基于功率分配的H.264空時(shí)編碼方案

摘要：針對傳統視頻傳輸重建圖像質(zhì)量低的問(wèn)題，提出了一種H．264碼流傳輸的新方案。在信源端，根據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(xiàn)上動(dòng)態(tài)分配發(fā)射功率。仿真結果表明，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(lái)，隨著(zhù)高速寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展與應用，無(wú)線(xiàn)視頻通信正成為人們廣泛關(guān)注的領(lǐng)域。如何顯著(zhù)提高無(wú)線(xiàn)通信系統中的頻譜效率，以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的通信容量的需求，成了世界范圍內廣泛關(guān)注和急需解決的問(wèn)題。多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)通過(guò)增加發(fā)射端和接收端的天線(xiàn)數量，可以有效緩和上述矛盾，該系統在發(fā)送端和接收端同時(shí)采用多元天線(xiàn)陣列以獲得空間復用和分集增益，空時(shí)碼(STC)則充分挖掘MIMO系統容量，是改善整個(gè)系統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準視頻，由于其高的編碼效率和良好的網(wǎng)
絡(luò )親和性，受到了國內外學(xué)者的廣泛重視。因世MIMO技術(shù)與H．264／AVC的結合將大大提高無(wú)線(xiàn)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(gè)NAL單元具有特定的數據類(lèi)型，它包含一個(gè)字節的NAL單元頭和一個(gè)原始字節序列載荷，其中由 NAL單元頭信息中的NRI的指來(lái)指示當前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(yǔ)義中，用nal_ref_ idc來(lái)指示當前NAL的優(yōu)先級。
基于這種思想，針對AnnexB數據格式下的H．264碼流，序列中的I幀或IDR幀(立即刷新幀)、SPS(序列參數集)，PPS(圖像參數集)這類(lèi)數據，其nal_ref_ide值為3，表示其所在NAL單元重要性級別很高，該類(lèi)數據一旦丟失會(huì )對視頻重建造成致命影響，因為I幀為幀內編碼模式，它用作 P幀的參考幀，因此只有保證它的準確傳輸才能確保圖像的完整解碼，SPS和PPS為解碼必須參數，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的數據作為一類(lèi)數據，對該類(lèi)數據采用較高級別保護；余下為二類(lèi)數據，采用低級別保護，并在此基礎上設計出不等差錯保護方案以提高重建圖像的質(zhì)量。

2 空時(shí)塊編碼(STBC)
空時(shí)碼是為了實(shí)現MIMO系統信道容量而提出的一種高可靠性信道編碼。它根據信道特性，有效地綜合了發(fā)送分集、接收分集、糾錯編碼和調制等技術(shù)，能夠以較低的發(fā)送功率實(shí)現較高頻譜效率的通信，可以達到逼近MIMO信道容量的性能。與不采用空時(shí)編碼的系統相比，在相同頻譜資源條件下，空時(shí)碼可以獲得更優(yōu)的抗誤碼性能。
空時(shí)編碼系統不僅提供了全分集增益，也提供了編碼增益，且具有線(xiàn)性的檢測復雜度。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，且不失一般性，本文采用一個(gè)2發(fā)1收的STBC系統，該系統也是目前最為經(jīng)典的一種空時(shí)碼，它不僅提供了全分集增益，也提供了編碼增益，且具有線(xiàn)性的檢測復雜度。此方案也是目前最為經(jīng)典的一種空時(shí)碼，其編碼結構為

接收天線(xiàn)上連續兩個(gè)時(shí)隙對應的接收信號可表示為

式中，h1和h2分別為兩根發(fā)射天線(xiàn)到接收天線(xiàn)的信道衰落系數，w1和w2為加在接收天線(xiàn)上的復高斯白噪聲，均值為0，方差為N0?？赏ㄟ^(guò)最大似然譯碼準則完成檢測。
3 基于功率分配的H．264空時(shí)編碼方案
3．1 功率分配策略
假設系統的總發(fā)射功率為P，有n根發(fā)射天線(xiàn)，并且每根天線(xiàn)上的發(fā)射功率為P0，因此有

為了實(shí)現不等差錯保護，針對2發(fā)1收STBC系統，假設天線(xiàn)1傳輸高優(yōu)先級碼流，對它分配較大的發(fā)射功率，設分配系數為k1，(k1>1)；天線(xiàn)2 傳輸低優(yōu)先級碼流，對其分配較小的發(fā)射功率，設分配系數為k2，(k21)，為了保證系統的總發(fā)射功率P不變，則分配的系數k1，k2應當滿(mǎn)足以下關(guān)系式

式中，n1，n2為每個(gè)時(shí)隙兩根天線(xiàn)上傳送的符號個(gè)數，在空時(shí)傳輸中有n1=n2；因此

式(6)即為空時(shí)系統中兩根發(fā)射天線(xiàn)的功率分配關(guān)系式。
3．2 基于功率分配的H．264空時(shí)編碼方案的算法實(shí)現
假設兩根發(fā)射天線(xiàn)上傳輸的碼字矩陣如式(6)所示，首先將待傳輸符號s1、s2分別乘上功率分配系數(k1或k2)，然后送入空時(shí)分組編碼器進(jìn)行正交空時(shí)編碼，最后經(jīng)發(fā)射天線(xiàn)傳輸出去，由空時(shí)系統一般傳輸模型(Y=HS+W)可得，接收信號可以表示為