应用程序层系统的网络编码切片h / AVC视频

文摘

应用程序层前向纠错(AL-FEC) rateless代码可以应用于保护视频数据有损的通道。扩展窗口随机线性编码(EW rlc)是一个灵活的不等错误保护喷泉编码方案可以提供优先数据传输。在本文中,我们提出一个系统,利用系统的电子战RLC h /先进的视频编码(AVC) slice-partitioned数据。系统重视切片重建以及基于PSNR贡献时间意义。仿真结果证明有用的使用相对片与多媒体广播系统的编码应用程序优先级。

1。介绍

h .先进的视频编码(AVC) [1)是目前最常用的视频编码标准,这是获得广泛使用在新兴通信标准和应用程序。

多媒体通信应用的两个关键挑战在无线网络高和不同误差特征的底层通信信道和巨大的用户设备的异构性。

一种解决方案是使用信道编码技术可以恢复原始数据尽管损失。最新的最先进的解决方案,如那些基于里德所罗门(RS)编码是不灵活的,因为提前编码速率必须固定。此外,编码和解码操作相当复杂尤其是大型伽罗瓦域。这样的代码,通道的误差特性必须提前知道,以便调整编码速率。这个解决方案没有很好的扩展到多个接收器,然后只能假定最坏的删除通道接收器。

使通信的数据包损失,猛禽rateless数字喷泉码(2)已成为标准化的解决方案在许多无线系统,如数字视频Broadcasting-Handheld (dvb - h) [3- - - - - -5)、多媒体广播多播服务(清楚),和移动的微波存取全球互操作性(WiMax) [6]。

另一类rateless代码已获得日益流行的应用程序在无线广播/蜂窝网络是随机线性编码(rlc) [7,8]。rlc显示极限性能消除通道甚至低码字长度(9,10]。此外,新兴的网络概念,如混合广播/蜂窝网络(与用户配备多个接口)或设备间通信,实现网络编码提供了大量的机会收益使用RLC [11]。

传统可靠的多媒体解决方案交付使用多个独立的里德所罗门(RS)与不同的速率分配编码类(重要性12,13]。这些解决方案没有rateless属性,因此必须为最坏的通道条件,和他们不能探索网络编码数据包处理收益在网络拓扑的中间节点。

短消息长度代表应用程序的一个自然选择(如多媒体交付)和无线通讯遇到多次反射,RLC方案代表了一个更高效的和通用的方法。这样的实现将导致增加无线广播/蜂窝网络[多次反射的吞吐量8]。由于这一切,rlc被视为一个独特的rateless /网络编码解决方案(14- - - - - -18]对新兴的无线系统,如长期Evolution-Advanced (LTE-A)和DVB-NGH(下一代手持)。(见[19]的性能/复杂性比较猛禽代码(2)和rlc)。

RLC固有的缺点是,RLC患有高解码的复杂性高斯消去法解码码字长度增加。然而,即使很短码字长度,承认有效实现,RLC性能匹配的猛禽更高的码字长度的代码(19,20.]。

猛禽代码和RLC都是“全或无”的代码,同样保护整个流。为嵌入式和可伸缩的来源流的不同部分有不同的重要性,重建,不等错误保护(UEP)是有益的。扩大窗口喷泉(EWF)代码的类UEP FEC编码提出了可伸缩视频交付(21]。EWF代码是基于的理念创建一组“嵌套窗源块。”这个电子战的概念扩展到RLC,性能限制了(22]。nonsystematic电子战RLC是否适合传输的数据分区的h / AVC一直在调查(4]。

而数据分区h / AVC特性(1),切割片大小的一个优势,可以根据应用程序。h / AVC的切片特性可以用来视频分割成类减少的重要性(视频重建),一个很小的整体性能下降。

提出了一个方案(23)基于宏模块分类成三片组和UEP h / AVC流。宏模块分成三片组的排序是通过检查他们对视频质量的贡献。然后三个片组保护UEP使用RS编码。在[24),一片由相关性排序(SSR)算法优先片重建基于他们的贡献与RS编码一起使用。工作(24是后来扩展(25),提出了一种算法称为隐藏驱动片与RS编码顺序。片的排序是基于误差传播效应,致力于每个片率。

提出的工作不同于早期的工作优先级片的方法和选择的rateless编码信道编码。slice-partitioned视频可以提供一个优势对h .可伸缩视频编码(SVC) [26更好的编码效率和遵守的AVC标准。分层视频可以通过电子战RLC密码保护,可以提供不同程度的保护每一层/窗口。

建筑在我们之前的工作4,19,20.,22),本研究的重点是分析电子战的使用方法与系统的RLC组件代码的UEP slice-partitioned h / AVC视频。系统的RLC有支持的优势更高效的编码和解码程序nonsystematic RLC相比。

与[24),在优先级层纯粹基于失真信息,在本文中,我们提出一个新的代价函数,考虑帧结束的最后期限和时间误差传播更好地优先考虑片成质量层。

我们的模拟结果表明,电子战RLC可以用来有效地保护可靠的视频传输数据包的不同优先级窗口消除通道。获得显著的性能提升而平等错误保护计划和基准计划,重视切片流以一种特别方式。

剩下的论文结构如下。相关背景RLC h / AVC和切片的特点是部分覆盖2。所提出的系统描述的部分3。这项研究的结果发表在部分4结论和未来的研究部分5。

2。背景

在本节中,我们给出一个简短的背景在h / AVC[切片1,27RLC[的]和概述7]和电子战RLC [22编码方案。

2.1。切片在AVC / h

h / AVC提供许多出错恢复功能来减少数据包在传输过程中丢失的影响。

这样一个计划可以在基线配置文件是切片(27),使帧分割成两个或两个以上的独立编码的部分,称为片。每个片在一个框架可以有固定数量的指定宏模块(MBs)或固定的数据速率。每个编码片独立解码了;然而,片有不同的贡献(重要性)视频重建。因此,安排他们贡献的降序片重建可以用来提供一个适合UEP分层的视频流。

2.2。随机线性码(rlc)

RLC应用随着消息来源产生编码数据包随机消息数据包的线性组合系数随机选择从一个给定的有限域。例如,使用RLC /消息来源的长度,一个编码的数据包获得的是,在那里是一个随机选择的元素。由此产生的编码数据包是相同的长度(比特)作为源消息的数据包。此外,每个编码的数据包,一个包含所谓的头信息连接全球编码向量组成的随机选择的有限域系数。头要求在一个单播点对点的设置可以放松如果一对同步随机数生成器(随机数生成器)用于发射机和接收机只传达RNG种子在每个编码数据包报头。编码过程重复在发射机rateless时尚。

因此,每个编码的符号是一个线性组合的或原始符号的一个子集。头的RNG种子进行译码器的编码符号可以使用恢复系数用于编码器。

编码程序实现起来比较简单,对于足够大的有限域用来创建源的线性组合符号、RLC代码执行作为算法消除代码(1字节字段GF(256)通常是足够好(7])。

实用网络编码、RLC在源节点用于编码源消息的数据包和在中间网络节点随机重组的传入和/或缓冲编码包。源节点和中间节点可能产生rateless方式编码的数据包,直到接收节点的需求得到满足(可能是确认反馈消息),或在delay-constrained应用程序,直到一个新的源块定于传播。

收到了足够的线性无关的编码符号后,解码器可以恢复原始符号。

RLC使用由解码的复杂性阻碍了高斯消去法解码、多项式符号的数量。然而,对于短长度的消息来源,解码复杂度是可以接受的(见[19,28)和引用)。

系统的代码是任何纠错代码输入数据的嵌入编码符号。这种编码的优点是,接收者不需要恢复原始符号的正确接收。

消除率低,有效的使用系统的RLC,这进一步降低译码复杂度,因为接收到的系统性包可以用来降低高斯消去法解码前的有效代码长度。

2.3。电子战RLC (22]

在[21),EWF代码的类UEP喷泉码。EWF代码是基于的理念创建一组“嵌套窗口”源块。然后rateless编码过程是适应生产编码数据包时使用此窗口信息。在本文中,我们使用的主要概念EWF创建电子战RLC (22从连续源块包含固定数量的符号(数据包)。

首先,我们定义一组窗口组源符号的不平等的重要性。编码然后执行在逐步增加源块子集windows与这个“最重要”的子集。

窗口的总体布局结构三个重要类图所示1。窗口的最重要的编码数据的子集另外,数据的重要性包括在windows逐渐减少,我们继续。的数据子集包含在所有随后的窗户,因此是最好的保护。除了每个窗口,除了一些自己的数据也包含所有数据重要性越高的窗口。传统RLC应用在每个窗口。

电子战RLC的编码过程有一个重要的第一步,是先选择一个窗口的RLC生成编码符号。这个选择窗口是由概率决定的选择窗口是一个预先指定的参数记住不同层的重要性和可用的数据速率。后选择一个窗口,执行的编码标准的RLC编码在源数据包中包含特定的窗口只有[22]。每个创建的窗口选择过程是独立重复编码的数据包。

在[22),一起分析电子战RLC给出的性能比较与传统不重叠的UEP RLC为每个窗口,使用独立的代码。在[4,20.),不重叠的窗口(现在)和电子战已经用于提供不等错误保护数据分区h / AVC视频数据。(所示4],电子战更好的性能比现在因为在每个窗口是独立解码,因此低优先级的窗户不会导致复苏高优先级的窗口。

3所示。提出了系统

在本节中,我们提出一个系统的最优保护slice-partitioned h与系统化的电子战RLC / AVC视频数据。我们假设编码视频流传输丢包信道。即所有数据包到达应用程序层RLC解码器是正确的,而那些被丢弃的一些错误错误检测码,如循环冗余校验(CRC)出席的底层协议栈代码(例如,物理或链路层)。我们进一步假设采用CRC码的错误检测能力是完美的,这是通常的假设(7,9- - - - - -11,24]。因此,应用程序layer-to-application层通道被建模为包擦除通道与随机丢包统计数据。

为了增加错误弹性,我们使用的编码视频序列切片固定块大小为600字节。h / AVC的编码后,得到每一帧的视频数据包括印尼盾(瞬时解码器刷新)分为片字节,除了每一帧的最后一块可以有一个较小的尺寸。600字节大小的选择来保持每个码字的RLC符号数低,以减少解码高斯消去法的复杂性。参见[11,28]讨论可接受的块长度实时RLC解码。结果片携带不同的重要性来重建被用来实现UEP(见[24,29日)和引用)。

源编码后,电子战RLC编码。使用系统的rlc以来,首先编码符号(片)没有任何编码传输。因为可能的错误/“抹除”的通道,将缺少某些包解码器。

纠正这些“抹除”,RLC冗余数据包生成下一个。

RLC之前,每个片是通过放弃它的优先级组的图片(共和党)数据和测量产生的峰值信噪比(PSNR),一帧一帧平均整个共和党的实际解码。这也考虑后续帧的误差传播效应由于早先失去一片框架。,共和党的累积PSNR值是衡量每个片下降反过来从第一个P帧。每个切片后获得累计PSNR值(下降),full-decoding PSNR的共和党的区别在于测量。确定PSNR下降可以很容易地完成在编码过程中添加了微不足道的复杂性(见[24])。

结果如图所示2第一共和党(16帧编码结构IPPPP…)标准的CIF工头序列。从图可以看出2这片的重要性通常总frame-averaged PSNR下降是我们走向结束的共和党。类似的结果在图所示3第一共和党(64帧和编码结构IPPPP…)的巴黎序列。从这些数据可以看到,巴黎的PSNR下降值序列由于大型共和党大小更大。

因此,我们可以切割成多个优先级层和分配一个更高程度的保护重要层相比,包含不那么重要的层片。这样的分层数据传输可以优先UEP计划和使用前(24,29日]。

纯粹的分组片到优先级类基于PSNR下降如图2,在(24,29日),没有考虑实时帧播出的最后期限(帧早应该给一个更高的优先级)。

出于这一点,我们定义一个成本函数用于29日),考虑到不仅累积PSNR下降对于每个块,而且时间一片的重要性: 在哪里代表累积PSNR下降(见设在图2)。的价值代表了播出时间期限的切片(帧)相对于第一IDR共和党的播出时间。也就是说,印尼盾的框架设置为零,而且每个后续帧添加其播出时间这个值。是一个常数,交易的扭曲和剩余的播出时间。

通过这种方式,我们创建一个系统分配一个优先级的所有片贸易重要性的切片重建和播出时间期限。后计算片在共和党和选择阈值,我们组织切片层。

第一层包括IDR和切片,第二层包括所有剩余的片,等等。此外,算法还将至少一片每帧第一层,如果没有选择(从一个框架)基于上述标准。这有助于阻止误差传播效应,从而进一步提高PSNR。这样的选择可能需要年底发生的帧共和党从图可以看出2。

在该方案中,我们可以创建windows使用一个阈值元组每个窗口,分配不同的保护。注意,片已经在他们的解码顺序在每个层。然而,在每个窗口,片需要恢复到原始来启用AVC解码器的解码。

在确定阈值和分配片窗户,每一层的大小是固定的。然后,剩下的任务是找到最优冗余分配每一层,或者说窗口选择的概率。我们表达的概率选择作为一个窗口元组,th条目表示的概率选择的包层。例如,我们和选择概率的向量这意味着第一个窗口,0.6,将有一个选择的概率,而将会有一个选择概率为0.4。平均,冗余数据包将占总体的60%冗余。

找到最佳的包选择向量,我们预期的PSNR值最大化使用性能分析计算概率的解码错误。也就是说, 在哪里是概率层将层恢复最高,的概率是没有恢复,是重建的PSNR值如果所有层包括层恢复,是一个元组向量窗口选择的概率决定UEP分配方案,和是预期的PSNR UEP计划什么时候使用。

在上面的最大化,我们假设,如果解码的窗口失败,没有一个数据包从窗口可用于重建。这适用于nonsystematic电子战RLC,为系统的电子战RLC近似。

概率的解析表达式,假设随机信道损耗为电子战RLC模型推导出在我们之前的工作22)如下: 所需的解码概率在哪里表示为

的表达式是由于: 而 在哪里选择的概率是th窗口,s是随机变量表示收到的数据包的数量从窗口,widnow源数据包的数量。

穷举搜索优化方法和尺度线性UEP方案被使用的数量。

错误隐藏,我们重复过去的正确解码框架来取代框架的基础层不是正确解码。

4所示。结果和分析

在本节中,我们提出我们的仿真结果。为简单起见,我们考虑的情况下层:高优先级层(HPL)包含片,更重要的,低优先级层(LPL)包含片的那么重要,在那里是选择阈值。

确定源率为每一层的阈值。例如,一个低将导致较低的源率(,因此,无差错性能)基地层。因此,s是可以使用基于客户的带宽以及期望的错误表现水平。在实践中,发射机可以动态地适应源速率每层在不同信道条件下通过改变不同的客户的年代。

视频序列工头CIF格式的编码使用h / AVC软件JM 16.2版(30.]。首先,我们使用的共和党大小16帧与帧结构IPPP…,固定块大小为600字节。我们比较三个方案:一个是提出UEP方案优化的使用(1)。第二个方案是基准计划,我们把所有的片印尼盾和第一片每一帧在LPL HPL和所有其他片。第三是平等的错误保护(保留)方案,保护所有的片一样。注意,基准方案是一个低方案,优先级在一个特设的方式;它仍然使用相同的系统电子战RLC两层的保护。

该方案的目的是按照中描述的算法部分3与和。数据包的大小、数量(一样的片数层),和随之而来的PSNR值配置如表所示1。

对于这个选择,提出UEP方案HPL比基准。

但是请注意,一个较小的HPL该方案可以通过选择适当的参数和在(1)。

所有的计划都是在同一传输比特率相比。对于一个层方案,描述UEP解决方案所需的开销成本+转达年代和年代。使用在本文中,这个数字只有30位并没有考虑。

提出的方案模拟传输的电子战RLC 1000分,平均的结果。传输的数据包总数为每个运行是100。由于采用系统化的RLC,传播发生在两个阶段。在第一阶段,我们传输源符号组成的77包。在第二阶段,我们将额外的数据包按照电子战RLC。注意,第一阶段将是相同的三个方案,然而,在第二阶段,选择的概率可以管理一个优先HPL的传播。重要的现象是,由于每片独立解码了,在RLC解码的情况下获得的PSNR LPL失败和解码的HPL成功的PSNR值高于成功解码HPL由于有用的数据包,收到LPL在第一阶段。

这种获得来自额外的正确接收LPL LPL解码阶段我即使失败的象征。模拟进行了不同的丢包率(赢)和不同的窗口选择的概率评估切片特性来克服的性能损失。

在nonsystematic代码的情况下,如果第一个窗口(或)不解码,整个共和党被认为是失去了。然而,在系统代码的情况下,仍然可以为h / AVC解码器解码共和党只要IDR框架已经收到正确。损失的印尼盾的系统代码,整个共和党丢失。这种情况下的PSNR值是通过使用之前的最后一帧解码共和党替换所有帧的失去了共和党。

各种配置是用于创建不同的UEP基于保护计划组成窗口与不同的保护,基于概率选择窗口为每个发射机输出符号。窗口1的选择概率的增加将提高其鲁棒性的降低成本成功层(s)的鲁棒性。燃灯计划的情况只有最大的窗口选择的概率为100%。这意味着所有的数据保护,没有偏好的数据被认为是重要的,也就是说,窗口。

在图4的结果,我们提出比较系统的代码和nonsystematic代码。计划PS60S概率的方案选择(即等于0.6。,probability to select a symbol from HPL is 0.6), and the suffix S indicates systematic codes. Similarly, scheme PS80N has probability of选择与nonsystematic 0.8码。从图可以看出,系统的代码通常有更好的结果比nonsystematic编码误差范围和数据率。

系统的代码,在一般情况下,不提供nonsystematic相比改进代码。然而减少系统的编码系统的编码解码器的解码复杂度自与矩阵,减少了操作的行数(由正确的数量减少,收到系统的数据包)。因此,图4表明没有性能损失由于系统的代码。

图5显示了拟议的PSNR和PLR系统电子战RLC方案。括号内数字代表每个两个窗口的选择概率,例如,UEP代表一个代码的一个象征将选定的传输概率为0.60。从图可以看出,UEP方案的结果明显好于高损失率的燃灯计划。

UEP只有一个方案保护和发送。计划限制,它无法获得更高的PSNR值超过27.6 dB(见表1)。然而,解码失败,也就是说,当整个共和党无法解码数据,将为UEP少得多HPL以来最强的保护,促进每个共和党收到有高概率,虽然在基本素质水平。这个方案可能在更高的PLR证明有用。同时,注意,这个方案,在第一阶段的传播,只有HPL将传输和系统的代码,在第二阶段,编码符号来自HPL孤单。

PSNR值结果改善与选择的概率因为在选择的概率更高的解码HPL有很高的成功的机会。如前所述,HPL增强的PSNR和解码系统LPL包。

在表2HPL大小的细节和PSNR贡献三个方案创建选择三种不同的值所示。凭直觉,当阈值降低,数据包的数量选择HPL较高。在图6,我们提出方案的优化结果中创建表2。燃灯计划和基准测试的结果也显示比较。对于每个PLR,我们发现UEP提出的最优和最优基准UEP使用(2)。从图可以看出,该方法会导致显著的收益相比高赢燃灯和基准方案。的选择管理HPL的大小。如果选定的大小HPL很小就会比更大的HPL PSNR值相对较低。较低的导致一个更大的HPL,因此更适合更高的赢钱,预计从一个大HPL(更高的PSNR)是更好的保护,和LPL无论如何没有足够的带宽。

类似的结果为CIF巴黎视频序列如图7。注意,对于高PLR,更好的减少导致大的HPL。在任何情况下,不同,一个人可以有效地设计PLR HPL / LPL大小不同。

更大的共和党大小等应用程序可能需要dvb - h (4]。我们编码相同的工头序列与共和党64帧的大小。对于此配置,总源包是161卡路里。发送数据包的总数是209包。在图8,我们提出方案的优化结果创建使用两个不同的值如图所示。这两个方案的价值;然而,基于不同的价值,选择不同的片HPL为每个方案。该计划有更好的性能比,特别是在高丢包,这源于前计划重视切片考虑帧序列中的位置,从而减少错误传播。创建基准计划根据以前的选择标准。燃灯计划执行最糟糕的计划。的结果和在低PLR关闭。原因是,系统的代码,如果HPL可解码,然后正确地接收到的数据包(可从HPL或LPL)大酒店也有助于提高PSNR。

巴黎相似的序列编码的参数用于调查的影响对性能。优化的结果呈现在图9计划使用两个不同的值创建的基准和燃灯计划。结果类似图8的工头序列分析证实了早些时候进行。

从最后两个数据,我们得出这样的结论:是一个有用的参数来提高源数据包分配(相比例)。我们测试了几种不同的值和几种典型病例报告我们的研究结果表明通过改变可实现的性能界限。从这些数据可以看出,的影响small-up 1 db。

5。结论和未来的工作

在本文中,我们提出了系统化的电子战RLC计划保护sliced-partitioned视频数据在不同信道条件选择不同概率的窗口。我们提出了一个新的块优先级方法,考虑PSNR的贡献一片以及位置的帧内共和党。两层的模拟表明,UEP计划执行得更好而燃灯计划和临时的优先级,可以实现用最小的选择(一片)从每一帧视频数据。这样减少选择可以方便地用于视频点播应用程序。RLC解码的复杂性可以很容易地管理方案的一个动态选择片的大小自适应方案。拟议的计划因此适合实时多媒体移动应用程序。

承认

这项工作已经被接受在演示的一部分IEEE图标- 2011(29日]。

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