CN101478373B - 一种信源信道编码联合优化的自适应差错控制方法 - Google Patents

Abstract

一种信源信道编码联合优化的自适应差错控制方法，其主要特征是：它将信源编码输出码流按重要性分成三个等级：重要，次重要和非重要；信道编码部分采用可变速率FEC/HARQ对三个等级的信源码流进行自适应不等差错保护，使得信源码流的传输速率及信道编码速率能够根据无线信道的时变衰落特性自适应地进行调整，从而既能最大程度地保证信源码流的传输质量，又能提高整个***的传输效率和信道利用率。该方法有六个步骤。它解决了传统通信***中信源、信道分开编码所带来的矛盾和资源浪费，利用了信道的时变衰落特性自适应地对信源码流传输速率和信道编码速率进行联合优化，具有良好的应用前景。

Description

一种信源信道编码联合优化的自适应差错控制方法

(一)技术领域：

本发明涉及移动通信***中的一种差错控制方法，特别涉及一种信源信道编码联合优化的自适应差错控制方法，该方法适用于在较大范围内的信噪比波动信道中实现图像或视频的高效可靠传输，属于移动通信技术领域。

(二)技术背景：

随着第三代移动通信(3G)***对多媒体(包括话音、图像和数据等)业务的支持，人们对该项业务的传输速率和通信质量不断提出新的要求。这也正是后3G(B3G)技术(如LTE和Wimax)以及***(4G)移动通信***重点研究的热点问题之一。在无线信道中，要实现多媒体业务(图像、视频)的传输，主要需要解决两大问题：其一是信源进行高效率的压缩以充分利用有限的带宽--信源编码问题；其二是对压缩后的信息进行纠错保护以抗击信道或网络所带来的误码或数据丢失——信道编码问题。由于信源编码压缩率的提高将导致码流抗误码能力的降低，同时提高码流的抗误码性能又要以牺牲信道编码效率为代价，因此信源编码和信道编码所要解决的问题在此意义上是相互矛盾的。联合信源信道编码技术将通信***的信源编码和信道编码联合考虑，进行最优化设计，并且允许根据不同的通信网络或信道条件来调整信源编码的参数，或者根据信源编码以及输出码流的特性来选择信道编码参数，这种方法比将最优的信源编码方案与最优的信道编码方案相级联的传统方法更加有效。

近年来，基于对信源信道编码效率进行联合优化的联合信源信道编码方法中，根据信源编码的不同可以分为两大类：基于离散余弦变换(DCT)***的联合信源信道编码方法和基于子带(小波)***的联合信源信道编码方法。前者是对DCT变换系数的索引值进行了不等差错误保护；后者是在对图像进行了子带(小波)分解之后，将小波系数组织成树形结构，对重要的系数进行量化编码，基于这种思想，文献[1]提出了三维子带编码和RCPC码结合的方法，文献[2]提出了一种基于小波SPIHT的自适应联合信源信道编码方法。另外，近年来针对JPEG2000信源编码采用Turbo/RS码作为信道编码的联合编码方法也得到了较广泛研究[3，4]。

另一方面，为实现高速率数据的传输，高维的调制方式被应用于3G/B3G***中，然而由此带来的问题是***的可靠性受到挑战，无线信道的时变特性以及复杂的衰落、干扰等会严重恶化高维调制***性能，即使1/3码率的Turbo码也会失效。HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest)技术，由于结合了前向纠错FEC(Forward Error Control)和自动重复请求ARQ(Automatic Repeat request)两种差错控制方式的优势，可以实现比FEC高得多的可靠性和比ARQ更高的传输效率，因而被作为一种链路自适应技术广泛应用于3G/B3G***中，以满足对服务质量QoS(Quality of Service)的要求。

3G***采用基于速率适配turbo(RCPT)码的Chase合并(Chase combining)和IR(Incremental Redundancy)等HARQ方法实现物理层的差错控制。Chase合并方法中，发端只需重传同一个经过编码的码字，而收端将每次接收到的重复码字依据对应传输信道的信噪比SNR(Signal Noise Ratio)条件进行加权合并后译码。该方法简单、易于实现，对数据缓存器的需求量小，码组合技术的采用使***能够获得一定的时间分集增益，提高了***的可靠性。IR方法则不只是简单的重复发送，发端以重传逐渐增加的冗余回应收端译码失败的重传请求，收端则将每次接收到的数据结合起来构成较低码率的码字，***纠错能力的提高是以增加译码复杂度和时延为代价的。

(三)发明内容：

1、目的：多媒体信息在现有移动通信***物理层中传输，首先要经过压缩编码以提高信源编码的效率，去掉冗余信息以节省带宽，但同时也使得信源编码输出码流对于传输错误十分敏感。为了改善这种错误敏感性同时平衡信源编码和信道编码之间的矛盾，更好的提高通信***性能，满足更高通信质量的要求，本发明的目的是提供一种信源信道编码联合优化的自适应差错控制方法，该方法克服了现有技术的不足，它将信源编码输出码流按重要程度分成三个等级，并利用可变速率FEC/HARQ方法按等级对这三部分信息进行自适应不等差错保护，即根据信道条件自适应地联合调整信源码流传输速率和信道编码速率，这样既能最大程度地保证信源信息的可靠传输，又能有效地提高***吞吐量和信道利用率。

2、技术方案：本发明主要特征在于：将信源编码输出码流按重要性分成三个等级：重要，次重要和非重要；信道编码部分采用可变速率FEC/HARQ对三个等级的信源码流进行自适应不等差错保护，使得信源码流的传输速率及信道编码速率能够根据无线信道的时变衰落特性自适应地进行调整，从而既保证信源码流的传输质量，又能提高信息的传输效率和信道利用率。即当信道条件较差时，通过少传甚至不传非重要信息来降低信源码流传输速率，同时增加重要和次重要信息的传输次数和冗余信息以保证信源主体信息得到可靠传输；而当信道条件较好时，通过适当降低信道编码的保护强度来提高信源码流的传输速率，以保障三个等级信息的有效传输。本发明中，对非重要信息采用固定码率FEC编码方法进行差错控制，当译码失败时对该部分信息直接作简单的丢弃操作。对重要信息和次重要信息采用不同的可变速率FEC/HARQ方法：对重要信息，采用FEC编码码字与冗余交替重传方案，以及Chase合并与IR方法相结合的HARQ技术，即发端以交替重传较高码率FEC码字和冗余来回应收端译码失败的反馈信号(NAK)，收端译码时对接收到的重复高码率码字进行Chase合并，并将其与增加的冗余组合构成低码率码字，而后送入译码器，以提高FEC***的纠错能力；对次重要信息，采用基于可变速率FEC编码的IR方法。这样，根据信道条件自适应地调整信源码流的传输速率和信道编码的码率，更为充分地体现了自适应不等差错保护的思想，并在实际***中使其可靠性和传输效率两方面达到最优。

图1给出了采用本发明方法的通信***框图。

***发射机是由信源编码器101，自适应分组排序控制器102，CRC编码器103，信道编码器104，自适应速率匹配控制器105组成。

发端首先利用信源编码器101实现对所传输图像或视频数据的压缩编码处理，自适应分组排序控制器102主要完成的功能是对信源编码输出码流按重要性进行排序、重要等级划分并按***设计对其进行打包，得到如图2所示的若干个信息包A，进一步根据接收机的反馈信息(ACK/NAK)决定是否传输下一个信息包，以此实现对信源码流传输速率的调整。

信息包A经CRC编码器103附加用来检错的校验比特得到如图2所示数据包B，信道编码器104按设计所需的最低码率对B进行信道编码得到如图2所示的数据包C，自适应速率匹配控制器105主要完成的功能是将C进行分组打包得到待发送的分组数据包，将其中必要的数据分组储存在发端缓存器中以备重传，并进一步根据接收机的反馈信息(ACK/NAK)对缓存器中的数据分组进行调度和重传，从而实现对信源码流传输速率和信道编码速率的联合调整和控制。105输出的数据分组经编码信道106发送至***接收机。

***接收机是由自适应速率匹配控制器107，信道译码器108，CRC译码器109，恢复分组排序控制器110和信源译码器111组成。在收端，自适应速率匹配控制器107和信道译码器108首先对经编码信道106的接收码字按对应的码率进行纠错译码，再利用CRC译码器109检错，如译码正确，则接收对应数据分组通过反馈信道反馈一个ACK信号给发端，否则反馈一个NAK信号请求发端数据的重传。恢复分组排序控制器110完成与自适应分组排序控制器102对应的功能，即对信道译码输出信息按信源码流重要程度实现分组排序恢复，信源译码器111完成对信源码流的解码，最终恢复原始图像或视频信息。

图2给出了采用本发明的通信***发射端信源信道编码分组打包结构方案示意图。

信息包A由三部分信源编码信息组合而成，其中，k_I表示长度为k的重要(important)信息，k_S表示长度为k的次重要(secondary important)信息，k_N表示长度为k的非重要(non-important)信息；

数据包B是信息包A的CRC编码输出，长度为3K，其中，K_I、K_S和K_N分别对应k_I、k_S和k_N；

数据包C是数据包B经过码率为K/2n的信道编码器后输出的长为6n的数据包，再对C进行六等分得到待发送的分组数据包

其中，

和

分别为包含信息位k_I、k_S和k_N的高码率码字，和为对应的冗余(和对应的高码率码字结合构成低码率码字)，每个数据分组长均为n，。

综上所述，基于时分复用(TDM)通信***对多媒体业务进行传输，本发明一种信源信道编码联合优化的自适应差错控制方法，该方法具体步骤如下：

步骤1：原始图像或视频数据经过信源编码器，将信源编码输出码流按重要性均分为重要、次重要和非重要三部分，按图2所示分别取长度为k的k_I、k_S和k_N构成3k长的信息包A，并将其送进CRC编码器。

步骤2：将步骤1中得到的信息包A经CRC编码后，得到图2中3K长的数据包B；再将B送入码率为K/2n的信道编码器进行信道编码，得到6n长的数据包C；进一步将C六等分得到待发送分组数据包

其中每个数据包长为n，在发送端缓存器中贮存除之外的其余5个数据包。

步骤3：

发送端：在TS1～TS3时隙信道内依次发送数据包对应的码率为K/n；

接收端：

①对接收到的经TS1信道的

进行信道译码，并对译码结果进行CRC校验，如果校验结果正确，则反馈ACK信号给发端并接受k_I；否则反馈NAK信号并将

保存在收端缓存中。

②对接收到的经TS2信道的进行信道译码和CRC校验，如果校验结果正确，则反馈ACK并接受k_S；否则反馈NAK并保存

③对接收到的经TS3信道的

同样进行信道译码和CRC校验，如果校验结果正确，则接受k_N；否则丢弃

步骤4：

发送端：在TS4信道发送的数据取决于接收到的第一个反馈信号，如果是ACK，则发送对应于下一个信息包A的数据包

否则发

接收端：对接收到的

和已保存的

合并成码率为K/2n的码字进行译码，如果译码正确，则反馈ACK并接受k_I；否则反馈NAK并保存

步骤5：

发送端：以在TS5信道发送

回应收端反馈的第二个NAK信号。

接收端：对接收到的

和已保存的

合并成码率为K/2n的码字进行译码，如译码正确，则接受k_S；否则丢弃k_S。

步骤6：

发送端：以在TS6信道重发

回应收端反馈的第三个NAK信号。

接收端：对接收到的数据包和已保存的

进行Chase合并获得再和已保存的

组合成码率为K/2n的低码率码字，如译码正确，则接受k_I；否则丢弃k_I。

3、优点及功效：本发明提出的这种新的信源信道编码联合优化的自适应差错控制方法，不仅解决了传统通信***中信源、信道分开编码所带来的矛盾和资源浪费，而且利用了信道的时变衰落特性自适应地对信源码流传输速率和信道编码速率进行联合优化，从而使得***在信道条件恶劣的情况下也能明显地提高信源码流的传输质量。因此，本发明适用于较大范围内的信噪比波动信道，比如高速移动环境。本发明信源信道联合编码方法具有以下几个主要优点：

1.信源编码信息按重要性进行排序；

2.信道编码采用可变速率FEC，根据信源编码信息的重要性和信道状态的反馈进行速率匹配，自适应调整信道编码速率；

3.信源信道联合编码，信道编码将针对信源编码后的三个重要等级进行自适应不等差错保护，从而最大程度地保证了重要信息的可靠传输，同时提高了信息的传输效率；

4.利用信道的时变衰落特性，采用不同种类差错控制方法来实现对不同重要性的信源信息的自适应不等差错保护，并通过对信道状态的反馈自适应地联合调整信源码流传输速率和信道编码速率，不仅保证了重要信息的可靠传输，也提高了整个***的传输效率和信道利用率；

5.对重要信息采用的HARQ方案结合了Chase合并方法和IR方法的优势，一方面降低了IR方法中过低码率FEC码的译码复杂性和译码时延，减少了收端缓存器的开销，另一方面在性能上能够同时获取编码增益和时间分集增益，在保证***可靠性的同时提高了***的传输效率。

(四)附图说明：

图1本发明方法的通信***方框示意图

图2本发明的通信***发射端信源信道编码分组打包结构方案示意图

图中符号说明如下：

101信源编码器；102自适应分组排序控制器；103CRC编码器；104信道编码器，105自适应速率匹配控制器；106编码信道；107自适应速率匹配控制器；108信道译码器；109CRC译码器；110恢复分组排序控制器；111信源译码器。

A信源编码信息包；B CRC编码数据包；C信道编码数据包；

k_I表示长度为k的重要信息；k_S表示长度为k的次重要信息；k_N表示长度为k的非重要信息；

(五)具体实施方式：

见图1、图2所示，下面以TDM通信***为例，信源编码考虑小波SPIHT算法，信道编码考虑RCPT码，针对图像业务来描述本发明的具体实现步骤。本发明一种信源信道编码联合优化的自适应差错控制方法，该方法具体步骤如下：

步骤1：原始图像经过小波SPIHT图像编码器，将信源输出码流按重要性均分为重要、次重要和非重要三部分，按图2所示分别取长度为k的k_I、k_S和k_N构成3k长的信息包A，并将其送进CRC编码器。

步骤2：将步骤1中得到的信息包A经CRC编码后，得到图2中3K长的数据包B；再将B送入码率为K/2n的RCPT编码器进行信道编码，得到6n长的数据包C；进一步通过恰当的删余(puncture)操作将C六等分得到待发送分组数据包

其中每个数据包长为n，在发送端缓存器中贮存除

之外的其余5个数据包。

步骤3：

发送端：在TS1～TS3时隙信道内依次发送数据包

对应的码率为K/n；

接收端：

①对接收到的经TS1信道的

进行RCPT译码，并对译码结果进行CRC校验，如果校验结果正确，则反馈ACK信号给发端并接受k_I；否则反馈NAK信号并将

保存在收端缓存中。

②对接收到的经TS2信道的

进行RCPT译码和CRC校验，如果校验结果正确，则反馈ACK并接受k_S；否则反馈NAK并保存

③对接收到的经TS3信道的

同样进行RCPT译码和CRC校验，如果校验结果正确，则接受k_N；否则丢弃

步骤4：

发送端：在TS4信道发送的数据取决于接收到的第一个反馈信号，如果是ACK，则发送对应于下一个信息包A的数据包

否则发

接收端：对接收到的

和已保存的

合并成码率为K/2n的码字进行译码，如果译码正确，则反馈ACK并接受k_I；否则反馈NAK并保存

步骤5：

发送端：以在TS5信道发送

回应收端反馈的第二个NAK信号。

接收端：对接收到的

和已保存的

合并成码率为K/2n的码字进行译码，如译码正确，则接受k_S；否则丢弃k_S。

步骤6：

发送端：以在TS6信道重发

回应收端反馈的第三个NAK信号。

接收端：对接收到的数据包和已保存的

进行chase合并获得

再和已保存的

组合成码率为K/2n的低码率码字，如译码正确，则接受k_I；否则丢弃k_I。

以上便完成了一次对3k长信息包A的处理。从以上操作过程可以看出，本发明方法每处理一个3k长信息包需要3～6个TS信道：信道条件好时，对长分别为k的重要信息，次重要信息和非重要信息进行同等程度的差错保护(固定码率且采用较高码率)，仅利用3个TS信道就可以完成三部分信息的可靠传输，接收端进一步通过小波SPIHT译码恢复对应原始图像的全部信息；信道条件不好时，舍弃非重要信息，通过重传增加的冗余加强对重要信息和次重要信息的差错保护(对应较低码率)，利用4～5个TS信道完成对重要信息和次重要信息的可靠传输，接收端利用这两组信息进行小波SPIHT译码恢复对应原始图像的大部分信息；信道条件很差时，舍弃非重要和次重要信息，通过重传包含重要信息的低码率码字获取时间分集增益，利用6个TS信道来最大程度地保证重要信息的可靠传输，接收端仅利用这组信息进行小波SPIHT译码恢复对应原始图像的主体信息。这样，不但可以根据信道的情况动态调整信源码流传输速率和信道编码速率，提高了***的传输效率和信道利用率，而且采用HARQ机制利用信道的时变衰落特性重点保障了图像恢复中重要信息的可靠传输，从而保证了恶劣信道环境下高质量的图像恢复。

因此，本发明方法按信源编码输出码流重要程度不同实施不同的差错控制方案(可变速率FEC/HARQ)，进一步依据信道条件自适应地联合优化信源码流传输速率和信道编码速率，最大程度地保证信源码流传输的可靠性和高效性。显然，本方明方法比[2]中基于速率适配自适应技术的信源信道联合编码方法具有更低的丢包率，并能实现对不同重要程度信源码流的不等差错保护，同时比[5]中基于固定速率不等差错保护的信源信道联合编码方法具有更好的信道适应性，因而能够提供更高的可靠性和***传输效率。另一方面，本方明方法也比简单的物理层采用信源信道联合编码加链路层ARQ具有更高的信道利用率。另外，本发明对信道适应性极强，能够充分利用实际信道的时变衰落特性，具有相当广的应用范围和较高的应用价值。

参考文献：

[1]Cheung G.and Zakhor A.，有噪信道下可伸缩视频的联合信源信道编码研究，in Proc.Int.Conf.Image Processing，1996：767-770(Cheung G.and Zakhor A.，Joint source/channel coding of scalable video overnoisy channels，in Proc.Int.Conf.Image Processing，1996：767-770)

[2]肖嵩，张方等.基于小波SPIHT的联合信源信道编码新方法，计算机学报，2003，26(3)：281-286.

[3]Banister，B.A.，利用JPEG2000和Turbo码的鲁棒性图像传输，IEEE SignalProcessing Letters，April 2002，9(4)：117-119

(Banister，B.A.，Robust image transmission using JPEG2000 and turbo-codes，IEEE Signal Processing Letters，April 2002，9(4)：117-119)

[4]Zhenyu Wu.Ali Bilgin，信源信道联合编码在无记忆信道下JPEG2000图像传输中研究，IEEE Trans.on Signal Processing，2005，vol.14No.8：1020-1032(Zhenyu Wu.Ali Bilgin，Joint Source/Channel Coding for Image TransmissionWith JPEG2000 Over Memoryless Channel，IEEE Trans.on Signal Processing，2005，vol.14No.8：1020-1032)

[5]王红星，吕超源等.***移动通信***中的信源信道联合编码技术，无线电工程，2004，34(10)：2-4

Claims (1)

1.一种信源信道编码联合优化的自适应差错控制方法，其特征在于：它将信源编码输出码流按重要性分成三个等级：重要，次重要和非重要；信道编码部分采用可变速率FEC/HARQ对三个等级的信源码流进行自适应不等差错保护，使得信源码流的传输速率及信道编码速率能够根据无线信道的时变衰落特性自适应地进行调整，该方法具体步骤如下：

步骤1：原始图像或视频数据经过信源编码器，将信源编码输出码流按重要性均分为重要、次重要和非重要三部分，分别取长度为k的k_I、k_S和k_N构成3k长的信息包A，并将其送进CRC编码器；

步骤2：将步骤1中得到的信息包A经CRC编码后，得到3K长的数据包B；再将B送入码率为K/2n的信道编码器进行信道编码，得到6n长的数据包C；进一步将C六等分得到待发送分组数据包

其中每个数据包长为n，在发送端缓存器中贮存除

之外的其余5个数据包；

步骤3：

发送端：在TS1～TS3时隙信道内依次发送数据包

对应的码率为K/n；

接收端：

①对接收到的经TS1信道的

进行信道译码，并对译码结果进行CRC校验，如果校验结果正确，则反馈ACK信号给发端并接受k_I；否则反馈NAK信号并将保存在收端缓存中；

②对接收到的经TS2信道的进行信道译码和CRC校验，如果校验结果正确，则反馈ACK并接受k_S；否则反馈NAK并保存

③对接收到的经TS3信道的

同样进行信道译码和CRC校验，如果校验结果正确，则接受k_N；否则丢弃

步骤4：

发送端：在TS4信道发送的数据取决于接收到的第一个反馈信号，如果是ACK，则发送对应于下一个信息包A的数据包

否则发

接收端：对接收到的

和已保存的合并成码率为K/2n的码字进行译码，如果译码正确，则反馈ACK并接受k_I；否则反馈NAK并保存

步骤5：

发送端：以在TS5信道发送

回应收端反馈的第二个NAK信号；

接收端：对接收到的

和已保存的合并成码率为K/2n的码字进行译码，如译码正确，则接受k_S；否则丢弃k_S；

步骤6：

发送端：以在TS6信道重发

回应收端反馈的第三个NAK信号；

接收端：对接收到的数据包和已保存的进行Chase合并获得

再和已保存的

组合成码率为K/2n的低码率码字，如译码正确，则接受k_I；否则丢弃k_I。

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