不同的差错保护

不同的差错保护（精选3篇）

不同的差错保护 第1篇

不等差错保护 (Unequal Error Proteetion, UEP) 是相对于同等差错保护而言的, 在网络资源有限或者传输信道环境恶劣的情况下, 平等差错保护使得重要码流得不到足够的保护, 而使接收端性能严重下降。不等差错保护则根据信源输出码流的重要性不同, 对重要码流进行重点保护, 虽然降低了不重要码流的一些抗噪声性能, 但对接收端的总体性能却有很大的提高。在如今的多媒体通信中, 由于信源输出的表示低频和边缘信息的数据, 其重要性明显高于表示高频信息数据的重要性, 所以非常适合利用UEP机制进行传输, 已经有很多文献对此进行了研究[1,2,3,4,5,6,7], 并且这种机制在欧洲的高清数字电视地面广播系统中已得到了广泛的应用[1]。

文献[5]中提出利用信号星座的叠加来产生一种全新的非均匀星座以及利用不同编码星座的时分多路复用两种UEP方案, 在接收端译码需要使用两个独立的译码器分别对重要和不重要码流进行译码, 由于使用了两个译码器, 势必会增加接收端系统的复杂度, 同时没有对重要和不重要码流进行联合译码, 从而会损失一些编码增益。

另外, 不同编码星座的时分多路复用方案还需使用两个不同的信号星座。文献[8]提出了利用格状编码调制 (Frellis Code Modulation, TCM) 及 (多进制正交幅度调制 (Hultiple quadrature Amplitude Modulation, MQAM) 均匀星座来提供UEP的方案, 虽然这种方案的收端只需一个译码器, 但其对重要码流能提供的保护能力有限, 且没有对不重要码流进行编码调制, 从而损失了一些编码增益。

本文提出了接收端只需要一个译码器, 即基于TCM的8×8非均匀星座UEP方案, 接收端采用重要和不重要码流联合译码, 最后得到了更好的译码性能。

1基于8×8非均匀星座的UEP系统方案设计

本文提出的收端只需一个译码器, 即基于TCM的8×8非均匀星座UEP方案系统框图如图1所示。

其基本想法如下:首先根据信源编码器输出的码流信息的重要性将其分为重要码流和不重要码流, 然后重要码流和非重要码流都经过码率为2/3的 (3, 2, 3) TCM编码器, 编码后共同决定映射到8×8非均匀星座图中哪一个星座点。此处采用的 (3, 2, 3) TCM编码为最佳Ungerboeck码[9], 其编码结构如图2所示。

8×8非均匀星座图如图3所示, 此星座图由64个星座点组成, 每8个靠的比较近的星座点组成一个星座点群, 称为大星座点, 大星座点对应的8个星座点称为小星座点。2个大星座点之间的欧氏距离定义为2个大星座点对应的8个小星座点之间的最小欧氏距离。

在图3中, 设大星座点之间的最小欧氏距离为d1, 小星座点之间的最小欧氏距离为d2, 当d1>d2时, 大星座点所能获得的抗噪声性能就要好于小星座点, 因此当把信源输出的重要码流映射到大星座点上, 而不重要码流映射到小星座点上进行传输的话, 那么重要码流所能获得的抗噪声性能就要好于不重要码流, 而且可以根据实际情况, 通过改变d1/d2的值来调节重要码流的抗噪声性能, 从而满足不同的需求。

在本UEP系统中, 为了突出基于非均匀星座所产生的UEP性能, 重要码流和不重要码流都采用了相同的 (3, 2, 3) TCM编码, 一次都可进行2 b信息的编码。对于重要码流, 编码器输出的3 b信息根据文献[9]中的映射规则 (UP映射规则) 映射到其中一个大星座点上, 然后根据不重要码流编码输出的3 b信息, 同样采用UP映射规则, 决定映射到前面选定的那个大星座点下的具体哪一个小星座点上。因此, 本方案的频谱利用率为4 b/s/Hz, 其中重要码流和不重要码流各占50%。当然, 可以通过改变重要码流或者不重要码流的编码方案来改变系统的频谱利用率和重要码流所占的比例等参数。

在接收端, 本文采用了一种基于软判决Viterbi译码[10]的重要和不重码流联合译码方法。

设信道软输出抽样为:

$r{}_n=a{}_n+w{}_n(1)$

式中:an是输入调制器的离散信号;wn是双边功率谱密度为N0/2时加性高斯白噪声的抽样。此时, 最佳译码器的判决规则是从所有编码信号序列中选出一个序列$\{\widehat{a}{}_n\}$, 使得序列$\{\widehat{a}{}_n\}$与接收序列{rn}之间具有最小平方欧氏距离, 也即找到满足下式的$\{\widehat{a}{}_n\}$:

${\displaystyle \sum |}r{}_n-\widehat{a}{}_n|=\min |r{}_n-a{}_n|{}^2(2)$

对最佳软判决译码, 最可能的错误发生在具有最小平方欧氏距离的两个序列{an}和{bn}之间, 这一最小平方欧氏距离又称为最小平方自由距离, 记作d${}_{\text{f}\text{r}\text{e}\text{e}}^2$, 即有:

$\begin{array}{l}d{}_{\text{f}\text{r}\text{e}\text{e}}^2=\min {\displaystyle \sum |}a{}_n-b{}_n|{}^2,\\ \{a{}_n\},\{b{}_n\}\in C,\{a{}_n\}\ne \{b{}_n\}(3)\end{array}$

文献[5]所提到的译码方法是先进行重要码流译码, 然后根据重要码流的译码结果再进行不重要码流译码, 由于这种译码方法将重要码流和不重要码流的译码分开来进行, 会损失一定的编码增益, 而且重要码流的译码错误会传播, 并影响到不重要码流的译码。由于可以把发端的两个编码器联合起来当成一个总的编码器, 所以本文采用了基于这个总编码器的重要和不重要码流联合译码方法, 这样重要和不重要码流就可同时进行译码, 互相作用。

从微观上来讲, 由于重要码流和不重要码流同时发生前面提到的最小平方欧氏距离错误的概率低于单个码流发生这种错误的概率, 因此, 理论上可以改善重要和不重要码流的译码性能。

2本方案的UEP性能

为了便于分析本方案的UEP性能, 设有一个基于64QAM均匀星座的等差错保护 (EEP) 系统, 信源输出的码流直接通过图2所示的 (3, 2, 3) 卷积码编码器进行编码, 然后再按通常映射规则映射到64QAM星座点上。设64QAM星座点的最小欧氏距离为d0, 并假设前面的UEP系统与这里的EEP系统等概率地取星座点集中的信号且系统发射功率相等, 则UEP系统中的重要码流相对于EEP系统中码流的编码增益为:

$G{}_{\text{Μ}}=10\log \frac{d{}_{\text{f}\text{r}\text{e}\text{e}1}^2}{d{}_0^2}(4)$

式中:d${}_{\text{f}\text{r}\text{e}\text{e}1}^2$为重要码流的最小平方自由距离, 由于它是通过重要码流的TCM产生的, 所以其大小与重要码流TCM中的编码器及调制的大星座点之间的最小欧氏距离d1有关。

同理可得, UEP系统中不重要码流相对于EEP系统中码流的编码增益GL及UEP系统中重要码流相对于不重要码流的编码增益G${}_{\text{L}}^{\text{Μ}}$分别为:

$\begin{array}{l}G{}_{\text{Μ}}=10\log \frac{d{}_{\text{f}\text{r}\text{e}\text{e}2}^2}{d{}_0^2}(5)\\ G{}_{\text{L}}^{\text{Μ}}=10\log \frac{d{}_{\text{f}\text{r}\text{e}\text{e}1}^2}{d{}_{\text{f}\text{r}\text{e}\text{e}2}^2}(6)\end{array}$

式中:d${}_{\text{f}\text{r}\text{e}\text{e}2}^2$为不重要码流的最小平方自由距离, 其大小与非重要码流TCM中的编码器及调制的小星座点之间的最小欧氏距离d2有关。因此, 可以通过改变d1/d2的比值或调整重要和非重要码流的TCM编码结构来改变UEP系统的性能。

3仿真结果及其分析

图4给出了本UEP系统及一个基于64QAM均匀星座的EEP系统的仿真结果图。两个系统信号发射的功率一样, 且均为加性高斯白噪声信道。

从图4可以看出, 当d1/d2=2时, 本UEP系统中的重要码流相对于EEP系统码流的编码增益最高可为6.5 dB, 相对于不重要码流的编码增益可达10 dB左右;当d1/d2=3时, 本UEP系统中的重要码流相对于EEP系统码流的编码增益最高可为8 dB, 相对于不重要码流的编码增益可达14 dB左右。因此, 可以通过改变d1/d2的值来改变系统的UEP性能。

在SNR<15 dB时, UEP系统的重要码流误码性能要比EEP系统码流的误码性能好很多, 这在中低信噪比下可以很好地改善接收端的性能。不过随着信噪比的提高, UEP中的重要码流相对于非重要码流及EEP系统码流的编码增益逐渐降低, 这主要是因为在高信噪比下, 影响上述误码性能的主要因素, 即噪声功率已经变得很低了。

图5给出了本UEP方案和文献[5]及文献[8]中的UEP方案在相同发射功率及信道条件下的仿真结果对比。

从图5中可以看出, 本文和文献[5]的UEP方案提供的对重要码流的保护能力明显好于文献[8], 这主要是因为前两种UEP方案是基于非均匀星座的, 是以不重要码流欧氏距离的减少来换取重要码流欧氏的增大, 从而增大重要码流的抗噪声性能, 而文献[8]是基于均匀星座的, 它是用TCM技术增大重要码流的抗噪声性, 但由于TCM所能提供的编码增益有限, 所以它对重要码流提供的保护能力也很有限, 均低于前两种UEP方案。不过由于它没有降低不重要码流的最小欧氏距离, 因而对不重要码流提供的抗噪声性能要好于前两种方案。

从图5中还可看出, 本方案提供的重要和不重要码流抗噪声性能都要好于文献[5]的, 这主要是因为本方案采用的是重要和不重要码流联合译码方法, 相对于对两种码流进行独立的译码会有一定的编码增益, 从而改善了译码性能。

4结语

提出的基于格状编码调制 (TCM) 的8×8非均匀星座不等差错保护方案, 在d1/d2=2时, 重要码流相对不重要码流有10 dB左右的增益, 很好地保护了重要码流信息, 而且可以通过改变d1/d2的值来改变系统的UEP性能, 以满足实际应用。

另外, 由于接收端采用了重要和不重要码流联合译码的方法, 使得接收端只需要一个译码器就能进行重要和不重要码流的译码, 从而降低了接收端的系统复杂度, 同时还能获得一定的编码增益, 改善接收端的误码性能。因而, 本系统方案在实际多媒体通信中很有应用价值。

参考文献

[1]Digital Video Broadcasting (DVB) .Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial televi-sion (DVB-T) [S].Europe:DVB, 1996.

[2]ZHANG Shuan-qing, LAU V K N.A novel unequal errorprotection (UEP) scheme using D-STTD for multicastservice[J].IEEE Trans.on Wireless Commun., 2009, 8 (2) :978-984.

[3]KUMAR V, MILENKOVIC O.On unequal error protec-tion LDPC codes based on plotkin-type constructions[J].IEEE Trans.on Commun., 2006, 54 (6) :994-1005.

[4]DAVID K, RYUJI K.Serial unequal error-protection codesbased on trellis-coded modulation[J].IEEE Trans.onCommun., 1997, 45 (6) :633-636.

[5]WEI L F.Coded modulation with unequal error protection[J].IEEE Trans.on Commun, 1993, 41 (2) :1439-1449.

[6]MORELOS-ZARAGOZA R H, FOSSORIER M P C, SHULin.Multilevel coded modulation for unequal error protec-tion and multistage decoding.I:Symmetric constellations[J].IEEE Trans.on Commun., 2000, 48 (2) :204-213.

[7]ISAKA M, FOSSORIER M P C, MORELOS-ZARAGOZAR H.Multilevel coded modulation for unequal error protec-tion and multistage decoding II:asymmetric constellations[J].IEEE Trans.on Commun., 2000, 48 (5) :774-786.

[8]李光球.UEP MQAM方案及在数字电视地面广播中的应用研究[J].电子学报, 1999, 27 (10) :111-113.

[9]UNGERBOECK G.Trellis-coded modulation with redun-dant signals seta part I:introduction and part II:state ofthe art[J].IEEE Commun.Mag., 1997, 25 (2) :5-21.

不同的差错保护 第2篇

1.1网络全局

1.1.1结构安全（G3）

a)应保证主要网络设备的业务处理能力具备冗余空间，满足业务高峰期需要；（2级为关键网络设备）

b)应保证网络各个部分的带宽满足业务高峰期需要；（2级为接入网络和核心网络）c)应在业务终端与业务服务器之间进行路由控制建立安全的访问路径；（2级无此项）d)应绘制与当前运行情况相符的网络拓扑结构图；

e)应根据各部门的工作职能、重要性和所涉及信息的重要程度等因素，划分不同的子网或网段，并按照方便管理和控制的原则为各子网、网段分配地址段；

f)应避免将重要网段部署在网络边界处且直接连接外部信息系统，重要网段与其他网段之间采取可靠的技术隔离手段；（2级无此项）

g)应按照对业务服务的重要次序来指定带宽分配优先级别，保证在网络发生拥堵的时候优先保护重要主机。（2级无此项）

1.1.2边界完整性检查（S3）

a)应能够对非授权设备私自联到内部网络的行为进行检查，准确定出位置，并对其进行有效阻断；（2级无此项）

b)应能够对内部网络用户私自联到外部网络的行为进行检查，准确定出位置，并对其进行有效阻断。（内部网络中出现的内部用户未通过准许）

1.1.3入侵防范（G3）

a)应在网络边界处监视以下攻击行为：端口扫描、强力攻击、木马后门攻击、拒绝服务攻击、缓冲区溢出攻击、IP碎片攻击和网络蠕虫攻击等；

b)当检测到攻击行为时，记录攻击源IP、攻击类型、攻击目的、攻击时间，在发生严重入侵事件时应提供报警。（2级无此项）

1.1.4恶意代码防范（G3）（2级无此项）

a)应在网络边界处对恶意代码进行检测和清除； b)应维护恶意代码库的升级和检测系统的更新。

1.2网络设备和安全设备

1.2.1访问控制（G3）

a)应在网络边界部署访问控制设备，启用访问控制功能；

b)应能根据会话状态信息为数据流提供明确的允许/拒绝访问的能力，控制粒度为端口级；（2级为网段级）c)应对进出网络的信息内容进行过滤，实现对应用层HTTP、FTP、TELNET、SMTP、POP3等协议命令级的控制；（2级无此项）

d)应在会话处于非活跃一定时间或会话结束后终止网络连接；（2级无此项）e)应限制网络最大流量数及网络连接数；（2级无此项）f)重要网段应采取技术手段防止地址欺骗；（2级无此项）

g)应按用户和系统之间的允许访问规则，决定允许或拒绝用户对受控系统进行资源访问，控制粒度为单个用户；

h)应限制具有拨号访问权限的用户数量。

1.2.2安全审计（G3）

a)应对网络系统中的网络设备运行状况、网络流量、用户行为等进行日志记录； b)审计记录应包括：事件的日期和时间、用户、事件类型、事件是否成功及其他与审计相关的信息；

c)应能够根据记录数据进行分析，并生成审计报表；（2级无此项）

d)应对审计记录进行保护，避免受到未预期的删除、修改或覆盖等。（2级无此项）

1.2.3网络设备防护（G3）

a)应对登录网络设备的用户进行身份鉴别； b)应对网络设备的管理员登录地址进行限制； c)网络设备用户的标识应唯一；

d)主要网络设备应对同一用户选择两种或两种以上组合的鉴别技术来进行身份鉴别；（2级无此项）

e)身份鉴别信息应具有不易被冒用的特点，口令应有复杂度要求并定期更换； f)应具有登录失败处理功能，可采取结束会话、限制非法登录次数和当网络登录连接超时自动退出等措施；

g)当对网络设备进行远程管理时，应采取必要措施防止鉴别信息在网络传输过程中被窃听；

h)应实现设备特权用户的权限分离。（2级无此项）

第二章 主机安全

操作系统测评和数据库系统测评 2.1身份鉴别（S3）

a)应对登录操作系统和数据库系统的用户进行身份标识和鉴别；

b)操作系统和数据库系统管理用户身份标识应具有不易被冒用的特点，口令应有复杂度要求并定期更换；

c)应启用登录失败处理功能，可采取结束会话、限制非法登录次数和自动退出等措施； d)当对服务器进行远程管理时，应采取必要措施，防止鉴别信息在网络传输过程中被窃听；

e)应为操作系统和数据库系统的不同用户分配不同的用户名，确保用户名具有唯一性。

f)应采用两种或两种以上组合的鉴别技术对管理用户进行身份鉴别。（2级无此项）

2.2访问控制（S3）

a)应启用访问控制功能，依据安全策略控制用户对资源的访问；

b)应根据管理用户的角色分配权限，实现管理用户的权限分离，仅授予管理用户所需的最小权限；（2级无此项）

c)应实现操作系统和数据库系统特权用户的权限分离；

d)应严格限制默认帐户的访问权限，重命名系统默认帐户，修改这些帐户的默认口令； e)应及时删除多余的、过期的帐户，避免共享帐户的存在。f)应对重要信息资源设置敏感标记；（2级无此项）

g)应依据安全策略严格控制用户对有敏感标记重要信息资源的操作；（2级无此项）

2.3安全审计（G3）

a)审计范围应覆盖到服务器和重要客户端上的每个操作系统用户和数据库用户； b)审计内容应包括重要用户行为、系统资源的异常使用和重要系统命令的使用等系统内重要的安全相关事件；

c)审计记录应包括事件的日期、时间、类型、主体标识、客体标识和结果等； d)应能够根据记录数据进行分析，并生成审计报表；（2级无此项）e)应保护审计进程，避免受到未预期的中断；（2级无此项）f)应保护审计记录，避免受到未预期的删除、修改或覆盖等。

2.4剩余信息保护（S3）（仅操作系统）（2级无此项）

a)应保证操作系统和数据库系统用户的鉴别信息所在的存储空间，被释放或再分配给其他用户前得到完全清除，无论这些信息是存放在硬盘上还是在内存中；

b)应确保系统内的文件、目录和数据库记录等资源所在的存储空间，被释放或重新分配给其他用户前得到完全清除。

2.5入侵防范（G3）（仅操作系统）

a)应能够检测到对重要服务器进行入侵的行为，能够记录入侵的源IP、攻击的类型、攻击的目的、攻击的时间，并在发生严重入侵事件时提供报警；（2级无此项）b)应能够对重要程序的完整性进行检测，并在检测到完整性受到破坏后具有恢复的措施；（2级无此项）

c)操作系统应遵循最小安装的原则，仅安装需要的组件和应用程序，并通过设置升级服务器等方式保持系统补丁及时得到更新。

2.6恶意代码防范（G3）（仅操作系统）

a)应安装防恶意代码软件，并及时更新防恶意代码软件版本和恶意代码库； b)主机防恶意代码产品应具有与网络防恶意代码产品不同的恶意代码库；（2级无此项）

c)应支持防恶意代码的统一管理。

2.7资源控制（A3）（数据库系统仅a、b、d）

a)应通过设定终端接入方式、网络地址范围等条件限制终端登录； b)应根据安全策略设置登录终端的操作超时锁定；

c)应对重要服务器进行监视，包括监视服务器的CPU、硬盘、内存、网络等资源的使用情况；（2级无此项）

d)应限制单个用户对系统资源的最大或最小使用限度；

e)应能够对系统的服务水平降低到预先规定的最小值进行检测和报警。（2级无此项）

第三章 应用安全测评

3.1身份鉴别（S3）

a)应提供专用的登录控制模块对登录用户进行身份标识和鉴别；

b)应对同一用户采用两种或两种以上组合的鉴别技术实现用户身份鉴别；（2级无此项）

c)应提供用户身份标识唯一和鉴别信息复杂度检查功能，保证应用系统中不存在重复用户身份标识，身份鉴别信息不易被冒用；

d)应提供登录失败处理功能，可采取结束会话、限制非法登录次数和自动退出等措施； e)应启用身份鉴别、用户身份标识唯一性检查、用户身份鉴别信息复杂度检查以及登录失败处理功能，并根据安全策略配置相关参数。

3.2访问控制（S3）

a)应提供访问控制功能，依据安全策略控制用户对文件、数据库表等客体的访问； b)访问控制的覆盖范围应包括与资源访问相关的主体、客体及它们之间的操作； c)应由授权主体配置访问控制策略，并严格限制默认帐户的访问权限；

d)应授予不同帐户为完成各自承担任务所需的最小权限，并在它们之间形成相互制约的关系。

e)应具有对重要信息资源设置敏感标记的功能；（2级无此项）

f)应依据安全策略严格控制用户对有敏感标记重要信息资源的操作；（2级无此项）

3.3安全审计（G3）

a)应提供覆盖到每个用户的安全审计功能，对应用系统重要安全事件进行审计； b)应保证无法单独中断审计进程，无法删除、修改或覆盖审计记录；

c)审计记录的内容至少应包括事件的日期、时间、发起者信息、类型、描述和结果等； d)应提供对审计记录数据进行统计、查询、分析及生成审计报表的功能。（2级无此项）

3.4剩余信息保护（S3）（2级无此项）

a)应保证用户鉴别信息所在的存储空间被释放或再分配给其他用户前得到完全清除，无论这些信息是存放在硬盘上还是在内存中；

b)应保证系统内的文件、目录和数据库记录等资源所在的存储空间被释放或重新分配给其他用户前得到完全清除。

3.5通信完整性（S3）

应采用密码技术保证通信过程中数据的完整性。（2级为校验码技术）

3.6通信保密性（S3）a)在通信双方建立连接之前，应用系统应利用密码技术进行会话初始化验证； b)应对通信过程中的整个报文或会话过程进行加密。（2级为敏感信息字段）

3.7抗抵赖（G3）（2级无此项）

a)应具有在请求的情况下为数据原发者或接收者提供数据原发证据的功能； b)应具有在请求的情况下为数据原发者或接收者提供数据接收证据的功能。

3.8软件容错（A3）

a)应提供数据有效性检验功能，保证通过人机接口输入或通过通信接口输入的数据格式或长度符合系统设定要求；

b)应提供自动保护功能，当故障发生时自动保护当前所有状态，保证系统能够进行恢复。（在故障发生时，应用系统应能够继续提供一部分功能，确保能够实施必要的措施）

3.9资源控制（A3）

a)当应用系统的通信双方中的一方在一段时间内未作任何响应，另一方应能够自动结束会话；

b)应能够对系统的最大并发会话连接数进行限制； c)应能够对单个帐户的多重并发会话进行限制；

d)应能够对一个时间段内可能的并发会话连接数进行限制；（2级无此项）e)应能够对一个访问帐户或一个请求进程占用的资源分配最大限额和最小限额；（2级无此项）

f)应能够对系统服务水平降低到预先规定的最小值进行检测和报警；（2级无此项）g)应提供服务优先级设定功能，并在安装后根据安全策略设定访问帐户或请求进程的优先级，根据优先级分配系统资源。（2级无此项）

第四章 数据安全测评

4.1数据完整性（S3）

a)应能够检测到系统管理数据、鉴别信息和重要业务数据在传输过程中完整性受到破坏，并在检测到完整性错误时采取必要的恢复措施；

b)应能够检测到系统管理数据、鉴别信息和重要业务数据在存储过程中完整性受到破坏，并在检测到完整性错误时采取必要的恢复措施。（2级无此项）

4.2数据保密性（S3）

a)应采用加密或其他有效措施实现系统管理数据、鉴别信息和重要业务数据传输保密性；（2级无此项）

b)应采用加密或其他保护措施实现系统管理数据、鉴别信息和重要业务数据存储保密性。（的）

4.3备份和恢复（A3）

a)应提供本地数据备份与恢复功能，完全数据备份至少每天一次，备份介质场外存放；（2级为应能够对重要信息进行备份和恢复。）

b)应提供异地数据备份功能，利用通信网络将关键数据定时批量传送至备用场地； c)应采用冗余技术设计网络拓扑结构，避免关键节点存在单点故障；

不同的差错保护 第3篇

可伸缩视频编码(SVC)作为H.264的扩展标准[2]可以解决无线信道中的这些问题,它能产生一个高效灵活的比特流,以此满足不同网络和用户的需要,这个单独的比特流同时包括不同客户端需要的信息。但是,由于SVC比特流中的不同层有不同的重要性,所以当视频信号在信道传输时就要采用非均衡差错保护(UEP)的方法。为了提高SVC在有噪无线网络中传输的质量,本文提出一种新的非均衡差错保护方案。该方案通过控制低密度奇偶校验码(LDPC)的码率来实现非均衡差错保护,并用H.264可伸缩扩展标准作为其信源编码模型。

在所提的方法中,首先根据时间、分辨率和质量层以及峰值信噪比(PSNR)增益计算需要加入的校验位长度,然后对信源编码后产生的比特流进行分包和信道编码。同时本文所提方案有较低的计算复杂度,尤其适用于移动终端设备。

1 基于H.264的可伸缩视频编码

可伸缩视频编码能产生一个满足用户不同需要的比特流。用户能非常容易地从这个比特流中抽取到所需要的信息并解码。可伸缩视频编码与H.264的最主要的区别就是,在可伸缩视频编码中,一个码流能同时提供多种空间、时间和质量层的信息,然而在H.264的比特流中,只包括固定分辨率、帧率和质量层的信息。

对可伸缩视频编码的研究已经20多年了,但是先前的可伸缩视频标准并没有得到很好的发展,主要原因是可伸缩视频编码在性能方面的损失和解码过程的复杂性。2005年1月MPEG和ITUT视频专家组决定共同将SVC作为H.264标准的一个修正[3,4,5]。H.264的可伸缩的扩展标准被选为SVC标准的起始点。SVC能够在主比特流中丢弃一些NAL单元来抽取不同的空间、时间和分辨率的视频信息。SVC的比特流能被分成一个基本层和很多加强层,每一层有不同的重要性[6]。在无线信道中,用非均衡差错保护的方法来传输这些分层的视频流能有效提高解码得到的视频质量。

2 传输模型

可伸缩视频编码采用LDPC实现非均衡差错保护的系统结构如图1所示。信源编码器使用H.264扩展标准的SVC,信道编码部分分为信道码率分配、分包和LDPC编码。信道码率用来决定对每一层进行信道编码的码率、分包和LDPC编码的分配,根据码率分配的结果对信源编码后的数据进行非均衡差错保护,把分包编码后的数据送到无线信道中进行传输[7]。在接收端,接收到的数据经过LDPC解码、码流重组后送入信源解码器。下面具体介绍每一部分的实现过程和作用。

信源编码器使用基于H.264的扩展标准SVC。SVC支持时间、空间、质量可伸缩,它提供了各种各样的加强层,比MPEG-4能提供更好的伸缩性能。

2.1 非均衡差错保护的方法

本文所提方案采用LDPC编码来实现非均衡差错保护。LDPC码是线性分组码的一种,在线性分组码中,长度为k bit的信息位以一定的映射规则映射为长度为N bit的码字,信息位和码字中的各位都是某一有限域中的元素,最常用的是二元域GF(2)。所采用的信道码率为k/N,N一定的情况下,k不同,对数据施加的保护不同,k越小,对数据施加的保护越大[8]。

2.2 分包方案

图2显示了本文所用的第r帧数据的分包方案。使用这个方案,能分别对第r帧的每一层数据进行单独的保护。每一行代表了一个码字,码字长度N bit,它是第r帧与时间、分辨率和质量有关的特定数据。其中信息位的长度为k bit,经过LDPC编码后包长变为N bit。每一帧分为T个码字,对每一帧数据,T的值是不相等的。根据时间、分辨率和SNR层的重要性不同,可以把一帧数据分为m层。其中Lr,i表示第r帧第i层深度,即

第j个码字的数据是长度为kjbit的信息位数据,经过LDPC编码后形成长度为N bit的码字。用Rj=表示第j个码字的码率,码率越高,保护就越低。

2.3 信道码率分配方法

在一个图像组(GoP)内,由于分等级的预测结构,可把每一个GoP内所有的帧分为时间基本层和时间加强层。在每一帧内,又由于分辨率可伸缩和质量可伸缩,把每一帧数据分为基本层、空间加强层和质量加强层[9]。

由于加强层都是对基本层信息的加强,所以在每一帧内,空间和质量加强层的平均PSNR总是高于基本层的平均PSNR,由Q表示。

假设Qr,i为第r帧第i个加强层对前一层PSNR值的绝对增量,可计算第r帧的所有层对前一层的绝对增量。

设pj为不同信噪比(SNR)下不同码率的信号经过LDPC编码后成功接收的概率。可得到层深度为Lr,j的数据成功接收的概率:

经过信道后第r帧的PSNR总量如下:

假设第r帧的总比特数bitr,total是一定的,用于校验位的比特为bitr,c,信息位的比特数为bitr,s。假设bitr,s,i为第i层的信息位的比特数,bitr,c,i为第i层的保护位的比特数。可得:

在信道传输的总比特数bitr,total确定的情况下,由于信源编码产生的总比特数bitr,s是确定的,所以,保护比特bitr,c总数也是确定的。在一定的保护比特总数下,要产生最大的PSNR值,就要在信噪比一定的信道中,为第i层加上恰当的保护比特bitr,c,i,产生一定的码率Ri,得到合适的pi,使第r帧的PSNRr最大。由于后一层是由前一层来预测的,为了实现非均衡差错保护,就要选取bitr,c,i≥bitr,c,j(i

用LDPC码做信道编码,就可以定义几种码率(R1,R2,R3,…Rk…RM),这些码率经过信道后,会产生不同的pj,假设第i帧的数据有L层(L

在图3所示的方案中,反复选取不同的Rr1,Rr2,…,RL组合,在(5)式的限制下,使由(4)式计算出的第r帧的PSNRr最大。这样得到的码率组合就是一定信道信噪比下第r帧的码率分配方法。同样,对其他帧的数据也都采用这种方法,实现码率分配方案。

本文所采用的分配方法对每一包数据需要4个参数来决定信道数据。这4个参数根据它们的重要性分别列出如下:

(1)时间层:在一个GoP内,时间层越低,重要性就越高,对它的保护就越大,码率就越低。本方案对时间层由低到高每一帧的平均码率相应增加。

(2)分辨率层:分辨率层越低,重要性就越高,对它的保护也越大。

(3)质量层:根据质量层id,由低到高重要性越低,施加的保护越小。

(4)总量:选取每一帧内PSNR总量最大的码率组合。

3 实验仿真

下面对本文所提方法进行仿真验证。实验中使用标准的CIF和QCIF格式的H.264序列。实验参数如下:JSVM9.16[9];GoP大小为8;只在第0帧使用I帧;采用层间预测;图像序列为标准YUV序列Foreman,City,Mobile序列;时间层分为三个层,质量层分为两个层,MGSVector0为16;编码帧数设为16;信道模型采用SNR分别为3、3.25、3.5、3.75、4的高斯信道;LDPC编码码率为(0.5,0.55,0.6,0.65,0.7,0.75,0.8,0.85,0.9,0.95),迭代次数设置为200;采用BPSK方式进行调制。

重复2 000次,统计每种码率下,信号经过不同信噪比的LDPC信道后成功接收的概率pj如表1表示。

表1说明了在相同的信噪比SNR条件下,随着码率的增加,信号经过LDPC信道后成功接收的概率pj有逐渐下降的趋势。说明了保护程度越深,pj就越大。

根据如上参数设置对Foreman序列进行编码,按照(2)式计算每一层的平均PSNR值,统计每一帧每一层平均PSNR增量如表2所示。

按照本文所提方案,根据式(4)反复计算不同信噪比时每帧数据各种码率组合得到的平均PSNR值。可得到不同信噪比时每帧数据的最佳码率分配方法,表3列出了信噪比SNR为3.5时每帧数据的码率分配方法。

由表3得到信噪比为3.5时每帧数据的分包方案,同样可以得到SNR为其他值(3,3.25,3.75,4)时的分包方案(本文没有列出)。

根据上述分包方案,分别对标准视频序列Foreman、City、Mobile进行信道编码后的视频流进行解码,可得到使用本文所提非均衡差错保护UEP方案与只考虑时间层的UEP和只考虑质量的UEP方案进行比较的结果,如图4所示的平均PSNR性能曲线图[10]。

由图4可见,本文所提方案比仅考虑质量层的UEP和只考虑时间层的UEP方案的PSNR值有很大的改进。图4(a)表明,本文所提方案比仅考虑质量层的UEP的PSNR平均高2.8 dB,比只考虑时间层的UEP平均高4.3 dB。尤其是在信噪比较低的无线信道中,本文所提方案有效地改善了视频传输的质量。

本文提出了用LDPC信道编码对SVC进行非均衡差错保护的方案。H.264可伸缩的扩展标准产生的视频流经过信源编码,并根据可伸缩视频流经过信源编码后产生序列的时间、分辨率、质量基本层和加强层各部分重要性的不同,分别对各部分使用LDPC进行非均衡差错保护的信道编码,再经过加性高斯信道,最后对所得视频序列进行解码。通过仿真可以看出,此方案相比其他非均衡差错保护的信道编码,在性能上有很大的改进,尤其是在信噪比小的无线信道中,此方案能显示出明显的优越性。

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