CN102684893B - 一种基于多媒体广播多播业务的自适应喷泉编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多媒体广播多播业务的自适应喷泉编码方法，属于通信技术领域。本发明方法经过自适应喷泉编码，大大降低了一个信源符号只连接到一个编码包的概率。因为在编码过程中，当一个信源符号连接到一个编码包时，该编码包的其他编码符号只会以小概率p选择这个信源符号所在的集合SoU。通过动态设置p和阈值M的大小，本发明方法可以灵活调整，适应多种不同的视频业务，在删除信道下相比普通喷泉编码能够提高成功译码概率并且降低误帧率。当M和p的值较大时，本方法可以适用于编码包长度较长的视频业务；当M和p的值较小时，本方法可以适用于编码包长度较短的视频业务。

Description

一种基于多媒体广播多播业务的自适应喷泉编码方法

技术领域

本发明涉及一种基于多媒体广播多播业务的自适应喷泉编码方法，属于通信技术领域。

背景技术

多媒体广播多播业务是一种点到多点的传输服务。数据信息从一个单一的信源发送到多个接收终端，并能实现频谱、空中接口等资源以非常经济的方式共享。多媒体广播多播业务能够提高无线资源的利用率，实现不同速率的广播和多播业务，因此得到越来越广泛的研究和关注。如今在多媒体业务中，移动的视频流传输正在占据着越来越重要的地位，可分层视频编码作为一种新型的具有弹性的编码方式，可以大大提高所恢复出的视频质量，并且对带宽没有很高的要求。

可分层视频编码将视频信息分为一个基本层(more important bits，MIB)与多个增强层(less important bits，LIB)，基本层体现了视频信息的基本框架，而增强层在基本层的基础上提高了视频的帧速率、分辨率以及其他方面的质量。分层视频编码使得接收端随着接收到的数据逐渐增多能够循序渐进地提高所恢复出的视频的质量。这样也就使得在视频广播过程中，信道条件较好的用户能够获得更佳的视频质量，并且同时也能够为信道条件较差的用户所恢复出的视频提供基本的质量保证。可分层视频编码的介绍参见附图1。

在编码方案上，喷泉码是***率的码型。在传统的自动重发请求(ARQ)方法中，当用户数很大时，用户发送的ARQ信息可能会占据了绝大多数的网络资源，使得正常的通信不能顺利进行，这种情况称为“反馈风暴”。在这种情况下，重传方式完全不起作用，前向纠错方法的效率也不高。数字喷泉码可以有效地解决反馈风暴问题，只有当完全译码时，才向发射端发送一个反馈，喷泉码不仅显著减少了用户反馈量，而且提高了***传输可靠性。

喷泉码的具体编码步骤如下：

(1)从度分布中，随机的选择一个值d，该值代表编码分组由几个信源数据包生成，d称为该次的编码分组的度；

(2)从原数据包分组中随机选择d个数据，将该d个数据进行模2和；

(3)重复上述步骤，生成编码分组。

喷泉码的具体译码步骤如下：

(1)在接收到的编码数据中选择一个度为一的编码符号，将编码符号的值直接赋值给相连接的信源符号，从而恢复出该信源符号，同时删除连接该信源符号与编码符号的边。

(2)将所有连接该信源符号和其余与之对应的编码符号的边删除，并且将该信源符号的值与编码符号的值进行模2和，所得结果分别赋给对应的编码符号。

(3)重复上述步骤，生成译码分组。

在喷泉编码的过程中，可能会出现如下的状态，亦即一个信源符号只和一个喷泉编码包产生连接，而与其他喷泉编码包均无边相连，如图2(a)所示。那么在编码数据经过删除信道时，如果该喷泉编码包丢失，那么与其连接的信源符号即无法译码。在可分层视频编码中，基本层数据的丢失会对整个视频质量产生极大影响。

发明内容

本发明为提高多媒体广播多播业务(MBMS)的成功译码概率且降低误帧率，提出了一种可应用于可分层视频编码(scalable video coding，SVC)，能够灵活支持多种视频应用业务，在删除信道下相比普通喷泉编码能够提高成功译码概率并且降低误帧率的自适应喷泉编码方法。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

步骤1，在通信***的发射端的基本层中生成编码包。具体过程如下：

步骤1.1，检查可分层视频编码中所有基本层(MIB)信源符号的度，并根据度的情况将其分为三个集合：SoN、SoU、SoT。具体方法为：将度为零的信源符号放入SoN集合中，将度大于等于1且小于等于一个阈值M的信源符号放入SoU集合，将度大于M的信源符号放入SoT集合。

所述阈值M的最佳大小为***设定的编码包长度的二分之一。

步骤1.2，根据度分布函数产生一个度d，然后选择d个信源符号进行喷泉编码，即进行模2和，产生一个编码符号放入编码包。

所述d个信源符号的选择方法为：以概率p(p＜0.5)选择SoU集合中的符号，以概率(1-p)选择SoN集合中的符号，用公式表示为：

$P(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}0& L(i,j)>M\\ (1-p)\frac{1}{n\left(\mathrm{SoN}\right)}+p\frac{1}{n\left(\mathrm{SoU}\right)}& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

其中P(i，j)表示第i个信源符号与第j个编码包产生连接的概率，即第j个编码包选择第i个信源符号的概率。L(i，j)表示第i个信源符号与第j个编码包已经存在的连接数，即当前第i个信源符号的度。n(SoN)和n(SoU)表示SoN、SoU中符号的个数。

步骤1.3，再次检查所有基本层信源符号的度，根据度的情况按照步骤1.1的方法更新SoN、SoU、SoT集合。

步骤1.4，根据步骤1.3更新后的集合，重复步骤1.2和1.3，直到一个编码包完全产生，并对新产生的编码包进行多播或广播。

步骤1.5，将信源符号的度清零，重复步骤1.1至步骤1.4。直到产生足够的编码包，使得接收端能够成功译码，即接收到所有接收端反馈的确认(ACK)信号为止。将所有的基本层编码包通过删除信道传送到接收端。

步骤2，在通信***的发射端的增强层(LIB)中生成编码包。具体过程如下：

步骤2.1，根据度分布函数产生一个度d。

步骤2.2，从视频信息的增强层中随机选择d个数据，将该d个数据进行模2和，产生一个编码符号。

步骤2.3，重复步骤2.1至步骤2.2，直到产生足够的编码包，使得接收端能够成功译码，即接收到所有接收端反馈的确认(ACK)信号为止。将所有的增强层编码包通过删除信道传送到接收端。

步骤3，接收端根据步骤1和步骤2得到的编码包进行译码，恢复出整个视频信息。

有益效果

本发明方法经过自适应喷泉编码，大大降低了一个信源符号只连接到一个编码包的概率。因为在编码过程中，当一个信源符号连接到一个编码包时，该编码包的其他编码符号只会以小概率p选择这个信源符号所在的集合SoU。

通过动态设置p和阈值M的大小，本发明方法可以灵活调整，适应多种不同的视频业务。当M和p的值较大时，本方法可以适用于编码包长度较长的视频业务；当M和p的值较小时，本方法可以适用于编码包长度较短的视频业务。

附图说明

图1为背景技术中可分层视频编码的示意图；

图2为背景技术中喷泉码编码示意图：(a)为传统喷泉编码中信源比特只与一个编码包产生连接的情况(b)为自适应喷泉编码方法对传统喷泉编码的改善；其中圆形表示信源比特，方形表示编码符号，虚线框表示编码包；

图3为具体实施方式中本发明方法在MBMS中的组播业务应用场景；

图4为具体实施方式中自适应喷泉编码方法与传统喷泉编码的译码率的性能比较；

图5为具体实施方式中自适应喷泉编码方法与传统喷泉编码的误帧率的性能比较。

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案及优点更加清晰，下面参照附图和实施例对本发明做进一步详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。

本发明在基本层的喷泉编码过程中采用一种基于多媒体广播多播业务的自适应喷泉编码方法，使每个信源符号均以高概率与多个喷泉编码包相连，如图2(b)所示。这样在一个或多个编码包丢失的情况下仍然能够从其他编码包恢复出原始数据，提高基本层数据成功译码的概率，进而有效地提高接收端恢复出的视频质量。能够有效避免如图2(a)所示情况下，基本层数据的丢失会对整个视频质量产生极大影响的问题。

如图3所示，基站首先广播或多播MIB编码包。在编码过程中，采用自适应喷泉编码方法进行喷泉编码，对比方案采用普通喷泉编码方式进行编码。

仿真中，发射端待发射的信源比特数为60，信源比特经过二元删除信道传输，在接收端进行译码。根据基本的喷泉编码理论计算可得，接收端在接收到101个比特的时候即可以至少80％的概率完成译码，因此发送的编码比特数设置为101。编码包的长度设置为8比特。在本实施例中，p的值设为0.2，阈值M的值为4，即编码包长度的二分之一。每个信噪比点上的仿真统计次数为5000次。

下面给出具体的仿真流程：

步骤1，将发射端的所有信源比特分别采用自适应喷泉编码方法和传统的喷泉编码方式进行编码；

其中自适应喷泉编码方法的编码步骤为：

步骤1.1，检查所有信源符号的度分布，将信源符号分别放在三个集合中。

步骤1.2，根据度分布函数产生的度d来选择d个信源符号进行编码，在选择每个信源符号的时候，以0.2的概率选择SoU集合中的信源符号，以0.8的概率选择SoN集合中的信源符号。选择d个符号之后将其做模二和，进行编码。

步骤1.3，检查所有信源符号的度分布，更新SoN，SoU，SoT三个集合。

步骤1.4，重复步骤1.1至步骤1.3直到一个编码包完全产生为止。

步骤1.5，将所有编码符号的度置零，开始进行下一个编码包的编码过程。将生成的基本层编码数据通过一种典型的删除信道即二元删除信道传输到接收端。

步骤2，对增强层进行传统喷泉编码，将生成的增强层编码数据通过一种典型的删除信道即二元删除信道传输到接收端。

步骤3，接收端按照传统的喷泉码译码方法进行译码，并统计两种编码方式成功译码的译码概率和误帧率；由于自适应喷泉编码方法和传统喷泉编码方法的对比发生在基本层数据中，我们考虑基本层中两种编码方法的译码概率以及误帧率。

图4给出了自适应喷泉编码方法与普通喷泉码在译码率性能上的比较。由图4可见，在二元删除信道中，尤其是在删除概率在0.02和0.05之间的时候，自适应喷泉编码方法在译码率上高于普通喷泉码。在删除概率大约为0.04的时候，二者在译码率上的差异最大，亦即自适应喷泉编码方法的性能提升最大。

图5给出了自适应喷泉编码方法与普通喷泉码在误帧率性能上的比较。与译码率性能曲线类似，在二元删除信道中，尤其是在删除概率在0.02和0.05之间的时候，自适应喷泉编码方法在误帧率上低于普通喷泉码。在删除概率大约为0.04的时候，二者在误帧率上的差异最大，亦即最大自适应喷泉编码方法的性能提升最大。

联合分析图4和图5可知，在二元删除信道的删除概率在0.02和0.05之间时，自适应喷泉编码方法相比普通喷泉码的性能提升最为明显。原因是在删除概率较小时，编码包在传输过程中丢失的情形很少发生，普通喷泉码也能够以较高概率译码，自适应喷泉编码方法的优势并不明显。在删除概率较大时，编码包的丢包率比较大，有可能出现与信源比特连接的所有编码包均丢失的情况，导致即使采用自适应喷泉编码方法，接收端仍无法恢复该信源比特。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于多媒体广播多播业务的自适应喷泉编码方法，其特征在于：

步骤1，在通信***发射端的基本层中生成编码包；具体过程如下：

步骤1.1，检查可分层视频编码中所有基本层信源符号的度，并根据度的情况将其分为三个集合：SoN、SoU、SoT；具体方法为：将度为零的信源符号放入SoN集合中，将度大于等于1且小于等于一个阈值M的信源符号放入SoU集合，将度大于M的信源符号放入SoT集合；

步骤1.2，根据度分布函数产生一个度d，然后选择d个信源符号进行喷泉编码，产生一个编码符号放入编码包；

所述d个信源符号的选择方法为：以概率p且p<0.5选择SoU集合中的符号，以概率1-p选择SoN集合中的符号；

步骤1.3，再次检查所有基本层信源符号的度，根据度的情况按照步骤1.1的方法更新SoN、SoU、SoT集合；

步骤1.4，重复步骤1.2和1.3，直到一个编码包完全产生；

步骤1.5，将信源符号的度清零，重复步骤1.1至步骤1.4；直到产生足够的编码包，使得接收端能够成功译码为止；将所有的基本层编码包通过删除信道传送到接收端；

步骤2，在通信***的发射端的增强层中生成编码包；具体过程如下：

步骤2.1，根据度分布函数产生一个度d；

步骤2.2，从视频信息的增强层中随机选择d个数据，将该d个数据进行模2和，产生一个编码符号；

步骤2.3，重复步骤2.1至步骤2.2，直到产生足够的编码包，使得接收端能够成功译码为止；将所有的增强层编码包通过删除信道传送到接收端；

步骤3，接收端根据步骤1和步骤2得到的编码包进行译码，恢复出整个视频信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于多媒体广播多播业务的自适应喷泉编码方法，其特征在于：所述阈值M的最佳大小为***设定的编码包长度的二分之一。

3.根据权利要求1所述的一种基于多媒体广播多播业务的自适应喷泉编码方法，其特征在于：步骤1.2所述d个信源符号的选择方法，用公式表示为：

$P(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}0& L(i,j)>M\\ (1-p)\frac{1}{n\left(\mathrm{SoN}\right)}+p\frac{1}{n\left(\mathrm{SoU}\right)}& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

其中P(i,j)表示第i个信源符号与第j个编码包产生连接的概率；L(i,j)表示第i个信源符号与第j个编码包已经存在的连接数；n(SoN)和n(SoU)表示SoN、SoU中符号的个数，p为选择SoU集合中符号的概率，1-p为选择SoN集合中符号的概率。

4.根据权利要求1所述的一种基于多媒体广播多播业务的自适应喷泉编码方法，其特征在于：动态设置p和阈值M的大小。