0 引言
近年來,,隨著高速寬帶無線技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,,無線視頻通信正成為人們廣泛關(guān)注的領(lǐng)域。如何顯著提高無線通信系統(tǒng)中的頻譜效率,,以滿足日益增長(zhǎng)的通信容量的需求,,成了世界范圍內(nèi)廣泛關(guān)注和急需解決的問題。多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)通過增加發(fā)射端和接收端的天線數(shù)量,,可以有效緩和上述矛盾,,該系統(tǒng)在發(fā)送端和接收端同時(shí)采用多元天線陣列以獲得空間復(fù)用和分集增益,空時(shí)碼(STC)則充分挖掘MIMO系統(tǒng)容量,,是改善整個(gè)系統(tǒng)誤碼性能的有效手段,。另一方面,H.264/AVC作為新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)視頻,,由于其高的編碼效率和良好的網(wǎng)
絡(luò)親和性,,受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。因世MIMO技術(shù)與H.264/AVC的結(jié)合將大大提高無線視頻通信的可靠性,。
1 H.264的碼流分割
H.264的碼流采用網(wǎng)絡(luò)抽象層(NAL單元)封裝,,每個(gè)NAL單元具有特定的數(shù)據(jù)類型,它包含一個(gè)字節(jié)的NAL單元頭和一個(gè)原始字節(jié)序列載荷,,其中由 NAL單元頭信息中的NRI的指來指示當(dāng)前NAL單元的重要性,,其值越高表示該NAL單元越重要,在H.264NAL層語義中,,用nal_ref_ idc來指示當(dāng)前NAL的優(yōu)先級(jí),。
基于這種思想,針對(duì)AnnexB數(shù)據(jù)格式下的H.264碼流,,序列中的I幀或IDR幀(立即刷新幀),、SPS(序列參數(shù)集),PPS(圖像參數(shù)集)這類數(shù)據(jù),,其nal_ref_ide值為3,,表示其所在NAL單元重要性級(jí)別很高,該類數(shù)據(jù)一旦丟失會(huì)對(duì)視頻重建造成致命影響,,因?yàn)镮幀為幀內(nèi)編碼模式,,它用作 P幀的參考幀,,因此只有保證它的準(zhǔn)確傳輸才能確保圖像的完整解碼,SPS和PPS為解碼必須參數(shù),,它的丟失勢(shì)必對(duì)圖像造成致命影響,。基于以上考慮,,本文的碼流分割方式為:對(duì)視頻圖像的重建起到重要作用的I幀(或IDR幀),、SPS,PPS的數(shù)據(jù)作為一類數(shù)據(jù),,對(duì)該類數(shù)據(jù)采用較高級(jí)別保護(hù),;余下為二類數(shù)據(jù),采用低級(jí)別保護(hù),,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出不等差錯(cuò)保護(hù)方案以提高重建圖像的質(zhì)量,。
2 空時(shí)塊編碼(STBC)
空時(shí)碼是為了實(shí)現(xiàn)MIMO系統(tǒng)信道容量而提出的一種高可靠性信道編碼。它根據(jù)信道特性,,有效地綜合了發(fā)送分集,、接收分集、糾錯(cuò)編碼和調(diào)制等技術(shù),,能夠以較低的發(fā)送功率實(shí)現(xiàn)較高頻譜效率的通信,,可以達(dá)到逼近MIMO信道容量的性能。與不采用空時(shí)編碼的系統(tǒng)相比,,在相同頻譜資源條件下,,空時(shí)碼可以獲得更優(yōu)的抗誤碼性能。
空時(shí)編碼系統(tǒng)不僅提供了全分集增益,,也提供了編碼增益,,且具有線性的檢測(cè)復(fù)雜度。為簡(jiǎn)便起見,,且不失一般性,,本文采用一個(gè)2發(fā)1收的STBC系統(tǒng),該系統(tǒng)也是目前最為經(jīng)典的一種空時(shí)碼,,它不僅提供了全分集增益,,也提供了編碼增益,且具有線性的檢測(cè)復(fù)雜度,。此方案也是目前最為經(jīng)典的一種空時(shí)碼,,其編碼結(jié)構(gòu)為
接收天線上連續(xù)兩個(gè)時(shí)隙對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)可表示為
式中,h1和h2分別為兩根發(fā)射天線到接收天線的信道衰落系數(shù),,w1和w2為加在接收天線上的復(fù)高斯白噪聲,,均值為0,方差為N0,??赏ㄟ^最大似然譯碼準(zhǔn)則完成檢測(cè),。
3 基于功率分配的H.264空時(shí)編碼方案
3.1 功率分配策略
假設(shè)系統(tǒng)的總發(fā)射功率為P,,有n根發(fā)射天線,,并且每根天線上的發(fā)射功率為P0,因此有
為了實(shí)現(xiàn)不等差錯(cuò)保護(hù),,針對(duì)2發(fā)1收STBC系統(tǒng),,假設(shè)天線1傳輸高優(yōu)先級(jí)碼流,對(duì)它分配較大的發(fā)射功率,,設(shè)分配系數(shù)為k1,,(k1>1);天線2 傳輸?shù)蛢?yōu)先級(jí)碼流,,對(duì)其分配較小的發(fā)射功率,,設(shè)分配系數(shù)為k2,(k2<1),,為了保證系統(tǒng)的總發(fā)射功率P不變,,則分配的系數(shù)k1,k2應(yīng)當(dāng)滿足以下關(guān)系式
式中,,n1,,n2為每個(gè)時(shí)隙兩根天線上傳送的符號(hào)個(gè)數(shù),在空時(shí)傳輸中有n1=n2,;因此
式(6)即為空時(shí)系統(tǒng)中兩根發(fā)射天線的功率分配關(guān)系式,。
3.2 基于功率分配的H.264空時(shí)編碼方案的算法實(shí)現(xiàn)
假設(shè)兩根發(fā)射天線上傳輸?shù)拇a字矩陣如式(6)所示,首先將待傳輸符號(hào)s1,、s2分別乘上功率分配系數(shù)(k1或k2),,然后送入空時(shí)分組編碼器進(jìn)行正交空時(shí)編碼,最后經(jīng)發(fā)射天線傳輸出去,,由空時(shí)系統(tǒng)一般傳輸模型(Y=HS+W)可得,,接收信號(hào)可以表示為
4 仿真結(jié)果及分析
為了驗(yàn)證提出方案的優(yōu)越性,采用空時(shí)編碼系統(tǒng)與H.264編碼器的級(jí)聯(lián)模型,,并與傳統(tǒng)的2發(fā)1收STBC正交空時(shí)系統(tǒng)做比較,,所有的調(diào)制符號(hào)均選自BPSK星座。信道為準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落信道,,噪聲為加性復(fù)高斯自噪聲,。測(cè)試中,天線1傳送高優(yōu)先級(jí)碼流,,天線2傳送低優(yōu)先級(jí)碼流,。本文用 Eb/No的大小表示傳輸系統(tǒng)的信噪比(通常Eb/No表示一個(gè)比特的信號(hào)平均能量與噪聲的平均功率譜密度之比)。測(cè)試序列為“Fo-reman”序列,,圖像格式為QCIF,,編碼模式為IPPP,,幀率30f/s;用X264編碼器生成H.264源文件,。利用重建圖像的平均PSNR值作為衡量圖像質(zhì)量的指標(biāo),。
4.1 誤碼性能曲線比較
圖1給出了k1=1.3時(shí),提出的基于功率分配的STBC系統(tǒng)的誤碼性能與傳統(tǒng)2發(fā)1收STBC正交空時(shí)系統(tǒng)的誤碼性能對(duì)比,。由圖可知提出方案中天線1的性能優(yōu)于傳統(tǒng)STBC系統(tǒng),,而天線2的抗誤碼性能略低于傳統(tǒng)STBC系統(tǒng)。由于天線1傳送的是高優(yōu)先級(jí)碼流,,其抗誤碼性能的提高勢(shì)必會(huì)提高重建圖像質(zhì)量,。因此提出的方案可以在不提高系統(tǒng)總發(fā)射功率前提下,提升高優(yōu)先級(jí)碼流的抗誤碼性能,,顯然,,這一結(jié)果與理論推理一致,從而驗(yàn)證了改進(jìn)方案的合理性及優(yōu)越性,。
4.2 重建圖像主觀效果對(duì)比
圖2從主觀視覺效果上給出兩種方案的比較,。當(dāng)Eb/No=18dB時(shí),兩種方案下第十六幀重建圖像如圖2所示:圖2(a)為原始圖像,,圖 2(b)為改進(jìn)方案下的重建圖像,,圖2(c)為傳統(tǒng)(2,1)STBC方案下的重建圖像,,通過對(duì)比可知本方案的重建圖像質(zhì)量比傳統(tǒng)(2,,1)STBC方案好。
5 結(jié)束語
為了解決傳統(tǒng)無線視頻傳輸中重建圖像質(zhì)量低的問題,,本文提出了一種基于功率分配的H.264空時(shí)編碼方案,,此方案將H.264碼流按重要性不同分為兩部分,在保持總發(fā)射功率恒定韻情況下,,在兩根天線上動(dòng)態(tài)分配發(fā)射功率以提升高優(yōu)先級(jí)碼流的誤碼性能,,進(jìn)而提高重建圖像質(zhì)量。仿真結(jié)果表明,,與傳統(tǒng)STBC系統(tǒng)相比,,提出的方案獲得了較好的重建圖像質(zhì)量。