單信道無(wú)線視頻通信跨層性能優(yōu)化.pdf

1、隨著視頻壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，數(shù)字視頻得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。特別是最近幾年隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷提高，無(wú)線視頻通信已經(jīng)逐漸成為人們工作和生活中不可缺少的一部分。但由于壓縮視頻對(duì)于傳輸錯(cuò)誤（如分組丟失）非常敏感，并有著嚴(yán)格的時(shí)延需求，而無(wú)線信道固有的特性導(dǎo)致誤碼率高、信道干擾嚴(yán)重、且傳輸帶寬有限、波動(dòng)較大，因此難以為視頻傳輸提供可靠的服務(wù)質(zhì)量(quality-of-service, QoS)保證，這就使無(wú)線視頻傳輸?shù)腝oS研

2、究成為一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。
　　無(wú)線視頻傳輸?shù)腝oS技術(shù)涉及到視頻編碼、無(wú)線通信、優(yōu)化理論、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)管理等許多研究領(lǐng)域的核心技術(shù)。針對(duì)目前視頻在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)傳輸中所面臨的難以提供QoS保證的問(wèn)題，本文從視頻編碼解碼、資源（包括功率、比特、帶寬等）分配、分組調(diào)度、率失真控制等方面進(jìn)行深入研究，在充分利用相關(guān)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，充分考慮單信道無(wú)線網(wǎng)絡(luò)特征和視頻流量特點(diǎn)，建立合理的目標(biāo)函數(shù)，提出了新的處理方法和模型，從而有效地提高了視

3、頻傳輸?shù)腝oS。
　　首先，網(wǎng)絡(luò)丟包率是資源分配的重要參數(shù)依據(jù)，針對(duì)給定的視頻流和網(wǎng)絡(luò)條件（鏈路狀態(tài)和背景流量），如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)多跳視頻數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，本文建立了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network, ANN)的多跳分組延遲違約模型；構(gòu)建了解決多流資源競(jìng)爭(zhēng)的非凸優(yōu)化框架；提出了基于拉格朗日對(duì)偶分解方法(Lagrange dual decomposition algorithm)的分布式自適應(yīng)帶寬分配策略

4、。
　　其次，IEEE802.11物理層支持多種傳輸速率，但是速率選擇策略在協(xié)議中并未規(guī)定，如何根據(jù)時(shí)變的信道情況選擇最佳的傳輸速率始終是一個(gè)熱點(diǎn)研究問(wèn)題。為此，本文探討無(wú)線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸?shù)姆謱臃?wù)映射問(wèn)題，通過(guò)模擬視頻流量和無(wú)線信道作為聯(lián)合馬爾可夫調(diào)制的泊松過(guò)程(Markov-modulated Poisson process, MMRP)，妥善分割馬爾可夫過(guò)程狀態(tài)，提出了基于MMRP的視頻流自適應(yīng)碼率分配方案和可伸縮視頻服務(wù)映射

5、機(jī)制，根據(jù)無(wú)線時(shí)變信道的傳輸能力，提供視頻服務(wù)質(zhì)量和信道利用率之間的最佳折衷。
　　然后，針對(duì)如何在帶寬、能量、時(shí)延等資源約束之下，使用便攜式通信設(shè)備編碼、譯碼和傳送具有高服務(wù)質(zhì)量的視頻數(shù)據(jù)等問(wèn)題，本文推導(dǎo)了接收機(jī)解碼器的功率-碼率-失真(power-rate-distortion, P-R-D)的關(guān)系并給出了聯(lián)合“物理層-鏈路層-應(yīng)用層”的資源分配和性能優(yōu)化方案，將功率消耗問(wèn)題整合到視頻編碼和解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了視頻編解碼和

6、無(wú)線傳輸之間的一種有效折衷。
　　最后，在視頻錄制和壓縮過(guò)程，被編碼的比特率需要加以控制以滿足視頻存儲(chǔ)空間或傳輸帶寬的限制。對(duì)于一個(gè)給定的比特預(yù)算，不僅每個(gè)視頻幀需要在信源編解碼過(guò)程以高質(zhì)量水平進(jìn)行編碼和解碼，而且?guī)綆母兄|(zhì)量的變化需要隨時(shí)間的進(jìn)度保持足夠地平穩(wěn)和流暢，使質(zhì)量閃爍或運(yùn)動(dòng)跳躍最小化。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文建立了ρ-域長(zhǎng)跨距流量預(yù)測(cè)模型(ρ-domain long-span traffic,ρ-LSP)，將現(xiàn)有的ρ-域

7、速率模型的應(yīng)用從基于宏塊(MB)的速率控制擴(kuò)展到基于幀的流量預(yù)測(cè)，提高了ρ-域速率模型的線性度和收斂速度?；讦?LSP提出了基于低通濾波函數(shù)的R-D控制方案(SRC)和自適應(yīng)窗口控制機(jī)制，對(duì)目標(biāo)比特率和視頻失真進(jìn)行在線控制。
　　大量且廣泛的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的性能優(yōu)化方案能在一定程度上支持單信道無(wú)線視頻通信，在延遲約束下能夠找到視頻編解碼和無(wú)線傳輸之間的最優(yōu)資源折衷，并獲得顯著的性能增益。以上這些工作達(dá)到了理論研究與實(shí)際