基于效用優(yōu)化的視頻通信關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著視頻編碼技術(shù)的飛速發(fā)展，3G/4G移動無線通信網(wǎng)絡(luò)的日益成熟，以及諸如智能手機、平板電腦等智能終端的廣泛普及，視頻通信業(yè)務(wù)得到了越來越廣泛的應用。視頻通信綜合考慮了信源視頻壓縮編碼技術(shù)以及編碼后數(shù)據(jù)的傳輸這兩個方面，同時對高效的視頻壓縮編解碼以及快速可靠的數(shù)據(jù)傳輸提出了具有挑戰(zhàn)性的要求，即如何在視頻通信系統(tǒng)以及異構(gòu)的視頻通信網(wǎng)絡(luò)中保證諸如端到端視頻失真、端到端延遲之類的視頻通信業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量。為了能夠充分利用有限的計算、帶寬、功耗等資

2、源，以解決視頻通信問題中的這一挑戰(zhàn)，本文將具有良好壓縮性能的先進視頻編碼技術(shù)與基于效用優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)傳輸控制有效融合，主要研究了基于效用優(yōu)化的視頻通信技術(shù)。按照傳輸場景以及相應視頻編碼方式由簡單到復雜的順序，本文逐層遞進地解決了單信源單終端的端到端視頻通信系統(tǒng)中的效用函數(shù)建模及碼率優(yōu)化控制、單信源多終端組播網(wǎng)絡(luò)中的可伸縮視頻流多碼率組播的碼率優(yōu)化分配、以及多信源多終端無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布式信源視頻信號采集的資源優(yōu)化分配這三大類視頻通信中

3、的核心問題。相應地，本文的具體研究內(nèi)容分為以下三個部分：
　　首先，作為其它更為復雜的信源編碼方式及網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中視頻通信的基礎(chǔ)，本文在簡單的單信源單終端視頻通信系統(tǒng)中，研究了端到端視頻通信系統(tǒng)的效用函數(shù)建模以及基于效用優(yōu)化的碼率控制技術(shù)。這部分工作包含兩個創(chuàng)新點。第一，單獨對視頻編碼器的延遲-功耗-碼率-失真（d-P-R-D）四維參數(shù)進行了聯(lián)合建模，并且為視頻編碼器構(gòu)建了能夠?qū)ρ舆t、功耗、碼率和失真四維效用函數(shù)聯(lián)合優(yōu)化的碼率控制

4、算法，所提出的d-P-R-D效用模型以及基于d-P-R-D聯(lián)合優(yōu)化的碼率控制算法為延遲和功耗受限的視頻通信系統(tǒng)跨層設(shè)計以及性能優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)和實際指導。第二，將視頻編碼器的研究擴展到完整的端到端視頻通信系統(tǒng)，分別分析了信源編碼以及傳輸?shù)难舆t、碼率和失真效用建模，并且通過考慮整個端到端延遲在不同延遲分量之間的分配構(gòu)建了基于延遲-碼率-失真（d-R-D）優(yōu)化的碼率控制算法，從而為傳輸碼率和端到端延遲受限的視頻通信系統(tǒng)實現(xiàn)最小的視頻端到端

5、失真。
　　其次，在更為復雜的單信源多終端視頻通信系統(tǒng)中，本文按照從靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的理論假設(shè)到動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的實際場景的順序，研究了視頻組播網(wǎng)絡(luò)中可伸縮視頻流多碼率組播的碼率優(yōu)化分配技術(shù)。這部分工作包含三個創(chuàng)新點。第一，針對靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性的理論假設(shè)，對可伸縮視頻流在有線、無線混合網(wǎng)絡(luò)中的多碼率組播進行效用優(yōu)化建模，并且利用網(wǎng)絡(luò)編碼保證組播容量，從而使得各終端節(jié)點對分層視頻流的接收能夠滿足可伸縮視頻編碼層間依賴性約束以實現(xiàn)最小的視頻接收失真。第二

6、，考慮實際無線網(wǎng)絡(luò)中參數(shù)的不確定性，在前述的靜態(tài)效用優(yōu)化問題基礎(chǔ)之上對實際無線網(wǎng)絡(luò)中的可伸縮視頻流多碼率組播進行了分布式魯棒優(yōu)化建模，通過增加與原始路徑分離的備選路徑并且為其預留部分帶寬資源，以及引入無線介質(zhì)容量的不確定集合，通過一定程度上優(yōu)化性能的損失以換取對動態(tài)網(wǎng)絡(luò)不確定性因素的適應性，并且在網(wǎng)絡(luò)魯棒性與系統(tǒng)最優(yōu)性能之間找到最佳的折衷。第三，針對動態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)的時變特性，通過機會路由的動態(tài)路由機制的引入，采用動態(tài)網(wǎng)絡(luò)效用最大化的多時間

7、段建模方法提出了基于機會路由和網(wǎng)絡(luò)編碼的可伸縮視頻流多碼率組播的聯(lián)合碼率分配和傳輸調(diào)度的優(yōu)化問題，提升了網(wǎng)絡(luò)組播吞吐量以及對時變動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的適應性。
　　最后，在包括了多個交織視頻流的多信源多終端視頻通信系統(tǒng)中，本文研究了無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中多信源視頻流分布式采集和協(xié)同傳輸?shù)馁Y源優(yōu)化分配技術(shù)。這部分工作的創(chuàng)新點為：通過對具體編碼行為的分析為分布式視頻信源編碼提出了一般的功耗模型，并在此基礎(chǔ)之上綜合考慮網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點功耗以及視頻失