一種MIMO-OFDM系統(tǒng)下基于QoE的跨層優(yōu)化視頻傳輸方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種MIMO-OFDM系統(tǒng)下跨層優(yōu)化視頻傳輸方法及系統(tǒng)，該方法采用對終端QoE預測為優(yōu)化目標的策略，所述的方法包含如下步驟：步驟101）用于根據(jù)視頻內(nèi)容類型、幀率、視頻發(fā)送比特率和丟包率構(gòu)造獲得用戶期望平均意見值的用戶體驗質(zhì)量預測模型的步驟；步驟102）用于獲得所述用戶體驗質(zhì)量預測模型中各參數(shù)具體取值并獲取視頻包傳輸時延最大值的步驟；步驟103）用于采用遍歷算法獲取最大傳輸時延條件下用戶期望平均意見分的最大值所對應的參數(shù)值作為最優(yōu)參數(shù)值，所述的最優(yōu)參數(shù)值包含視頻編碼參數(shù)值和調(diào)制編碼方式參數(shù)值，最后分別對應用層的視頻編碼參數(shù)和物理層的調(diào)制編碼方式對視頻進行編碼和傳輸。
【專利說明】—種MIMO-OFDM系統(tǒng)下基于QoE的跨層優(yōu)化視頻傳輸方法及系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及無線視頻傳輸優(yōu)化，具體地說，本發(fā)明涉及一種MIM0-0FDM系統(tǒng)下基于Q0E的對視頻傳輸進行跨層優(yōu)化的實現(xiàn)方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]隨著通信技術的迅速發(fā)展，無線通信系統(tǒng)在網(wǎng)絡容量和可靠性上有了長足的進步。多輸入多輸出(MIMO)技術和正交頻分復用(OFDM)技術的結(jié)合使得無線通信系統(tǒng)更有效的支持高速率數(shù)據(jù)傳輸和對符號間干擾的抑制(ISI)。在MIM0-0FDM技術的支持下，無線多媒體服務應用范圍越來越廣，眾多的終端用戶對所接收到的多媒體質(zhì)量要求也越來越高。如何在MMO-OFDM系統(tǒng)下使終端用戶獲得滿意的多媒體服務質(zhì)量逐漸成為了研究熱點。
[0003]傳統(tǒng)的方法是對已有的算法和協(xié)議進行改進，使得視頻編碼和傳輸可以更好適應時變易錯的無線網(wǎng)絡，同時在無線通信系統(tǒng)中進行多媒體的高速高質(zhì)量傳輸也取得了很多進展。例如自適應幀間模式選擇、聯(lián)合信源信道速率控制、可伸縮視頻編碼(SVC)。這些方法在一定程度上取得了高效的、高質(zhì)量的多媒體傳輸，但這些方法都是以某些客觀的網(wǎng)絡參數(shù)或視頻質(zhì)量為目標進行優(yōu)化的，而沒有考慮到終端用戶的體驗質(zhì)量。
[0004]為了更好的衡量終端用戶體驗，ITU-T SG 12提出了用戶體驗質(zhì)量(QoE)的概念。QoE被定義為終端用戶對接收到的應用或服務的主觀整體可接受性。它是從終端用戶的角度進行端到端性能的主觀測量方法。QoE是以平均意見分(MOS)的方式進行量化的，包括五個分值:5 (優(yōu)秀)、4 (好)、3 (—般)、2 (不好)、1 (差)。然而，主觀評估方法需要人為去評分，這樣既復雜又耗時。本發(fā)明提出了一種針對實時視頻傳輸系統(tǒng)的客觀QoE預測模型，該方法同時考慮應用層和網(wǎng)絡層參數(shù)，并在實際應用中取得了很好的效果。
[0005]基于上述QoE預測模型，在MMO-OFDM系統(tǒng)中我們提出了一種全新的跨層優(yōu)化視頻傳輸方法。系統(tǒng)中采用了無參考QoE預測模型，該模型綜合考慮視頻內(nèi)容類型(CO、幀率(FR)、視頻發(fā)送比特速率(SBR)和丟包率(PER)計算出MOS期望值。應用層的視頻編碼參數(shù)和物理層的MCS類型被聯(lián)合優(yōu)化以使終端用戶的MOS最大化。當視頻包丟失或者傳輸時延大于最大時延限制時，解碼端是不能夠進行正確解碼的。綜上所述，本文提出的方法可以轉(zhuǎn)化為最大時延限制下的尋找最優(yōu)參數(shù)組合的問題，這個問題可以由改進的遍歷算法進行求解。通過算法復雜度分析，本文所提出的方法是合理的。
[0006]本發(fā)明用到的英文縮寫與全稱對照對照如下:
[0007]MIMO:multiple_input multiple-output,多輸入多輸出
[0008]OFDM:orthogonal frequency division multiplexing,正交頻分復用
[0009]QoE:quality of experience,用戶體驗質(zhì)量
[0010]CT:video content type,視頻內(nèi)容類型
[0011]FR:frame rate,巾貞率[0012]SBR:frame rate,視頻發(fā)送比特速率
[0013]PER:packet error rate,丟包率
[0014]MOS:mean opinion score,平均意見分
[0015]QP quantization parameter,視頻編碼量化參數(shù)
[0016]MMIB:mean mutual information per coded bit,平均比特互信息
[0017]MCS !modulation and coding scheme,調(diào)制編碼方法
[0018]SNR:signal to noise ratio,信噪比
[0019]MIB:mutual information per coded bit,比特互信息
[0020]RB:resource block,資源塊
[0021]BLER:block error rate,誤塊率
[0022]ISI !resistance to inter-symbol interference,對符號間干擾的抑制
[0023]SVC:scalable video coding,可伸縮視頻編碼
[0024]AMC:adaptive modulation and coding,自適應調(diào)制編碼

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025]本發(fā)明的目的在于，為了使終端用戶獲得滿意的視頻服務，通過優(yōu)化視頻編碼的參數(shù)、傳輸方式，有效的適應多變易錯的無線信道。
[0026]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種MM0-0FDM系統(tǒng)下跨層優(yōu)化視頻傳輸方法，該方法采用對終端QoE預測為優(yōu)化目標的策略，所述的方法包含如下步驟:
[0027]步驟101)用于根據(jù)視頻內(nèi)容類型、幀率、視頻發(fā)送比特率和丟包率構(gòu)造獲得用戶期望平均意見值的用戶體驗質(zhì)量預測模型的步驟；
[0028]步驟102)用于獲得所述用戶體驗質(zhì)量預測模型中各參數(shù)具體取值并獲取視頻包傳輸時延最大值的步驟；
[0029]步驟103)用于采用遍歷算法獲取最大傳輸時延條件下用戶期望平均意見分的最大值所對應的參數(shù)值作為最優(yōu)參數(shù)值，所述的最優(yōu)參數(shù)值包含視頻編碼參數(shù)值和調(diào)制編碼方式參數(shù)值，最后分別對應用層的視頻編碼參數(shù)和物理層的調(diào)制編碼方式對視頻進行編碼和傳輸；
[0030]其中，所述視頻內(nèi)容類型根據(jù)視頻特征進行劃分，所述幀率根據(jù)終端用戶以及解碼器需求反饋確定，所述視頻發(fā)送比特率是對視頻序列編碼后進行傳輸時，以視頻包為單位計算所獲得的速率，所述丟包率是視頻包在無線鏈路進行傳輸時所發(fā)生的無線衰落丟包。
[0031]可選的，所述用戶體驗質(zhì)量預測模型為:
【權(quán)利要求】
1.一種MIMO-OFDM系統(tǒng)下基于QoE的跨層優(yōu)化視頻傳輸方法，該方法采用對終端QoE預測為優(yōu)化目標的策略，所述的方法包含如下步驟: 步驟101)用于根據(jù)視頻內(nèi)容類型、幀率、視頻發(fā)送比特率和丟包率構(gòu)造獲得用戶期望平均意見值的用戶體驗質(zhì)量預測模型的步驟； 步驟102)用于獲得所述用戶體驗質(zhì)量預測模型中各參數(shù)具體取值并獲取視頻包傳輸時延最大值的步驟； 步驟103)用于采用遍歷算法獲取最大傳輸時延條件下用戶期望平均意見分的最大值所對應的參數(shù)值作為最優(yōu)參數(shù)值，所述的最優(yōu)參數(shù)值包含視頻編碼參數(shù)值和調(diào)制編碼方式參數(shù)值，最后分別對應用層的視頻編碼參數(shù)和物理層的調(diào)制編碼方式對視頻進行編碼和傳輸; 其中，所述視頻內(nèi)容類型根據(jù)視頻特征進行劃分，所述幀率根據(jù)終端用戶以及解碼器需求反饋確定，所述視頻發(fā)送比特率是對視頻序列編碼后進行傳輸時，以視頻包為單位計算所獲得的速率，所述丟包率是視頻包在無線鏈路進行傳輸時所發(fā)生的無線衰落丟包。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MIM0-0FDM系統(tǒng)下基于QoE的跨層優(yōu)化視頻傳輸方法，其特征在于，所述用戶體驗質(zhì)量預測模型為:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MIM0-0FDM系統(tǒng)下基于QoE的跨層優(yōu)化視頻傳輸方法，其特征在于，所述步驟102)進一步包含: 步驟102-1)依據(jù)視頻內(nèi)容所述的類型采用統(tǒng)計學方法獲取不同視頻內(nèi)容類型所對應的各度量系數(shù)的具體取值； 所述視頻內(nèi)容分類依據(jù)的統(tǒng)計學方法由以下策略獲得: 首先，從視頻序列中提取空域和時域特征，然后根據(jù)視頻特征用簇分析的方法把視頻序列歸類到具有相似特性的視頻組中，所述的視頻組具體包含以下三類:緩慢移動型、普通移動型和快速移動型； 步驟102-2)獲取視頻發(fā)送比特率SBR的值，具體計算公式為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的MIM0-0FDM系統(tǒng)下基于QoE的跨層優(yōu)化視頻傳輸方法，其特征在于，所述丟包率PER采用下述方法獲取: 首先，將物理層中每個子載波的信噪比映射成每個子載波的比特互信息； 然后，由每個子載波的比特互信息求得資源塊的平均比特互信息和每個碼塊的誤塊率BLER ； 最后，依據(jù)如下公式獲得丟包率PER:

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MIMO-OFDM系統(tǒng)下基于QoE的跨層優(yōu)化視頻傳輸方法，其特征在于，步驟103)所述的遍歷算法采用兩分法遍歷算法，該兩分法遍歷算法為: 首先，將Vm, η劃分為兩個子集合V1和V2，兩個集合中QP值分別是偶數(shù)和奇數(shù)； 然后，對V1進行搜索，當我們在V1集合中搜索到最優(yōu)的參數(shù)組合時，將對當前最優(yōu)參數(shù)集合在Vm, η的兩個相近的參數(shù)組合進行搜索；最終找到的參數(shù)組合為最優(yōu)參數(shù)組合，該處的參數(shù)組合包含:應用層視頻編碼參數(shù)QP和物理層調(diào)制編碼參數(shù)； 其中，Vm,η表示對第m幀第η片視頻序列進行編碼傳輸?shù)拇x擇的參數(shù)組合集，所述參數(shù)包含:視頻編碼參數(shù)和調(diào)制編碼方式參數(shù)W1和V2分別代表Vm,η中QP為偶數(shù)和基數(shù)時的情況，QP表示視頻編碼量化參數(shù)。
6.一種基于QoE的跨層優(yōu)化視頻傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)依據(jù)用戶期望平均意見提高MIMO-OFDM系統(tǒng)的視頻傳輸效率，所述的系統(tǒng)包含: 建模模塊，用于根據(jù)視頻內(nèi)容類型、幀率、視頻發(fā)送比特率和丟包率構(gòu)造獲得用戶期望平均意見值的用戶體驗質(zhì)量預測模型； 第一處理模塊，用于獲得所述用戶體驗質(zhì)量預測模型中各參數(shù)具體取值及獲取視頻包傳輸時延最大值；和 最優(yōu)參數(shù)決策模塊，用于采用遍歷算法獲取最大延時條件下用戶期望平均意見值的最大值所對應的參數(shù)值，作為最優(yōu)參數(shù)值分別對應用層的視頻編碼參數(shù)和物理層的調(diào)制編碼方法對視頻進行編碼和傳輸； 其中，所述視頻內(nèi)容類型根據(jù)視頻時域和空域特征進行劃分的，所述幀率FR-依據(jù)用戶端的解碼器和需求決定的，所述視頻發(fā)送比特率是對視頻序列進行編碼后在傳輸時，以視頻包為單位計算所獲得的速率，所述丟包率是視頻包在無線鏈路進行傳輸時所發(fā)生的無線裳落丟包。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于QoE的跨層優(yōu)化視頻傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述用戶體驗質(zhì)量預測模型為:
MOS = a +PFR +r In(SBR)
* ^ 1 + μΡΕΚ + S(PER)2 其中，α、β、Υ、μ和δ均為度量系數(shù)，所述度量系數(shù)依據(jù)劃分的視頻內(nèi)容類型采用統(tǒng)計學方法獲得；FR為幀率；PER為丟包率；M0S為用戶期望平均意見函數(shù)名。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于QoE的跨層優(yōu)化視頻傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述第一處理模塊進一步包含: 度量系數(shù)值獲取子模塊，用于依據(jù)視頻內(nèi)容所述的類型采用統(tǒng)計學方法獲取不同視頻內(nèi)容類型所對應的各度量系數(shù)的具體取值； 所述視頻內(nèi)容所述的類型依據(jù)以下策略獲得: 首先，從視頻序列中提取空域和時域特征，然后根據(jù)視頻特征用簇分析的方法把視頻序列歸類到具有相似特性的視頻組中，所述的視頻組具體包含以下三類:緩慢移動型、普通移動型和快速移動型； 視頻發(fā)送比特率獲取子模塊，用于獲取視頻發(fā)送比特率SBR的值，具體計算公式為:
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于QoE的跨層優(yōu)化視頻傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述丟包率PER采用下述方法獲取: 首先，將物理層中每個子載波的信噪比映射成每個子載波的比特互信息； 然后，由每個子載波的比特互信息求得資源塊的平均比特互信息和每個碼塊的誤塊率BLER ； 最后，依據(jù)如下公式獲得丟包率PER:
【文檔編號】H04N7/24GK103686218SQ201210347957
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月18日
【發(fā)明者】呂國豐, 胡亞輝, 慈松, 唐暉 申請人:中國科學院聲學研究所