0 引言

    近年來，基于移動技術的視頻傳輸(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年將達到70%左右。2012~2017年，移動總流量將增長14倍左右^[2]。如何保證在現(xiàn)有網(wǎng)絡下確保超清視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允欠丈堂媾R的主要難題。

    雖然，當前網(wǎng)絡基礎設施建設已為用戶提供不同的互聯(lián)網(wǎng)接入方法，但單一網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸能力仍存在限制，無法提供滿意的移動視頻傳輸性能^[3]。WLAN網(wǎng)絡存在的主要問題是帶寬受限，覆蓋范圍小，無法滿足大量移動用戶的移動視頻服務需求。WiMAX網(wǎng)絡相對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，多媒體實時高吞吐量需求無法滿足。單一網(wǎng)絡性能受限使得異構網(wǎng)絡帶寬整合問題得到學者們的高度重視。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[5、6]；(2)在設定信道參數(shù)和狀態(tài)情形下，如何對編碼速率進行調整以達到需要的傳輸目標，例如文獻[7]；(3)信道編碼的可靠性改進，如噴泉碼、Turbo等；(4)聯(lián)合編碼優(yōu)化算法設計，實現(xiàn)系統(tǒng)性能提升，如文獻[8]；文獻[9]研究了在帶寬限制情況下的編碼速率最優(yōu)化問題，可實現(xiàn)視頻端到端失真的最小化。

    但是，上述算法利用差錯控制方式，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)視頻傳輸質量的弱化，影響用戶體驗和視頻服務質量。對此，本文主要針對異構網(wǎng)絡視頻傳輸問題，在解碼器中利用晶格量化轉換進行了多描述聯(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）的信號源異構網(wǎng)絡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)是可以實現(xiàn)的。其中，MD-SC問題的率失真區(qū)域R(D₀，D₁，D₂)是速率對(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是旋轉角度。輸出的最大相關可利用旋轉角度θ=π/2獲得，可參見文獻[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(Z₁，Z₂)₀，其替代形式為：

3 實驗分析

3.1 實驗設置

    選取Exata作為網(wǎng)絡仿真器，設置如下：仿真平臺版本是Exata 2.1，該平臺是由QualNet開發(fā)的高級模擬版本，可用來進行半實物環(huán)境下的實驗仿真。為實現(xiàn)獲得H.264實時視頻流的目的，利用Exata 2.1與本文算法進行整合開發(fā)，具體開發(fā)細節(jié)可參照Exata使用手冊。網(wǎng)絡結構設計中，預留有線網(wǎng)絡接入端口，端配的無線網(wǎng)絡接口有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端的連接。異構網(wǎng)絡有關參數(shù)設置如表1所示。

    本文將所提SCLQ-JSCC算法同下列多路徑/異構網(wǎng)視頻傳輸方案進行對比：(1)虛擬路徑傳輸系統(tǒng)(Virtual Path System，VPS)。該方法采用噴泉碼進行異構網(wǎng)視頻傳輸路徑構建，在算法實現(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)設定為數(shù)值1，因為SVC/H.264編碼的可伸縮性。

3.2 結果分析

    為對所提SCLQ-JSCC算法性能進行驗證，選擇可容忍的傳輸丟失率對前向糾錯碼(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)冗余度和視頻編碼速率進行對比。

    圖4所示為3種對比算法冗余度和視頻編碼速率兩項指標的對比情況。從圖4(a)可看出，所提SCLQ-JSCC算法在編碼冗余度指標要明顯優(yōu)于VPS以及MFRA兩種算法，同時MFRA策略因為考慮到了冗余度優(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上，本文算法要優(yōu)于選取的兩種對比策略，而VPS策略因為考慮到了虛擬路徑傳輸問題，因此其編碼速率要高于MFRA算法。

    實驗過程中，視頻接收的PSNR指標(峰值信噪比)標準差、均值和瞬時值對比結果如表2所示。表2實驗結果顯示，在PSNR指標均值上，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中的失真相對最小，本文算法的視頻復原質量相對更好。而在PSNR指標標準差上，本文算法的標準差最小，這表明所提算法視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性更好。

    圖5所示結果為視頻傳輸過程中的幀延遲累積分布。根據(jù)圖5實驗結果可知，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，因此會影響視頻幀的傳輸延遲。

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

    根據(jù)圖6所示可知，在有效損失率指標上，本文算法要小于選取的VPS及MFRA算法，MFRA因為采用了視頻分流傳輸技術，導致其在損失率上要高于VPS及本文SCLQ-JSCC算法。上述實驗結果驗證了所提算法在視頻數(shù)據(jù)傳輸質量和傳輸速度上的優(yōu)勢。

4 結束語

    本文提出基于晶格量化的異構網(wǎng)絡視頻聯(lián)合信源信道編碼方法，建立高斯視頻源傳輸?shù)亩嗝枋霆毩⒉⑿行诺纻鬏斂蚣埽捎镁Ц?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/尺度量化" title="尺度量化" target="_blank">尺度量化方法實現(xiàn)模擬映射帶寬降低，通過帶寬擴展來提高異構網(wǎng)絡視頻傳輸性能。今后將主要針對多接入中繼信道或多跳網(wǎng)絡MD-JSCC方案模擬網(wǎng)絡拓撲結構進行研究。

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作者信息:

王  強1，楊俊波2，冉耀宗1，石  維3

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

3.銅仁學院 材料與化學工程學院，貴州 銅仁554300）