基于功率分配的H.264空時編碼方案

摘要：針對傳統(tǒng)視頻傳輸重建圖像質(zhì)量低的問題，提出了一種H．264碼流傳輸?shù)男路桨?。在信源端，根?jù)H．264碼流重要性差異，將其分為兩部分。采用MIMO信道傳輸視頻信號，在保持總發(fā)射功率恒定的情況下，在兩根天線上動態(tài)分配發(fā)射功率。仿真結(jié)果表明，在同等信道條件下，提出的方案有效提高了接收端的重建圖像質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：H．264；不等差錯保護；多輸入多輸出；功率分配

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)送端和接收端同時采用多元天線陣列以獲得空間復(fù)用和分集增益，空時碼(STC)則充分挖掘MIMO系統(tǒng)容量，是改善整個系統(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NAL單元具有特定的數(shù)據(jù)類型，它包含一個字節(jié)的NAL單元頭和一個原始字節(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。
    基于這種思想，針對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單元重要性級別很高，該類數(shù)據(jù)一旦丟失會對視頻重建造成致命影響，因為I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)，它的丟失勢必對圖像造成致命影響。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)，對該類數(shù)據(jù)采用較高級別保護；余下為二類數(shù)據(jù)，采用低級別保護，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出不等差錯保護方案以提高重建圖像的質(zhì)量。

2 空時塊編碼(STBC)
    空時碼是為了實現(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、糾錯編碼和調(diào)制等技術(shù)，能夠以較低的發(fā)送功率實現(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。與不采用空時編碼的系統(tǒng)相比，在相同頻譜資源條件下，空時碼可以獲得更優(yōu)的抗誤碼性能。
    空時編碼系統(tǒng)不僅提供了全分集增益，也提供了編碼增益，且具有線性的檢測復(fù)雜度。為簡便起見，且不失一般性，本文采用一個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，且具有線性的檢測復(fù)雜度。此方案也是目前最為經(jīng)典的一種空時碼，其編碼結(jié)構(gòu)為
  
    接收天線上連續(xù)兩個時隙對應(yīng)的接收信號可表示為
  
    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。
3 基于功率分配的H．264空時編碼方案
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
  
    為了實現(xiàn)不等差錯保護，針對2發(fā)1收STBC系統(tǒng)，假設(shè)天線1傳輸高優(yōu)先級碼流，對它分配較大的發(fā)射功率，設(shè)分配系數(shù)為k1，(k1>1)；天線2 傳輸?shù)蛢?yōu)先級碼流，對其分配較小的發(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為每個時隙兩根天線上傳送的符號個數(shù)，在空時傳輸中有n1=n2；因此
  
    式(6)即為空時系統(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空時編碼方案的算法實現(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s1、s2分別乘上功率分配系數(shù)(k1或k2)，然后送入空時分組編碼器進行正交空時編碼，最后經(jīng)發(fā)射天線傳輸出去，由空時系統(tǒng)一般傳輸模型(Y=HS+W)可得，接收信號可以表示為
  


4 仿真結(jié)果及分析
    為了驗證提出方案的優(yōu)越性，采用空時編碼系統(tǒng)與H.264編碼器的級聯(lián)模型，并與傳統(tǒng)的2發(fā)1收STBC正交空時系統(tǒng)做比較，所有的調(diào)制符號均選自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。測試中，天線1傳送高優(yōu)先級碼流，天線2傳送低優(yōu)先級碼流。本文用 Eb／No的大小表示傳輸系統(tǒng)的信噪比(通常Eb／No表示一個比特的信號平均能量與噪聲的平均功率譜密度之比)。測試序列為“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，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正交空時系統(tǒng)的誤碼性能對比。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)先級碼流，其抗誤碼性能的提高勢必會提高重建圖像質(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，從而驗證了改進方案的合理性及優(yōu)越性。


4．2 重建圖像主觀效果對比
    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，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，在兩根天線上動態(tài)分配發(fā)射功率以提升高優(yōu)先級碼流的誤碼性能，進而提高重建圖像質(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。