本文SCLQ-JSCC算法。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提算法在視頻數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和傳輸速度上的優(yōu)勢(shì),。

4 結(jié)束語

    本文提出基于晶格量化的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視頻聯(lián)合信源信道編碼方法,，建立高斯視頻源傳輸?shù)亩嗝枋霆?dú)立并行信道傳輸框架，采用晶格尺度量化方法實(shí)現(xiàn)模擬映射帶寬降低,，通過帶寬擴(kuò)展來提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸性能,。今后將主要針對(duì)多接入中繼信道或多跳網(wǎng)絡(luò)MD-JSCC方案模擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)

[1] KOLIOS P,，F(xiàn)RIDERIKOS V,，PAPADAKI K.Energy-aware mobile video transmission utilizing mobility[J].IEEE Network，2013,，27(2)：34-40.

[2] Lin Kai,，SONG J G，Luo Jiming,，et al.Green video transmission in the mobile cloud networks[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology,，2017，27(1)：159-169.

[3] Zhan Cheng,，Wen Zhe.Efficient video transmission in D2D assisted mobile cloud networks[J].China Communications,，2016，13(8)：74-83.

[4] Liu Wu,，Mei Tao,，Zhang Yongdong.Instant mobile video search with layered audio-video indexing and progressive transmission[J].IEEE Transactions on Multimedia，2014,，16(8)：2242-2255.

[5] 唐猛,，陳建華，張艷,，等.基于分層調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼研究[J].電子與信息學(xué)報(bào),，2016,，38(3)：2568-2574.

[6] 代媛，何東健,，張建鋒,，等.基于分布式信源編碼的果園視頻壓縮方法研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016,，47(3)：298-304.

[7] VARASTEH M,，GUNDUZ D，TUNCEL E.Zero-delay joint source-channel coding in the presence of interference known at the encoder[J].IEEE Transactions on Communications,，2016,，64(8)：3311-3322.

[8] 牛芳琳，李寶明,，陳付亮,，等.一種改進(jìn)的基于部分信息噴泉碼度分布設(shè)計(jì)[J].電子學(xué)報(bào)，2016,，44(2)：295-300.

[9] 臺(tái)玉朋,，王海斌，楊曉霞,，等.一種適用于深海遠(yuǎn)程水聲通信的LT-Turbo均衡方法[J].中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué),，2016，46(9)：094313.

作者信息:

王  強(qiáng)1,，楊俊波2,，冉耀宗1，石  維3

（1.銅仁學(xué)院 大數(shù)據(jù)學(xué)院,，貴州 銅仁554300,；2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，湖南 長沙410000,；

3.銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院,，貴州 銅仁554300）