（信号与信息处理专业论文）无线移动网络视频传输的qos研究.pdf

南京都电太学硬士研究生学位论史 搦要 无线移动网络视频传输的q o s 研究 撼要 随着宽带无线网络的快速发展，无线网络上传输视频应用同益增多。假怒无线信道的 特点决定了无线视频传输比在有线情况要困难的多：视频数据在通过无线惰道的时候，会 芎较高鲸极l 会发嫩髓枫错误；无线傣邋状态变化较大，嫩商线链路要不稳定。如何改善无 线撬频黄赣趣爨务璇耋( q o s ，q u a ht yo fs e r v i c e ) 黩藏了当 ；蓼遴售领域瓣疆究热焘。 本文提出了下述两个方法来提商凭线视频传输的q o s 。 首先，提出了一种用于无线有线混合i p 网络的视频传输协议w v t p ( w i r e l e s sv i d e o t r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 。对有线网络中的拥塞丢失，w v t p 能够在有线i p 网络工作的很 好； 嚣萎赞对冤线 p 露络孛豹夔瓿镑误雩| 超载丢失，袋翅交巷发送大夺数爨寇鼗方法， 使褥在有线无线濑含i p 丽络中，应耀层能够揉溅当裁传输丢包的主要藤裁，献两能够充 分的利用网络带煮。同时还能保持t c p 友好性。从仿真的结果可以看出，w v t p 效果良好， 有效地提高了谯有线无线混合i p 网络中视频传输的质爨。 其次，研究了蠢线有错信道的视频传输中，信源信邋联合缡码的最优傀闼趱。信溪编 码采瘸 。2 6 3 辘磷嚣：赞对嚣。2 6 3 璐流豹特点，我翻疆爨了按重要瞧把码滚黻g 躔为单位 划分等级的方法，对不同等级的g o b 采用不同保护强度的t u r b o 码做信道编硝。在总带宽 定的情况下，调整信源信道编码的比率，使得接受端视频重建质量最佳。从仿真结果可 知，在一定信邀传输条件下，信源僚邀联会编码是可以达到最优化配置的。 关键词：无线视频传输，服务质爨，谢线无线混合i p 网络 t c p 友好性，信源信道联合编码 l l 零衷鄄电大学磺士辑究生学整论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h eo o sc o n t r o lo ft h er e a l “t i m ev i d e o s t r e a m i n go v e rw i r e l e s sm o b i l en e t w o r k s a b s t r a c t w i t ht h eg r e a td e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sw i d e b a n dn e t w o r kt e c h n i q u e s ，t h e r e a r em o r ea p p l i c a t i o n so fh i g hq u a l i t yv i d e os t r e a mt r a n s m i s si o no v e rw i r e l e s s n e t w o r k s a n dt h eq o s ( q u a li t yo fs e r v i c e ) o fw i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o nb e c o m e s t h eh o ta r e ao fc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h 。 i nt h i sp a p e r ，w ep r o p o s et h ef o l l o w i n gt w om e c h a n i s m st oi m p r o v et h eo o s o fw i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o n f i r s t l y ，w et a k eu s eo ft h em e r i t so fa v t c ( a d a p t i v ev i d e ot r a n s m i s s i o n c o n t r 0 1 ) ，w h i c hi sd e s i g n e df o rv id e ot r a n s m is s i o no nw i r e dn e t w o r k ，a n dp r o p o s e t h e ，p c t p ( w i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) f o rw i r e c a m - w i r e l e s si pn e t w o r k s v i d e ot r a n s m i s s i o n b ya l t e r n a t e l ys e n d i n gp a c k e t so fal a r g es i z ea n das m a l l s i z e t h ev i d e os e n d e rc o u l dd e t e c tt h ec u r r e n tn e t w o r kc o n d i t i o n ，a n dm a k ef u l l u s eo ft h en e t w o r k sb a n d w i d t h 。a st h ee m u l a t i o n sh a v es h o w n ，髯娃pw o r k sw e l la n d m e e t st h er e q u i r e m e n t so ft c p f r je n d l y 。 s e c o n d l y ，w er e s e a r c ht h eo p t i m i z a t i o no fj o i n ts o u r c e c h a n n e lc o d i n gw h e n t h ev i d e ot r a n s m i s s i o ni sf r o mp o i n tt op o i n t w ee m p l o yt h eh 2 6 3c o d e ra st h e s o u r c ec o d e r 。b a s i n go nt h es t r u c t u r eo fh 2 6 3s t r e a m ，w ed i v i d et h eo r i g i n a ls t r e a m i n t ot w 。d i f f e r e n ts t e a m sw i t hd i f f e r e n ts t r e n g t ht u r b oc o d i n g + t h eu s i n go fj o i n t s o u r c e c h a n n e lc o d i n gc o u l dg r e a t l yi m p o v et h er e c e i v i n gv i d e oq u a l i t y a st h e e m u l a t i o n sh a v es h o w n ，w er e a c h e dt h eo p t i m i z a t i o no fe n d t o e n dv i d e or e c o n s t r c t q u a l i t yb yu s i n gas p e c i a lr a t i oo fs o u r c ec o d i n g a n dc h a n n e lc o d i n g k e y w o r d s ：w i r e l e s sv i d e os t r e a mt r a n s m i s s i o n ，q u a l i t y o fs e r v i c e ， w i r e d c u m - w i r e l e s si pn e t w o r k ，j o i n ts o u r c e c h a n n e lc o d i n g ， t c p f r i e n d l y i i i 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学耱、专韭：王学信号与信息处理 研究方向： 图像处理与多媒体通信 捧 考：j 塑堕缎研究生 晦摄审 糖导教烬董壹室 题目：光线移动网络视频传输的q o s 研究 英文题霹：r e s e a r c ho i lt h eq o sc o n t r o lo ft h er e a l - t i m ev i d e o s t r e a m i n go v e rw i r e l e s sm o b i l en e t w o r k s 主题词：光线视频传输服务激鲞有线无绒混合l p 网络 t c p 友好性信源信道联合编码 k e y w o r d s ： w i r e l e s sv i d e os t r e a mt r a n s m i s s i o nq u a l i t yo fs e r v i c e w i r e d c u b - w i r e l e s si pn e t w o r k t c p - f r i e n d l y 孙i n ts o u r c e - c h a n n e lc o d i n g 南京邮电大学学位论文独创性声明 y8 5 0 8 7 4 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知i ，除了文l | j 特别加以标注和致谢的 地方外，论文小不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，【i 王不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的仃何贡献均已在论文巾作了 明确的说明并表示了澍意。 彤洲i 签名：! 马衅趴碰! 竺! ) 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密沦文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公前i ( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：丝整垦生导师签名日期：缝鱼：鱼臼 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一市绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 从具有高速宽带接入的家庭网络到每张办公桌都具有联网p c 得传统办公场所， 从手机的w e b 浏览器到具有公共无线接入功能得咖啡店，到联网的汽车，到联网的传 感器，近几年全球的网络得到高速的发展。基于i p 协议的交换技术的发展，使传统 电信业务和互联网数据业务在i p 分组网络的基础上进行整合成了可能。 当今宽带网络的发展中又以宽带无线网络的发展最让人激动：从g s m 到c d m a ， 到即将到来的3 g ；由采用8 0 2 1i 系列协议的无线局域网快速发展到预计今年末会有 产品投入市场的w i m a x 。无线宽带网络的快速发展，引发了在无线网络上视频多媒体 数据传输的热潮。这也是当今通信领域研究的热点问题。 与传统的一般数据业务( f t p 、h t t p 网页浏览、e m a jl 等等) 不同，视频的传输 对于时延的要求很高；同时在无线网络中传输，还会遭遇到有线网络中几乎可以忽略 的问题一一无线传输的比特随机错误，这大都是由于无线信道本身特点所决定的。 鉴于当前网络的现状，许多无线业务的提供都是基于异构的无线一有线i p 分组 网络的，而且，可以这么说，脱离了因特网而提供的无线业务其意义也将大大地降低。 但是，在异构的w i r e l e s s w i r e di p 网络中进行视频通信对研究者提出了一些新的问 题。对该种类型的网络传输进行的分析可知，信道产生的错误包括：( 1 ) 有线网络中 拥塞而引起的分组丢失；( 2 ) 无线网络中的传输错误( 衰落、阴影的影响) 而引起的 分组丢失或是比特错误。而且在两种网络( 有线网络和无线网络) 中，起主导作用的 错误原因是不同的，在有线i p 分组网络中，由于网络质量比较好，因此引起分组丢 失的主要是因为网络节点的拥塞；但是在无线网络中，我们可以认为由于拥塞引起的 分组丢失是次要的，主要原因是信道衰落所引起的比特错误。这就需要视频的编解码 器具有一定的容错能力，以及在提供的无线视频业务中加入相应的信道编码策略。 要在i p 网络上传输视频，由于t c p 协议 1 是因特网中占主导地位的端到端传 输协议 2 ，因特网的稳定性和可靠性主要就是依靠t c p 协议的端到端的拥塞控制， 而实时视频传输主要使用的是无反馈的传输协议，例如用户数据报协议u d p 3 或者实 精京邮电太学硕士研究生学位论= 空： 第一章绪论 时传输协议r t p 4 ，考虑到应用的实时性要求，u d p 协议和r t p 协议更加适合视频流 斑翔。 已有的研究 5 表明，通过i p 网络传输视频流主鼗应满足两个方谢的要求：i ) 景有带宽自适应能力：i i ) 错误恢复的能力。非自适应流将对网络产生以下两个方面 的不利影响：1 ) 当它的流量超过网终的传输能力的时候。它将蹲致网终的捆塞媲溃。 2 ) 它们将和其他的自适应流，谶行不公平竞争。因此，为使i p 网络保持稳定和可靠， 在i p 鹾上传竣的 t c p 漉都应该具有t c p - f r i e n d l y 静性矮。 1 。2 无线环壤下视频传簸面临的挑战 宽繁无线嬲缨的出瑗使褥入翻对京无线劂络上进露图像投频传羧产生了极大 的兴趣。但是，在无线环境中实时传输商质量的视频是一个极寓挑战饿的任务。这主 要是因海激下爨嚣泠】， ( 1 ) 带宽波动 无线信道豹吞蛙豢会因为多径衰落、辩延扩震、臻声影确和多址鼍：撬等鬻困丽 降低，而无线信道的容擞会随着旗站与移动主机之间距离的变化而波动。当移动终端 在不同嘲络间移动时，倍道带宽往往会发生剧烈的变化。因j 毙，带宽波动对于无线网 络上盼蜜时视频传输来说是个极大的挑战。 ( 2 ) 信道带宽资源有限 无线网终熬信遂带宽资涎黪零有隈，瑟巍频渡务辩实霉重毪蠢严揍戆要求，嚣要 网络为视频流传输提供足够的带宽。为了能在宵限的网络带宽中传输海景的图像视 频鼗据，必须辩图像鬣频数撂避行裹效豹莲缀。嚣魏，覆彝无线逶信环境瓣鬻像 视频编码方法不仅应该舆有高效的压缩能力，还需要进行码率控制，使得编码输如的 码率能岛信遒带宽有效嚣配。 ( 3 ) 信道的赢误蠲率 与有线网络相比，无线信道具有很大的噪声。无线网络的时变特性与噪声影响 鬻豢经馋输妁哥纛性大为降低，在无线传辕申经常会出现连续黪、突发热豹传输错误。 光线信邋误码率比较高。而高度压缩后的视频码流存在很强的相关性，因此对传输时 掰产生瓣误羁攀敏感，一量发生了误褥，不饺影豌该误码数攒静浚复，还会影稳毒 之相关的其它数据的恢艇，造成“误码扩散”( e r r o rp r o p a g a t i o n ) ，使恢复出来的 2 南京| 嘲j 电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 信号面目全非，从而对重建的视频质量有着破坏性的影响。因此，为了提高视频传输 的可靠性，必须设计可以有效抗信道误码的差错控制机制。 ( 4 ) 用户终端设备简单 手持无线终端( 手机、无线p d a 等) 是无线移动接入中使用的主要终端设备。对于 这类简易终端来说，由于追求移动性、方便性、低功耗和低成本，其处理与显示能力 与台式机、笔记本电脑相比均受到很大限制。因此，用户终端设各简单的特点对图像 视频压缩编码算法的复杂度提出了严格的要求。 ( 5 ) 用户的异类性 用户的异类性分为两种情况：用户接收设备的异构性和用户对服务质量、内容需 求的异类性。受到个人兴趣爱好、显示设备等各种因素的影响，每个用户对视频的显 示尺寸、质量、帧率等有赣不同的需求，而不同接收的功率、带宽、处理能力、功率 ( 有线和无线) 和带宽的受限程度也不尽相同。接收端的要求和特性的异类性使得设 计一个高效的视频传输系统变得非常困难。 l3 本文所做的主要工作 论文的研究工作得到江苏省自然科学基金( n ob k 2 0 0 5 1 4 7 ) 资助。本文的主要 贡献是提出了下述两个机制来提高无线视频传输的q o s 。 1针对无线有线i p 混合网络上的视频传输问题，提出w v t p ( w i r e l e s sv i e d o t r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 控制协议。v t p 协议不光在有线i p 网络中工作良好； 而且在无线i p 网络中能够探测当前网络丢包的原因主要是有线拥塞还是无线随 机错误，按照一定概率调整视频的发送速率，使得能够更加有效的利用信道当前 的带宽，同时还保持对t c p 流的友好性。 2针对有错信道无线视频传输，研究了信源信道联合编码的最优化问题。信源编码 采用h 2 6 3 编码器，信道编码采用t u r b o 码，研究了在一定信道状态( 有限的信 道传输带宽) 下信源信道联合编码的最优化问题。这里对h 2 6 3 码流以g o b 为单 位划分重要性，使用不同等级的t u r b o 码对起进行不等差错保护。仿真实验的结 果表明不等差错保护和信源信道联合编码的有效性。 论文的其余章节安排如下：第二章，我们介绍了无线环境下视频传输的相关技 术，对这些使用到的技术有所了解的基础上，我们才可以进行下面的工作。第三章详 术，对这些使用到的技术有所了解的基础上，我们才可以进行下面的工作。第三章详 旃豪邮电大掌硕士研究生学位论文 第一章缝论 细地介绍了针对光线有线混合i p 网络的w v t p 算法，该髀法针对无线脊线混合i p 的 特点，髓够更翔准确韵搽溯当前信道状7 咒，有效的利用储遒带宽，提高端到端的吞吐 爨，同射保持t c p 的友好性。第四章中我们研究了在无线有错僚道中，使用联念信源 倍道编硝使得接受端视频重建质蘑最优化的问趱。这罩涉及了倍源和信道编码部分： 傣滚编鹦使用的是 。2 6 3 援频缀萼爨，镶遵绩磷是t u r b o 码。受了提寒臻遵编鹦熬效 率，我们使用了u e p ( 不等差错保护，u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n ) 。包括h 2 6 3 码 滚冬部分霪要懂黔分辑、不等差错绦护黪壤念激发信源失粪帮绩逶失奏翡诗冀。在纂 驻章，对本文的成果进行总结，并提出了一些不足的地方和可以改进之处。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线环境下视频传输的相关技术 第二章无线环境下视频传输的相关技术 本章主要介绍无线环境下视频传输的相关技术，包括无线视频传输的系统模型、 视频信源编码技术、无线信道模型、信道抗误码技术和信源信道联合编码的概念。 2 1 无线环境视频传输的系统模型 相对与其他类型的文件和数据，视频数据要大的多；为了实现视频数据在无线 信道中的传输，需要对视频数据进行高效的信源编码。但是高度压缩后的码流之间存 在很强的相关性，这样的码流对信道传输的误码非常敏感，一旦发生了误码，将会造 成接受端视频重建质量的严重下降。因此需要采用信道编码技术对信源编码后的输出 码流进行保护，通过增加冗余的办法来提高传输数据对信道误码的抗击能力，提高信 息传输的可靠性。典型的无线视频传输系统模型 6 如图2 1 所示。 图2 1 ：视频的无线传输系统模型 信道编码产生的码流经过调制后，生成适于信道传输的模拟信号波形。经过解 调后，信道解码通过利用前向纠错方案( f e gf o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 的误码纠错 能力，或者要求重传有错码数据帧的方法来恢复传输误码。然后经过信源解码后送到 接收端。 下面根据上述模型，一一介绍其中用到的相关技术。 2 2 视频编码技术 视频通信中信源编码器是一个非常重要的组成部分，用信源编码器对要传送的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线环境下视频传输的相关技术 视频图像序列遴行压缩，可以大大减少通信过程中实际需要传送的数据量。目前国际 上己经有了多种标准化的视频编解码算法，并且针对不同的实际需求得到了广泛的应 用。 传统的视频压缩编码方法是以像素为基础，以像素或像素块为编码实体，通过 预测编码、变换编码、运动补偿等技术来消除图像数据的相关冗余度的，常常被称为 第一代图像编码技术，因为它没有考虑人眼视觉特性对编码图像的影响。 2 0 世纪8 0 年代初人们认识到这种基于数据统计的第一代编码技术的不足，特别 是在低速率视频编码时有严重的局限性。1 9 9 5 年国际电信联盟i t u 总结当时国际上视 频图像编码的最新进展，针对低比特视频应用制定了h 2 6 3 7 ，8 标准。该标准被公认 为是以像素为基础的采用第一代编码技术的混合编码方案所能达到的最佳结果。随后 几年中，i t u 一又对其进行了多次补充，增加了修订版h 2 6 3 + ，h 2 6 3 + + 1 0 ，以提高 编码效率，增强编码功能。由于h 2 6 3 在低速率视频传输的质量，抗误码能力等方面 都有了明显的提高，所以h 2 6 3 系列标准特别适合于p s t n 网络，无线网络及因特网等 环境下的视频传输。 由于h 2 6 3 标准还只是以像素块为基础的第一代编码技术标准，没有在以显示器 件为图像视频系统的最后环节中考虑人眼视觉特性对编码图像的影响，因此到了第 二代编码技术就提出了要充分利用人类视觉系统和心理特性以及信源各种性质的要 求，即是要基于内容的，去掉的是图像视频信号内客的冗余，其中基于对象的 ( o b j e c t b a s e d ) 方法称为中层压缩编码方法( 基于语义的方法称为高层压缩编码方 法) ，例如新提出的m p e g 一4 1 1 视频编码标准。 由于近年来，低速率视频传输的应用前景同益为人们所认识，如通过p s t n 网传 输可视电话、互联网上的多媒体电子邮件、视频检索以及无线移动网上的各类视频业 务等。因此一些国际化标准组织相继开始开发新的适应于极低码率( 即小于6 4 k b s ) 的音频视频编码的国际标准。在这种情况下i s o 推出 m p e g 一4 标准。m p e g 一4 标准首次 使用对象( o b j e c t ) 的概念，如视频对象v o ( v i d e oo b j e c t ) 、音频对象a o ( a u d i oo b j e c t ) 等，这是一个新的飞跃。所谓对象就是在一个场景中能够访问( 搜索或浏览) 和操作的 实体，进行对象分割时可以将其纹理、形状、运动等作为依据。这种以内容为中心的 描述方法更符合人的心理特性，从而不仅能获得比现有像素为基础的标准更为优越的 压缩性能，也为应用提供了各种新的基于内容交互的功能。 但是就目前的编码方案来说，m p e g 一4 依然是以子块为基础的混合编码，编码处 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线环境下视频传输的相关技术 理是以视频对象平面v o p 为主，核心编码思想还是与h 2 6 3 的编码思想一致，并且出于 h 2 6 3 标准获得了极大的成功，被公认为是以像素和像素块为基础的d c t m c 混合编码 方案所能达到的最佳结果。 之后e h t u - t 的v c e g 和i s o i e c 的m p e g t 、组联合成立的联合视频组j ”共同制定了 h 2 6 4 1 2 的视频编码新标准，同时是m p e g - 4 的第1 0 部分。h 2 6 4 增加了很多新的编码 方法。h 2 6 4 的编码性能比h 2 6 3 提高不少( 同样的重建质量下码率能少接近5 0 ) ， 但是同时需要耗费大量的计算量。 在本文中，信源使用仍然是h 2 6 3 编码，因为这是- 3 十十分成熟的方案，同时本 文在下面提出的信道编码是采用的不等差错保护( u b p ) 也与h 2 6 3 编码方式生成的码 流结构有关。 2 3 无线信道模型 与其它的信道相比，无线信道最显著的一个特点就是存在着多径衰落现象：这是 由于同一个信号经过不同的路径，从不同的角度，不同的时间到达接收端，经叠加而 产生的接收信号，这样势必会对有用信号的接收质量造成严重的影响。 下面介绍两种常用的无线信道模型：b p s k 调制的a w g n 信道和瑞利信道。在本文 的仿真中使用b p s k 调制的a w g n 信道。 1 b p s k 调制的a w g n 信道 高斯白噪声是所有信道对有的干扰源，它来源于信道媒质微粒的热运动，我们 看到的实际上是一种不确定的因素，它的存在使得信号经过信道，都会或多或少的受 到影响。之所以称噪声为白的，是因为这种噪声的功率谱分布均匀，并且包含整个频 域。当信噪比较低的时候，白噪声对信道加扰的影响也就越凸现出来。当信噪比高， 不出现特殊情况的时候，这种噪声的影响逐渐削弱，一般系统在越过信噪比门限的时 候，误码率就会以较快的速度趋向零，再增大信噪比已经不是很有意义。对于高斯信 道，噪声的仿真可以通过信号的能量、信噪比得到。可以说加性高斯白噪声( a w g n ， a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ) 信道是一种较理想化的、常见的信道模型。 二进制相移键控( b p s k ， b i n a r yp h a s e s h i f tk e y i n g ) 调制技术是一种利用载 波相位n 与一n 的变化来表征发送信息o 与1 的相位调制技术。接收端解调器根据载波 的相位来判断接收的信息，当载波相位为n 时，判断接收信号为1 ：相反则判为0 如果 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线环境下视频传输的相关技术 令传送的有用信号为x ( t ) ，则通过b p s k i , 固$ t j 并通过加性高斯白噪声信道后在接收端 得到的接收信号y ( t ) 可以表示为： y ( t ) = e - j e ( t ) x ( t ) + n ( t ) ( 2 一1 ) 其中”( f ) 是信道加性高斯白噪声，9 ( f ) 是接收信号的相位变化，其取值是 ( 一，n ) 。而b p s k 调制加性高斯白噪信道的误比特率可以用下式表示 只= 其中e b n o 是信道的信噪比，而函数q 为 2 b p s k 瑞利衰落信道 ( 2 2 ) - - x 2 m q ( x ) = ip 2 dr(2-3) d 瑞利信道实际上是受窄带高斯噪声影响的信道，出现载波对信道频谱有截断的 时候。它使得信号在幅度服从均值为信号幅度，由信道高斯分布方差决定的瑞利分布。 假设以x ( f ) 是传送的有用信号，如果假设在某一符号传输的过程中，信道的状况保 持不变，则接收信号y ( t ) 可以用下式表示： y ( t ) = i 口ie j o ( t ) x ( f ) + 胛( f ) ( 2 4 ) 其中为满足瑞利分布的随机变量，n ( t ) 为加性高斯白噪声，0 是接受端b p s k 的 相移。 可以看到，瑞利衰落有个乘性因子，加上使用b p s k 的相移，在瑞利衰落的情况 下，信道要恶劣的多。加性高斯白噪声的信道可以视为瑞利衰落因子为常数的特殊情 况。 在本文的仿真中，使用加性高斯白噪声信道。 2 4 信道抗误码技术 在目前的通信系统中，经常所使用的信道抗误码方式有如下几类： 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二二章无线环境下视频传辘的相关技术 2 4 1 前向纠错( f e e ) 这种方式在发端发送能够纠错的码，接收端在收到的信码中不仅能发现错码，而 且还能够纠正错误。这种方式的优点是不需要反馈信道，能进行一个用户对多个用 户的同时通信，特别适合于移动通信，此外译码实时性较好，但译码设备比较复杂。 作为一种当前占主要地位的错误控制方法，尽管f e c 增加了信道速率的占用，但 是依然已经被广泛的使用。显然，对于视频传输的应用而言，考虑到其实时性的要求 使用不需要反馈信息的f e c 具有一定的性能优势。 下面介绍几种常见的f e c 编码码技术。 1 ) r s ( r e e d s o l o m o n ) 码 r s 1 3 码即里德一所罗门码，它是能够纠正多个错误的纠错码，典型的r s 码为 ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) ，其中t 是可抗长度字节数，对应的1 8 8 符号，监督段为1 6 字节( 开 销字节段) 。实际中实施( 2 5 5 ，2 3 9 ，t = 8 ) 的r s 编码，即在2 0 4 字节( 包括同步字 节) 前添加5 1 个全“0 ”字节，产生r s 码后丢弃前面5 1 个空字节形成截短的( 2 0 4 ， 1 8 8 ) r s 码。r s 的编码效率是：1 8 8 2 0 4 。 2 ) 卷积码( r c p c ) 码 卷积码非常适用于纠正随机错误，但是，解码算法本身的特性却是：如果在解 码过程中发生错误，解码器可能会导致突发性错误。为此在卷积码的上部采用r s 码 块，r s 码适用于检测和校正那些由解码器产生的突发性错误。所以卷积码和r s 码 结合在一起可以起到相互补偿的作用。卷积码分为两种： ( 1 ) 基本卷积码： 基本卷积码编码效率为，n = i 2 ，编码效率较低，优点是纠错能力强。 ( 2 ) 收缩卷积码： 如果传输信道质量较好，为提高编码效率，可以采样收缩截短卷积码。有编码 效率为：r l = i 2 、2 3 、3 4 、5 6 、7 8 这几种编码效率的收缩卷积码。 编码效率 高，一定带宽内可传输的有效比特率增大，但纠错能力越减弱。 3 ) t u r b o 码 1 9 9 3 年，b e r r o u 等人将原有的级联技术、交织技术和软判决译码技术结合在一 起，并运用一种新的译码思想( 迭代译码) ，提出了一种新的纠错码：t u r b o 码，取得了 通近s h a n n o n 极限的纠错性能。迭代译码1 8 次后，t u r b o 码的性能距离s h a n n o n 极限只 南京邮电大学硕士研究生学位论文始二章无线科、境下视频传输的相关挫术 有0 7 d b 1 4 。由于充分利用了信道信息，t u r b o 码在信嗓比较低时，能取得较好的编 码增益，因而广泛用于频带和功率受限、传输条件恶劣的无线通信系统中。 本文使用t u r b o 码作为信道编码，并采用不同强度的t u r b o 码对划分等级的 h 2 6 3 码流加以u e p ( 不等差错保护，u n e q u a e r r o rp r o t e c t i o n ) 。 2 4 2 自动请求重发方式( a r q ) 这种方式在发端发出能够检错的码，收端则对收到的信码进行检测，若收端认为 有错，则控制重发指令，通过反馈信道告诉发端，发端根据重发指令将有错的那部分 消息再次传送，直到正确接收为止。这种方式的优点是译码设备简单，但需要反馈信 道，并且实时性较差。 2 4 3 混和纠错方式( h e c ) 这种方式是前两种方式的结合，发端发送的码不仅能够检测错误，而且还具有一 定的纠错能力，收端译码器收到信码后，若有少量错误，在码的纠错能力以内，则接 收端自动进行纠错，如果错误超过了码的纠错能力，但能检测出束，此时接收端通过 反馈信道给发端送要求重发的指令，发端把错误的信码再次重传。这种方式能使通信 系统的误比特率达到很低，适合于差错控制要求较高的场合。 2 5 信源信道联合编码 1 9 4 8 年，香农( s h a n n o n ) 提出了在有噪信道中进行数据传输的基础理论一信息论 1 5 。对于信息领域的发展来说，香农信息论具有里程碑式的意义。香农信息论的基 本思想是从概率的角度对信息传输问题进行建模，其内容包括信源编码和信道编码。 香农信息论仅仅是一个存在性的定理，由于定理没有给出具体的编码方法，在 实际应用中香农信息论有其局限性的一面 1 6 首先，根据香农的分离原理，信源编码 和信道编码可以分别设计，而且这种局部最优能使系统总体性能达到最。但是这一重 要结论的假设前提是：一，无论对于信源编码，还是对于信道编码，都需要假定可以 容忍无限长的延时，即允许编码块长无限。二，必须预先掌握传输信道的统计特性。 显然，上述两条假设在实时的通信系统设计中往往得不到满足。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线环境下视频传输的相关技术 针对香农信息论在实际应用中存在的局限性，人们提出了信源信道联合编码 ( j s c c ，j o i n ts o u r c ec h a n n e lc o d i n g ) 技术，这是一种兼顾视频传输效率和质量的 有效方法，目标是通过联合优化信源、信道编码器来获得最优的端到端的传输性能 1 6 ，1 7 。下图2 3 所示的是信源信道联合编码的框图( 省略了调制解调的部分) 。 图2 2 ：信源信道联合编码模型 信源、信道的联合优化可以通过利用信源信号中的冗余进行解码来实现( 即信源 控制的信道解码) ，或者通过在给定的信道特征下设计信源编码器来实现( 即信道最优 的信源编码) 。实际上，这两种方法都不是真正意义上的联合优化，而且实现起来难 度很大。从目前研究的进展看，信源信道联合编码还处在理论研究阶段，离真正的实 用化还有一段距离。主要原因包括： 首先，信源编码的目标和信道编码的目标不同。信源编码的传统目标是在给定 的编码速率下获得尽可能小的编码失真。在给定了信源统计特性的前提下，这种目标 受到率失真限的限制。与信源编码中的率失真限类似，信道容量被量化为可保证信息 在给定的信道中可靠传输的最高码率。信道编码的目标是在尽可能接近信道容量的码 率下保证信息的可靠传输，使处理过的信号在传输过程中不出错或者少出错。因此在 实际应用中，二者的目标是相互矛盾的。为了提高信源的压缩效率必须去除信源中的 冗余部分，而高度压缩后的视频码流对传输时所产生的误码非常敏感，这时必须提高 传送的可靠性。而为了传输可靠采取信道编码往往会增加传输开销，从而降低传输的 有效性。 理论上，在一定网络情况( 有限的可用带宽) 下，采用信源信道联合编码可以 获得端到端视频重建质量的最优化。这也是本文第四章信源信道联合编码最优化的理 论基础。 堕塞堂皇查堂堡士研究生学位论文 第兰章w v t p ( w i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o np r o t o c o i ) 的描述 第三章w v t p ( w i r e l e s s p r o t o c 0 1 ) v i d e ot r a n s m i s s i o n 的描述 本章详细描述了w v t p 协议速率控制算法。首先介绍有线无线混合i p 网络视频 传输的背景知识和相关的研究。然后简单介绍了针对有线i p 网络的视频控制算法。 最后给出w v t p 应用与无线有线混合网络视频传输的理论基础、行为描述，最后给出 性能仿真。 3 1 有线无线混合i p 网络上的视频传输 在多媒体无线应用日益增多的今天，如何提高多媒体视频在有线无线混合i p 网 络的传输性能是一个十分重要的课题。在日常的应用场合，典型的多媒体视频无线应 用的结构如下。 图4 1 ：典型的视频无线应用的结构 这里的终端可以是使用2 g ( 3 g ) 的手机或者使用8 0 2 1 l 无线局域网接入的移动 终端，在这样的网络结构中，数据传输主要是通过有线网络来完成，只是最后一跳是 在无线网络中完成。本文有线无线混合网络的仿真就是基于这样的网络拓扑。 从上一章可以看到，使用a v t c 算法控制发送的视频流对拥塞的反应较灵敏，同 t c p 流也能保持友好性。但是，同t c p 在无线网络中遭遇的问题类似，a v t c 也无法区分 包丢失是由于拥塞引起的丢包还是无线信道比特错误引起的丢包。在遭遇到丢包之 后，原先的a v t c 会错误把丢包的原因判断为网络发送拥塞，按照之前的策略，就是降 低发送速率。这种不必要的降低发送速率，首先会降低端到端的视频重建质量，其次 会造成端到端延迟的大幅动抖动。而且在这种情况下，降低速率并不能降低丢包率( 降 低的只是丢包的数目) 。所以，改善a v t c 控制算法在无线有线混合网络的性能的核心 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章w v t p ( w i r e l e s s v i d e o t r a n s m i s s i o n p r o t o c 0 1 ) 的描述 问题就是：如何区分引起丢包的原因。 3 2 相关课题的研究 从区分丢包是拥塞丢包和比特错误丢包这点上来讲，提高无线i p 网络中视频传 输性能和提高t c p 在无线网络中的性能是相同的。在下面所说的文献中，很多方法是 对应与t c p 的，但是其目的相同，所以下面不特别注明文献是否是针对多媒体视频流 控制方法。 用来区分网络状况有2 种方法 2 4 ：( 1 ) 分裂连接；( 2 ) 端到端的方法。 分裂连接的方法要在有线和无线网络的边缘安置一个代理用来分别统计在两种 网络种的情况 2 5 2 6 2 7 。使用这种方法的话，在整个无线通信网络中的每个基站 或者接入点都要加入这中代理，这对于网络管理者来说是相当麻烦的事，同时还有开 销的问题。 端到端的方法主要通过使用某些被动的方法( 比如包到达时间的特性) 来区分 拥塞丢包还是比他错误引起的丢包 2 8 3 0 。端到端的方法一般来讲是使用某些特定 的模型来区分网络的拥塞和比特错误。与前面的方法相比，端到端的方法有其便捷性： 但是，无线网络状况变化很大，每次使用的模型能不能正确的适应网络状况就是一个 重要问题。在文献 3 1 提出了使用丢包记录的方法提高t c p 在无线网络性能的方法， 这里我们对其加以改进并加入虱j w v t p 控制算法中。 在w v t p 控制算法中，使用的是端到端的方法来区分网络丢包的原因，并且采用 了记录历史丢包的方法来处理网络状态的改变。从仿真的结果看，这种方法效果相当 的好。 3 3 相关的视频控制算法的介绍 为了使得视频流具有t c p 友好性，有研究人员提出了多种速率控制算法。其中 广为使用的的就是下面的t f r c 1 9 ( t c p 友好的码率控制，t c pf r i e n d l yr a t e c o n t r 0 1 ) 和m i m d ( 乘性增乘性减算法，m u l t i p l i c a t i v e i n c r e a s ea n d m u l t i p l i c a t i v e d e c r e a s e ) ，下面先简单介绍一下t f r c 和m i m d 控制算法a t f r c 和a i m d 算法描述如下： 堕塞! ! ! ! ! 皇盔鲎堡主堑塑生堂位论义 第三章w v t p ( w i r e l e s s v i d e o t r a n s m i s s i o np i n t o c o d 的描述 3 ，3 1t f r c 拥塞控制算法 端到端的以簿式为熬础的t f r c 算法 1 8 最蒸本的一个方面是流量等式的选取。 t f r c 算法掰采溺的等式怒( 3 1 ) 挎 ： r j # ： ( 3 一1 ) 对t f r c 算法我们简述如下： r t o 表示t c p 的重传时间。上式中，参数r t t ( 回环时间r o u n dt r i pt i m e ) 和p ( 丢包率) 燕起决定性作用的。分组丢失率p 的计簿应该在接受端谶行；而参数 r t t 既可以褒接收蠛计算，慰可以在发送端遴嚣计算，在a v t c 算法书，r 凌接收 端进行计算。 每隔装予令r 疆辩强，接毂瀵怒参数p 秘r 戳爱镶鹫发送翡。 发送端利用接受端反馈的信息计算所得到的缴送速率t 增加戚者是减少当前的发 送速率。 t f r c 拥塞控制算法最主要的耳的并不是侵略性地发现和使用网络的可用带宽， 而是遇到网络拥凑甜。傈持t c p f r i e n d l y 的同时，尽可能地使笈送速率保持相对的 穗定。 3 。3 。2 以速率为基础的m i m d ( 鑫，b ) 拥塞控制算法 论文中采用以速率为基础的搠塞控露4 算法m t m d ( a ，b ) ( m u l t i p l i c a t i v e i n c r e a s e m u l t i p l i c a t i v e d e c r e a s e ) 与以窗口为熬础的a i m d ( a ，b ) 2 0 ( a d d i t i v e - - i n c r e a s e m u l t i p l i c a t i v e - - d e c r e a s e ) 考一定殴嚣别。该冀法可隧镦如下的攒述# a 和b 是m i m d ( a ，b ) 模型的增加和减少参数。首先，我们定义一个拥塞点作为新 豹摇塞按翩震鬟麓舞始，在该掇褰控裁趱豢( 一令或若于令r t t 辩潺) 逮，发送穗戆健 输速率为r 。若在该拥塞周期内没有包秀失发生，则发送端的传输速率为( a + 1 ) 书r ， 脊羽，发送端的传输速率为( 1 - b ) 枣r 。 增加和减少发送速率棚塞控制周期的长度可以不同，般而蠢，减少发送遗率的 拥塞控制阁期要短于增加发送速率的拥察控制周期，这样做是为了尽豢遗模拟t c p 鲍拥塞控制策略，戥潢足t c p f r i e n d l y 性质。我们取减少的撼塞控制周期为一个r t t 查赛郯电大学鹱士辫究生学整论文第三章w v t p ( w i r e l e s s v i d e o t r a n s m i s s i o n p r o t o c 0 1 ) 熬描述 时间，增加的拥塞控制周期怒