单信道无线视频通信跨层性能优化

摘要

随着视频压缩编码技术的发展和相关标准的制定，数字视频得到越来越广泛的应用。特别是最近几年随着无线网络带宽的不断提高，无线视频通信已经逐渐成为人们工作和生活中不可缺少的一部分。但由于压缩视频对于传输错误（如分组丢失）非常敏感，并有着严格的时延需求，而无线信道固有的特性导致误码率高、信道干扰严重、且传输带宽有限、波动较大，因此难以为视频传输提供可靠的服务质量(quality-of-service, QoS)保证，这就使无线视频传输的QoS研究成为一个具有挑战性的课题。
　　无线视频传输的QoS技术涉及到视频编码、无线通信、优化理论、网络结构和网络管理等许多研究领域的核心技术。针对目前视频在实际网络传输中所面临的难以提供QoS保证的问题，本文从视频编码解码、资源（包括功率、比特、带宽等）分配、分组调度、率失真控制等方面进行深入研究，在充分利用相关技术优点的基础上，充分考虑单信道无线网络特征和视频流量特点，建立合理的目标函数，提出了新的处理方法和模型，从而有效地提高了视频传输的QoS。
　　首先，网络丢包率是资源分配的重要参数依据，针对给定的视频流和网络条件（链路状态和背景流量），如何准确预测多跳视频数据丢失问题，本文建立了基于人工神经网络(artificial neural network, ANN)的多跳分组延迟违约模型；构建了解决多流资源竞争的非凸优化框架；提出了基于拉格朗日对偶分解方法(Lagrange dual decomposition algorithm)的分布式自适应带宽分配策略。
　　其次，IEEE802.11物理层支持多种传输速率，但是速率选择策略在协议中并未规定，如何根据时变的信道情况选择最佳的传输速率始终是一个热点研究问题。为此，本文探讨无线网络视频传输的分层服务映射问题，通过模拟视频流量和无线信道作为联合马尔可夫调制的泊松过程(Markov-modulated Poisson process, MMRP)，妥善分割马尔可夫过程状态，提出了基于MMRP的视频流自适应码率分配方案和可伸缩视频服务映射机制，根据无线时变信道的传输能力，提供视频服务质量和信道利用率之间的最佳折衷。
　　然后，针对如何在带宽、能量、时延等资源约束之下，使用便携式通信设备编码、译码和传送具有高服务质量的视频数据等问题，本文推导了接收机解码器的功率-码率-失真(power-rate-distortion, P-R-D)的关系并给出了联合“物理层-链路层-应用层”的资源分配和性能优化方案，将功率消耗问题整合到视频编码和解码系统的设计中，实现了视频编解码和无线传输之间的一种有效折衷。
　　最后，在视频录制和压缩过程，被编码的比特率需要加以控制以满足视频存储空间或传输带宽的限制。对于一个给定的比特预算，不仅每个视频帧需要在信源编解码过程以高质量水平进行编码和解码，而且帧到帧的感知质量的变化需要随时间的进度保持足够地平稳和流畅，使质量闪烁或运动跳跃最小化。针对这个问题，本文建立了ρ-域长跨距流量预测模型(ρ-domain long-span traffic,ρ-LSP)，将现有的ρ-域速率模型的应用从基于宏块(MB)的速率控制扩展到基于帧的流量预测，提高了ρ-域速率模型的线性度和收敛速度。基于ρ-LSP提出了基于低通滤波函数的R-D控制方案(SRC)和自适应窗口控制机制，对目标比特率和视频失真进行在线控制。
　　大量且广泛的实验结果表明，本文所提出的性能优化方案能在一定程度上支持单信道无线视频通信，在延迟约束下能够找到视频编解码和无线传输之间的最优资源折衷，并获得显著的性能增益。以上这些工作达到了理论研究与实际应用相结合的目的。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究方法

1.3 拟解决的问题

1.4 本文贡献

1.5 论文组织安排

第二章 无线视频通信技术背景

2.1 单信道无线网络特征

2.2 IEEE 802.11标准对于资源分配的支持

2.3 跨层设计的相关理论和技术

2.4 本章小结

第三章 基于多跳网络延迟违约建模的资源分配

3.1 引言

3.2 系统规范和问题描述

3.3 多跳包/分组丢失延迟违约建模

3.4 基于ANN的多跳网络延迟违约建模

3.5 分布式资源优化分配策略

3.6 实验及性能估计

3.7 本章小结

第四章 分层视频信道码率自适应分配机制

4.1 引言

4.2 基于MMRP流量模型的队列行为分析

4.3 分层视频传输映射机制

4.4 仿真与性能估计

4.5 本章小结

第五章 资源-时延约束的无线视频通信跨层性能优化

5.1 引言

5.2 编码器的功率-码率-失真模型分析

5.3 解码器的功率消耗模型分析

5.4 信道传输失真分析

5.5 数据丢失在线估计及问题描述

5.6 跨层资源分配算法和性能优化

5.7 实验结果

5.8 本章小结

第六章 ρ-域长跨距流量预测模型和低通R-D控制算法

6.1 引言

6.2 相关研究

6.3 ρ-域基于帧的大跨度流量预测

6.4 基于ρ-LSP模型的低通R-D控制

6.5 VBR视频流缓冲区自适应窗口调节机制

6.6 仿真与性能估计

6.7 本章小结

第七章 结束语

7.1 本文总结

7.2 未来研究工作

参考文献

致谢

攻博期间取得的研究成果