《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于晶格量化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視頻聯(lián)合信源信道編碼
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
王 強1，楊俊波2，冉耀宗1，石 維3
1.銅仁學(xué)院 大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州 銅仁554300；2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，湖南 長沙410000； 3.銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁554300
摘要： 為提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸質(zhì)量，提出一種基于晶格量化的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視頻聯(lián)合信源信道編碼方法。首先，利用多描述聯(lián)合信源信道編碼的信號源并行信道傳輸方案，建立高斯視頻源傳輸?shù)亩嗝枋霆毩⒌牟⑿行诺纻鬏斂蚣?；其次，采用晶格尺度量化方法分別考慮有或無邊信息解碼器情形下實現(xiàn)模擬映射帶寬的降低，通過帶寬擴展來提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸性能；最后，通過與VPS、FMS和DMUS 3種算法在編碼冗余度、編碼速率、峰值信噪比、端到端視頻幀延遲以及有效損失率指標(biāo)上的對比試驗，驗證了所提方法的有效性。
?中圖分類號： TP391
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172823
中文引用格式： 王強，楊俊波，冉耀宗，等. 基于晶格量化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視頻聯(lián)合信源信道編碼[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(4)：108-112.
英文引用格式： Wang Qiang，Yang Junbo，Ran Yaozong，et al. SCLQ-JSCC：Joint source channel coding for heterogeneous network video transmission based on six corner lattice quantization[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(4)：108-112.
SCLQ-JSCC：Joint source channel coding for heterogeneous network video transmission based on six corner lattice quantization
Wang Qiang1，Yang Junbo2，Ran Yaozong1，Shi Wei3
1.School of Data Science，Tongren University，Tongren 554300，China； 2.School of Science，National Defense Science and Technology University，Changsha 410000，China； 3.School of Materials and Chemical Engineering，Tongren University，Tongren 554300，China
Abstract： In order to improve the heterogeneous network video transmission quality, this paper proposes a joint source channel coding for heterogeneous network video transmission based on six corner lattice quantization. Firstly, the multiple description independent parallel channel transmission framework for Gauss video source transmission is established by using the parallel channel transmission scheme of multi source channel coding. Secondly, the six corner lattice quantization method is used to improve the performance of the heterogeneous network video transmission, which can be used to reduce the bandwidth of the analog map under the condition of the presence or absence of the decoder. Finally, by comparation with VPS, FMS and DMUS three kinds of algorithm in the index of encoding redundancy, encoding rate, peak signal-to-noise ratio, the end-to-end delay and the loss of effective video frame rate, the effectiveness of the proposed method is verifred.
Key words : six corner lattice; scale quantization; heterogeneous network; video transmission; joint source channel coding

0 引言

    近年來，基于移動技術(shù)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(yīng)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(dá)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(luò)下確保超清視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允欠?wù)商面臨的主要難題。

    雖然，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已為用戶提供不同的互聯(lián)網(wǎng)接入方法，但單一網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(wù)需求。WiMAX網(wǎng)絡(luò)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(luò)性能受限使得異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)帶寬整合問題得到學(xué)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(xiàn)[5、6]；(2)在設(shè)定信道參數(shù)和狀態(tài)情形下，如何對編碼速率進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到需要的傳輸目標(biāo)，例如文獻(xiàn)[7]；(3)信道編碼的可靠性改進(jìn)，如噴泉碼、Turbo等；(4)聯(lián)合編碼優(yōu)化算法設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)性能提升，如文獻(xiàn)[8]；文獻(xiàn)[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(zhì)量的弱化，影響用戶體驗和視頻服務(wù)質(zhì)量。對此，本文主要針對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸問題，在解碼器中利用晶格量化轉(zhuǎn)換進(jìn)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)并行信道傳輸方案如圖1所示。

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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)：

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2 基于晶格量化器的模擬MD-JSCC方案

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2.1 多重描述的模擬映射

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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：

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2.3 編碼-解碼過程

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其中，θ是旋轉(zhuǎn)角度。輸出的最大相關(guān)可利用旋轉(zhuǎn)角度θ=π/2獲得，可參見文獻(xiàn)[9]。所提聯(lián)合模擬信源信道MD編碼方案如圖2所示。

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    圖2中，(S1，S2)可通過以下步驟編碼X1：

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    (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：

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3 實驗分析

3.1 實驗設(shè)置

    選取Exata作為網(wǎng)絡(luò)仿真器，設(shè)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(jìn)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(jìn)行整合開發(fā)，具體開發(fā)細(xì)節(jié)可參照Exata使用手冊。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，預(yù)留有線網(wǎng)絡(luò)接入端口，端配的無線網(wǎng)絡(luò)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(wù)端的連接。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)有關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

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    本文將所提SCLQ-JSCC算法同下列多路徑/異構(gòu)網(wǎng)視頻傳輸方案進(jìn)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(jìn)行異構(gòu)網(wǎng)視頻傳輸路徑構(gòu)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(jìn)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(shè)定為數(shù)值1，因為SVC/H.264編碼的可伸縮性。

3.2 結(jié)果分析

    為對所提SCLQ-JSCC算法性能進(jìn)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(jìn)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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。

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    實驗過程中，視頻接收的PSNR指標(biāo)(峰值信噪比)標(biāo)準(zhǔn)差、均值和瞬時值對比結(jié)果如表2所示。表2實驗結(jié)果顯示，在PSNR指標(biāo)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(fù)原質(zhì)量相對更好。而在PSNR指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差上，本文算法的標(biāo)準(zhǔn)差最小，這表明所提算法視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性更好。

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    圖5所示結(jié)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(jié)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。

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    圖6所示為[30，80]s時間段內(nèi)的有效損失率指標(biāo)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(guān)聯(lián)，同時還和視頻幀丟失情況有關(guān)，因此該指標(biāo)可一定程度上體現(xiàn)視頻傳輸過程的質(zhì)量變化。

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    根據(jù)圖6所示可知，在有效損失率指標(biāo)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(shù)，導(dǎo)致其在損失率上要高于VPS及本文SCLQ-JSCC算法。上述實驗結(jié)果驗證了所提算法在視頻數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和傳輸速度上的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

    本文提出基于晶格量化的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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?，采用晶?a class="innerlink" href="http://theprogrammingfactory.com/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(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(luò)MD-JSCC方案模擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)

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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(xué)院 大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州 銅仁554300；2.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，湖南 長沙410000；

3.銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁554300）

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