專利名稱：無線多媒體通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明特別涉及到多天線正交頻分復(fù)用(OFDM)的無線多媒體通信方法。
背景技術(shù)：
無線通信與Intemet、多媒體融合而成的無線多媒體通信是當(dāng)前及未來通信業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)點(diǎn)。為滿足無線多媒體和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅枰_發(fā)新一代無線通信系統(tǒng)。其中多天線輸入和輸出(MIMO)和正交頻分復(fù)用(OFDM)相結(jié)合的MIMO-OFDM無線傳輸技術(shù)受到廣泛關(guān)注。
MIMO和OFDM相結(jié)合的MIMO-OFDM技術(shù)具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。也就是，MIMO-OFDM既能通過OFDM調(diào)制把頻率選擇性MIMO衰落信道分解成一組并行的平坦衰落信道，又能利用MIMO提高了系統(tǒng)容量，適用于傳輸高速率的音、視頻等多媒體業(yè)務(wù)。
在無線多媒體通信中，與數(shù)據(jù)、音頻相比，視頻的無線傳輸尤為困難。且在利用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)囊曨l編碼算法中，大多數(shù)幀與前面的幀相關(guān)。任一幀的錯(cuò)誤將傳播到后續(xù)的若干幀中而引起嚴(yán)重的傳輸質(zhì)量的降低。由于視頻的實(shí)時(shí)特性，視頻幀必須在一定持續(xù)時(shí)間內(nèi)接收。高比特率、低錯(cuò)誤率和低時(shí)延是對(duì)視頻通信的固有要求。傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為各層協(xié)議相互獨(dú)立，在無線視頻情況下，視頻應(yīng)用獨(dú)立于傳輸信道。
但在無線傳播環(huán)境下，陰影、多徑衰落和其他干擾造成接收視頻質(zhì)量惡化。為降低錯(cuò)誤率，視頻流的編碼比特率必須與信道傳輸比特率相適應(yīng)。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，物理層和媒體接入控制(MAC)層需要復(fù)雜的緩存器和糾錯(cuò)機(jī)制，以使無線信道類似于一個(gè)恒定比特率、高可靠的有線信道。
由于視頻應(yīng)用通常有嚴(yán)格的時(shí)延要求，即使信道條件較好，傳送質(zhì)量也并不能得到保證。在已提出的提高多媒體傳輸質(zhì)量的技術(shù)中，前向糾錯(cuò)(FEC)機(jī)制增加了編碼冗余，自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)(ARQ)機(jī)制的性能好于FEC，但引入了時(shí)延。且這些技術(shù)中，物理層與視頻應(yīng)用層也是相互獨(dú)立的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無線多媒體通信方法，與傳統(tǒng)的層間獨(dú)立不同，在視頻應(yīng)用層利用物理層信道狀態(tài)信息(CSI)，由此能提高無線視頻傳輸質(zhì)量。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種無線多媒體通信方法，包括下述步驟對(duì)多媒體視頻流進(jìn)行分級(jí)編碼，按照特定的分級(jí)編碼方式，把多媒體視頻流分成基本層和增強(qiáng)層；應(yīng)用層根據(jù)從物理層得到的當(dāng)前信道傳輸速率信息，在從物理層進(jìn)行發(fā)送時(shí)，確定最大傳輸速率是否大于當(dāng)前信道傳輸速率；如果所述最大傳輸速率不大于當(dāng)前信道傳輸速率，則結(jié)束處理；如果所述最大傳輸速率大于當(dāng)前信道傳輸速率，則進(jìn)行以下處理如果所述特定的分級(jí)編碼方式為第一分級(jí)編碼方式，則從所述基本層開始發(fā)送，并在所述增強(qiáng)層增加比特，直到視頻流的當(dāng)前信道傳輸速率剛好低于最大傳輸速率；如果所述特定的分級(jí)編碼方式為第二分級(jí)編碼方式，則如果所述最大傳輸速率能同時(shí)容納所述基本層和所述增強(qiáng)層，則所述基本層和所述增強(qiáng)層均被發(fā)送；如果所述最大傳輸速率不能同時(shí)容納所述基本層和所述增強(qiáng)層，僅發(fā)送所述基本層。
根據(jù)本發(fā)明，與傳統(tǒng)的層間獨(dú)立不同，在視頻應(yīng)用層利用物理層信道狀態(tài)信息，由此能提高無線視頻傳輸質(zhì)量。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MIMO-OFDM無線多媒體通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的跨層聯(lián)合方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。應(yīng)該指出，所描述的實(shí)施例僅是為了說明的目的，而不是對(duì)本發(fā)明范圍的限制。
本發(fā)明的思想是在發(fā)送端利用反饋得到的信道信息確定發(fā)送比特流的速率，下面結(jié)合圖1和圖2具體說明本發(fā)明的實(shí)施例。
在第一步，在發(fā)送端對(duì)多媒體比特流進(jìn)行分級(jí)編碼(S21)。也就是，視頻應(yīng)用層使用信噪比、空間、時(shí)間、精細(xì)粒度等分級(jí)編碼技術(shù)把比特流分成基本層和增強(qiáng)層。
在分級(jí)編碼技術(shù)中，視頻序列被編碼為多個(gè)比特流(層)，各層的重要性和比特率可變。視頻接收質(zhì)量取決于接收到的基本層和增強(qiáng)層的數(shù)目。最重要的是基本層，包括粗糙粒度信息。增強(qiáng)層包括一些增強(qiáng)信息，它能加入到基本層的信息中。離基本層越遠(yuǎn)，增強(qiáng)層的相對(duì)重要性越低?；緦泳哂歇?dú)立性，無論能否獲得增強(qiáng)層，它均能被譯碼。相反，若無基本層和以前的增強(qiáng)層信息，增強(qiáng)層不能被譯碼。分級(jí)視頻編碼的結(jié)果是視頻比特流被編碼為多個(gè)比特率而不是一個(gè)比特率。由于無線信道衰落使比特率變化較快，需要一種有效機(jī)制來克服衰落的影響，在信源端采用分級(jí)編碼是一種抗誤碼的有效方法，分級(jí)編碼(Scalability Coding)可以分為信噪比(SNR ScalabilityCoding)分級(jí)編碼、時(shí)間分級(jí)編碼、空間分級(jí)編碼以及精細(xì)粒度分級(jí)(FGS)編碼的四類。
在信噪比(SNR)分級(jí)編碼中，發(fā)射視頻比特流的信噪比通過比例量化系數(shù)度量。不同量化精度導(dǎo)致原始的與量化的視頻之間不同的PSNR(PeakSignal to Noise Ratio)，故稱為SNR可分級(jí)性(SNR Scalable)。基本層通過對(duì)原始圖像或在變換域應(yīng)用一個(gè)粗量化器得到。增強(qiáng)層包含原始圖像與由基本層重建圖像之間的量化差值，采用的量化器更精細(xì)，能達(dá)到比基本層更好的質(zhì)量。
在時(shí)間分級(jí)編碼中，可以對(duì)不同內(nèi)容的層采用不同幀率。一般對(duì)基本層以低幀率編碼，而對(duì)增強(qiáng)層以高的幀率編碼以獲得好的視頻質(zhì)量。
在空間分級(jí)編碼中，以低的分辨率對(duì)基本層編碼，而對(duì)增強(qiáng)層以高分辨率編碼。由于增強(qiáng)層使用了較小的量化參數(shù)，其質(zhì)量比基本層高。
在精細(xì)粒度分級(jí)編碼中，前述可分級(jí)方法生成由若干層組成的比特流，基本層后是若干個(gè)增強(qiáng)層。這種類型的編碼器比未分級(jí)編碼器的性能較優(yōu)，但它僅提供粗粒度，僅在碼率以大的離散步長(zhǎng)增加時(shí)才能獲得質(zhì)量改善。而精細(xì)粒度分級(jí)編碼中，碼率和質(zhì)量以小的步長(zhǎng)增加。在極限情況下，比特流可通過每個(gè)附加比特提供連續(xù)的視頻質(zhì)量的改善，即嵌入式編碼。
以H.263+視頻流為例進(jìn)行說明。H.263+能提供SNR，空、時(shí)分級(jí)編碼選項(xiàng)。若選用SNR分級(jí)方式，則基本層由I幀和P幀組成。由于在SNR分級(jí)編碼中，增強(qiáng)層由原始圖像和包括I或P幀的量化圖像之間的不同信息組成。在H.263+中，增強(qiáng)層信息被編碼為對(duì)應(yīng)I或P幀的EI或EP幀。因此，發(fā)送增強(qiáng)圖像時(shí)包括基本層(I或P幀)和對(duì)應(yīng)的增強(qiáng)層(EI或EP幀)。
在第二步，把視頻比特流經(jīng)過MIMO-OFDM系統(tǒng)發(fā)射、信道傳輸后恢復(fù)。
圖1表示一個(gè)有Nt根發(fā)射天線和Nr根接收天線的MIMO-OFDM系統(tǒng)。
信息比特流經(jīng)視頻編碼后的視頻流比特流經(jīng)過復(fù)用、信道編碼、交織、調(diào)制、Nc點(diǎn)逆離散傅氏變換(IDFT)、加入循環(huán)前綴(CP)后發(fā)射。在接收端，利用訓(xùn)練序列計(jì)算每根天線接收信號(hào)噪聲比(一般假設(shè)每根天線接收信噪比相同)(S22)。它反映了信道狀態(tài)信息，并反饋到發(fā)送端(S23)。
在第三步，跨層聯(lián)合設(shè)計(jì)。
物理層根據(jù)接收機(jī)估計(jì)得到的當(dāng)前SNR隨時(shí)間改變發(fā)送速率(S24)。這可通過變速率正交幅度調(diào)制(Multilevel Quadrature Amplitude Modulation；MQAM)、多相移頻鍵控(MPSK)調(diào)制等和不同速率編碼方式，如卷積碼、Turbo碼、低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)等實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，利用訓(xùn)練序列進(jìn)行符號(hào)定時(shí)，頻偏估計(jì)、校正，移除CP，Nc點(diǎn)離散傅氏變換(DFT)后，采用MIMO檢測(cè)算法，如極大似然估計(jì)、VBLAST、球形譯碼等方法恢復(fù)發(fā)射符號(hào)，然后進(jìn)行解調(diào)、解交織、譯碼后恢復(fù)視頻比特流，最后利用視頻解碼器恢復(fù)信息比特。
在發(fā)送端，根據(jù)獲得的SNR信息和系統(tǒng)要求的誤比特率，確定發(fā)送端物理層最大傳輸速率Rmax(S24)。例如系統(tǒng)采用MPSK調(diào)制，已知SNR和Pe，根據(jù)公式(1)計(jì)算出調(diào)制級(jí)數(shù)M，再根據(jù)信道帶寬W和公式R＝Wlog2M可計(jì)算出Rmax。
公式(1)Pe≈2Q[2SNRsinπM]]]>Q(x)=12erfc(x2)]]>(其中，erfc( )為誤差函數(shù))與確定最大傳輸速率Rmax的同時(shí)，利用可變速率調(diào)制和不同編碼方式調(diào)整速率。
應(yīng)用層根據(jù)從物理層得到的當(dāng)前信道中比特率信息Rch，在物理層發(fā)送一幀時(shí)，校驗(yàn)Rmax是否大于當(dāng)前信道中比特速率Rch(S25)。
如果Rmax不大于當(dāng)前信道中比特速率Rch，則進(jìn)行到步驟S27，處理結(jié)束。
如果Rmax大于當(dāng)前信道傳輸比特率Rch，則進(jìn)行以下處理若采用精細(xì)粒度分級(jí)，則從基本層開始發(fā)送，并在增強(qiáng)層增加比特，直到視頻流的總比特率剛好低于Rmax(S26)。當(dāng)采用SNR、空或時(shí)分級(jí)時(shí)，若Rmax足夠大能同時(shí)容納基本層和增強(qiáng)層，則它們均被發(fā)送；否則，僅發(fā)送基本層(S27)。
同樣，本發(fā)明提出的跨層聯(lián)合設(shè)計(jì)方法適用于單天線OFDM無線多媒體通信系統(tǒng)以及多用戶、單/多天線OFDM無線多媒體通信系統(tǒng)。
盡管已經(jīng)針對(duì)典型實(shí)施例示出和描述了本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種其他的改變、替換和添加。
(工業(yè)上的可利用性)根據(jù)本發(fā)明的無線多媒體通信方法特別適合于多天線正交頻分復(fù)用。
權(quán)利要求
1.一種無線多媒體通信方法，包括下述步驟對(duì)多媒體視頻流進(jìn)行分級(jí)編碼，按照特定的分級(jí)編碼方式，把多媒體視頻流分成基本層和增強(qiáng)層；應(yīng)用層根據(jù)從物理層得到的當(dāng)前信道傳輸速率信息，在物理層進(jìn)行發(fā)送時(shí)，確定最大傳輸速率是否大于當(dāng)前信道傳輸速率；如果所述最大傳輸速率不大于當(dāng)前信道傳輸速率，則結(jié)束處理，而如果所述最大傳輸速率大于當(dāng)前信道傳輸速率，則進(jìn)行以下處理如果所述特定的分級(jí)編碼方式為第一分級(jí)編碼方式，則從所述基本層開始發(fā)送，并在所述增強(qiáng)層增加比特，直到視頻流的當(dāng)前信道傳輸速率剛好低于最大傳輸速率；如果所述特定的分級(jí)編碼方式為第二分級(jí)編碼方式，則如果所述最大傳輸速率能同時(shí)容納所述基本層和所述增強(qiáng)層，則所述基本層和所述增強(qiáng)層均被發(fā)送；如果所述最大傳輸速率不能同時(shí)容納所述基本層和所述增強(qiáng)層，僅發(fā)送所述基本層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多媒體通信方法，其中在安裝有多個(gè)天線的接收端計(jì)算接收天線的信號(hào)噪聲比，并利用反饋信道把計(jì)算出的所述信噪比反饋到發(fā)送端，所述發(fā)送端根據(jù)由所述反饋信道獲得的信噪比信息和系統(tǒng)要求的錯(cuò)誤比特率，確定所述發(fā)送端物理層的所述最大傳輸速率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線多媒體通信方法，其中從分別安裝有多個(gè)天線的所述發(fā)送端的所有天線發(fā)送訓(xùn)練序列，并在所述接收端利用接收到的所述訓(xùn)練序列計(jì)算所述信噪比。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線多媒體通信方法，其中根據(jù)信道傳輸速率，相應(yīng)地改變物理層的編碼、調(diào)制方式，以適應(yīng)速率要求。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多媒體通信方法，其特征在于所述第一分級(jí)編碼方式為精細(xì)粒度分級(jí)編碼方式，而所述第二分級(jí)編碼方式為信噪比分級(jí)編碼方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多媒體通信方法，其特征在于所述第一分級(jí)編碼方式為精細(xì)粒度分級(jí)編碼方式，而所述第二分級(jí)編碼方式為空間分級(jí)編碼方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線多媒體通信方法，其特征在于所述第一分級(jí)編碼方式為精細(xì)粒度分級(jí)編碼方式，而所述第二分級(jí)編碼方式為時(shí)間分級(jí)編碼方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線多媒體通信方法，其特征在于通過改變包括變速率正交幅度調(diào)制和多相移頻鍵控調(diào)制的物理層的調(diào)制方式，并改變包括卷積碼、Turbo編碼和低密度奇偶校驗(yàn)碼的物理層的編碼方式，來改變信道傳輸速率。
全文摘要
本發(fā)明為一種無線多媒體通信方法，通過在視頻應(yīng)用層利用物理層信道狀態(tài)信息(CSI)，來提高無線視頻的傳輸質(zhì)量。根據(jù)該方法，發(fā)送端根據(jù)由接收端反饋獲得的接收天線的SNR信息和系統(tǒng)要求的誤比特率，確定系統(tǒng)最大傳輸速率Rmax。同時(shí)，在視頻應(yīng)用層采用分級(jí)編碼方式把比特流分成基本層和增強(qiáng)層。當(dāng)采用FGS編碼時(shí)，從基本層開始發(fā)送，并在增強(qiáng)層增加比特，直到視頻流的比特率剛好低于Rmax。當(dāng)采用信噪比、空間或時(shí)間分級(jí)編碼，若Rmax足夠大能同時(shí)容納基本層和增強(qiáng)層，則它們均被發(fā)送；否則，僅發(fā)送基本層。
文檔編號(hào)H04J11/00GK101027911SQ200580032290
公開日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2005年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月24日
發(fā)明者黎海濤, 李繼峰 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社