自适应无线视频传输方法研究

论文摘要

尽管无线网络的发展非常迅速,但是无线视频传输依然面临着巨大的挑战,无线网络的动态性和异构性,高的错误率,传输链路的不可预测性,高度压缩的视频码流对传输错误非常敏感的特点,都对无线视频传输质量产生很大的影响。过去我们采用分层的网络协议,层与层之间采用固定的方式进行通信,不能对有限的频谱和功率资源进行有效地利用,不能很好地满足不同业务对于服务质量（QoS）的要求,必须要对传统的分层网络协议进行改革,因此跨层自适应资源调度成为下一代无线网络协议的研究热点。跨层设计的思想,并不完全否定传统网络的分层模式,而是将各层的特性参数协调融合,根据系统的约束条件和网络特征来进行整体设计和优化,使协议栈能够以全局的方式适应特定应用所需的QoS和网络状况的变化,实现资源的有效分配,提高网络的综合性能。跨层设计使得同时满足视频业务对于传输速率、错误率和时延的苛刻要求成为可能,具有非常重要的研究价值。本论文根据国家自然科学基金重大项目子课题“基于MIMO-OFDM系统的空中接口自适应技术研究”和国家高技术研究发展计划（863计划）重大专项课题“新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路技术研究（FuTURE/B3G）”的要求,主要研究自适应无线视频传输中的关键问题。去除了时间和空间冗余的视频压缩数据对传输中的错误非常敏感,为了避免错误对视频的影响,在传输过程中我们又需要给码流添加冗余,增加码流的抗错性能,这些冗余可以在信源编码中添加,也可以在信道传输中添加,这些冗余在增强码流可靠性的同时给编码效率带来损失。本文首先建立了端到端的视频传输系统模型,对视频编解码及传输过程中的信源编码失真、信道传输失真、后续帧失真的预测进行了系统的分析,建立了信源编码失真和信道传输失真与冗余之间的关系的模型,然后对视频传输的信源信道联合编码方法进行了归纳,提出了跨层自适应联合优化的目标函数。针对平坦衰落信道和频率选择性衰落信道下的视频传输,研究了两种不同类型的跨层联合优化方法。我们对Nakagami信道下不同自适应传输方法及其频谱效率进行了研究,并对Rayleigh信道下自适应MQAM调制的性能进行了分析和仿真。在此基础上,提出一种自底向上的跨层自适应方法,对物理层、链路层和应用层进行联合优化设计,一方面通过下层的自适应传输在一个较粗的尺度上进行传输速率调整,适应信道变化,获得最大的频谱效率;另一方面通过层与层之间的信息传递,在满足QoS约束条件下,选择最优的参数组合,取得信源编码失真和信道传输失真之间的平衡,获得最好的传输质量。频率选择性衰落信道下的自适应OFDM能够将频率选择性衰落信道转化为一组平坦衰落子信道,如果能够利用不同性能的子信道传输不同重要性的视频数据,那么就能够实现对视频的不平等保护。我们对频率选择性衰落信道下的自适应OFDM方法进行了研究,并对几种不同的AOFDM自适应算法进行了分析和仿真。然后对分层可伸缩视频编码方法进行了研究,并建立了质量可伸缩FGS的编码与传输失真模型。在此基础上,提出一种自顶向下的跨层不平等保护方法,应用层质量可伸缩FGS视频编码产生具有不同重要性的码流,在传输过程中,通过自顶向下的跨层信息传递,将码流的重要性信息传递到链路层和物理层,针对码流的重要性信息和当前信道条件,对重传策略和子信道的分配进行调整,使得基本层码流获得更好的保护,提高视频传输质量。过去对于视频传输中的错误控制方法研究大多集中在如何提高视频的平均传输质量上,但是视频质量的波动同样是关系到视觉效果的关键问题。我们对信道传输失真及误差蔓延对视频质量的影响进行了系统分析,在此基础上提出了宏块重要性测度定义,并提出一种新的根据宏块重要性测度进行视频打包方法,以减小由于丢包带来视频质量波动,使其更加有利于无线环境下的视频传输。我们还提出了一种双向PGOP方法,该方法能够根据场景的变化,自适应调整I宏块更新的方向,双向PGOP方法能够在保持PGOP错误恢复能力的同时提高编码效率。最后,本文讨论了视频编解码方法及其在远程教育中的应用,提出一种新的三级体系结构,它基于IP网络,利用单播、组播相结合的方式均衡各段链路的流量负载,实现跨网段多媒体数据传输。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的选题与内容要点
• 2 视频传输失真模型研究
• 2.1 端到端视频传输系统模型
• 2.2 端到端视频传输的率失真分析
• 2.3 跨层自适应联合优化目标
• 2.4 本章小结
• 3 平坦衰落信道下的跨层自适应视频传输
• 3.1 Nakagami 信道下自适应传输方法研究
• 3.2 自底向上的跨层自适应视频传输方法研究
• 3.3 仿真结果与分析
• 3.4 本章小结
• 4 频率选择性衰落信道下的跨层自适应保护方法研究
• 4.1 自适应OFDM 方法研究
• 4.2 分层可伸缩视频编码方法研究
• 4.3 基于AOFDM 和FGS 的跨层不平等保护方法研究
• 4.4 本章小结
• 5 视频传输中的错误控制方法研究
• 5.1 视频传输的错误控制方法研究
• 5.2 基于宏块重要性测度的视频打包方法
• 5.3 一种改进的I 宏块更新方法
• 5.4 视频传输技术的应用
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士期间发表论文目录
• 附录2 缩略语表
• 附录3 国家自然科学基金委员会文件
• 附录4 科技型中小企业技术创新基金项目成果鉴定
• 附录5 华为基金项目合同