基于功率分配的H.264空時編碼方案

摘要：針對傳統視頻傳輸重建圖像質量低的問題，提出了一種H．264碼流傳輸的新方案。在信源端，根據H．264碼流重要性差異，將其分為兩部分。采用MIMO信道傳輸視頻信號，在保持總發射功率恒定的情況下，在兩根天線上動態分配發射功率。仿真結果表明，在同等信道條件下，提出的方案有效提高了接收端的重建圖像質量。
關鍵詞：H．264；不等差錯保護；多輸入多輸出；功率分配

0 引言
近年來，隨著高速寬帶無線技術的發展與應用，無線視頻通信正成為人們廣泛關注的領域。如何顯著提高無線通信系統中的頻譜效率，以滿足日益增長的通信容量的需求，成了世界范圍內廣泛關注和急需解決的問題。多輸入多輸出(MIMO)技術通過增加發射端和接收端的天線數量，可以有效緩和上述矛盾，該系統在發送端和接收端同時采用多元天線陣列以獲得空間復用和分集增益，空時碼(STC)則充分挖掘MIMO系統容量，是改善整個系統誤碼性能的有效手段。另一方面，H．264／AVC作為新一代視頻壓縮編碼標準視頻，由于其高的編碼效率和良好的網
絡親和性，受到了國內外學者的廣泛重視。因世MIMO技術與H．264／AVC的結合將大大提高無線視頻通信的可靠性。

1 H．264的碼流分割
H．264的碼流采用網絡抽象層(NAL單元)封裝，每個NAL單元具有特定的數據類型，它包含一個字節的NAL單元頭和一個原始字節序列載荷，其中由 NAL單元頭信息中的NRI的指來指示當前NAL單元的重要性，其值越高表示該NAL單元越重要，在H．264NAL層語義中，用nal_ref_ idc來指示當前NAL的優先級。
基于這種思想，針對AnnexB數據格式下的H．264碼流，序列中的I幀或IDR幀(立即刷新幀)、SPS(序列參數集)，PPS(圖像參數集)這類數據，其nal_ref_ide值為3，表示其所在NAL單元重要性級別很高，該類數據一旦丟失會對視頻重建造成致命影響，因為I幀為幀內編碼模式，它用作 P幀的參考幀，因此只有保證它的準確傳輸才能確保圖像的完整解碼，SPS和PPS為解碼必須參數，它的丟失勢必對圖像造成致命影響。基于以上考慮，本文的碼流分割方式為：對視頻圖像的重建起到重要作用的I幀(或IDR幀)、SPS，PPS的數據作為一類數據，對該類數據采用較高級別保護；余下為二類數據，采用低級別保護，并在此基礎上設計出不等差錯保護方案以提高重建圖像的質量。

2 空時塊編碼(STBC)
空時碼是為了實現MIMO系統信道容量而提出的一種高可靠性信道編碼。它根據信道特性，有效地綜合了發送分集、接收分集、糾錯編碼和調制等技術，能夠以較低的發送功率實現較高頻譜效率的通信，可以達到逼近MIMO信道容量的性能。與不采用空時編碼的系統相比，在相同頻譜資源條件下，空時碼可以獲得更優的抗誤碼性能。
空時編碼系統不僅提供了全分集增益，也提供了編碼增益，且具有線性的檢測復雜度。為簡便起見，且不失一般性，本文采用一個2發1收的STBC系統，該系統也是目前最為經典的一種空時碼，它不僅提供了全分集增益，也提供了編碼增益，且具有線性的檢測復雜度。此方案也是目前最為經典的一種空時碼，其編碼結構為

接收天線上連續兩個時隙對應的接收信號可表示為

式中，h1和h2分別為兩根發射天線到接收天線的信道衰落系數，w1和w2為加在接收天線上的復高斯白噪聲，均值為0，方差為N0。可通過最大似然譯碼準則完成檢測。
3 基于功率分配的H．264空時編碼方案
3．1 功率分配策略
假設系統的總發射功率為P，有n根發射天線，并且每根天線上的發射功率為P0，因此有

為了實現不等差錯保護，針對2發1收STBC系統，假設天線1傳輸高優先級碼流，對它分配較大的發射功率，設分配系數為k1，(k1>1)；天線2 傳輸低優先級碼流，對其分配較小的發射功率，設分配系數為k2，(k21)，為了保證系統的總發射功率P不變，則分配的系數k1，k2應當滿足以下關系式

式中，n1，n2為每個時隙兩根天線上傳送的符號個數，在空時傳輸中有n1=n2；因此

式(6)即為空時系統中兩根發射天線的功率分配關系式。
3．2 基于功率分配的H．264空時編碼方案的算法實現
假設兩根發射天線上傳輸的碼字矩陣如式(6)所示，首先將待傳輸符號s1、s2分別乘上功率分配系數(k1或k2)，然后送入空時分組編碼器進行正交空時編碼，最后經發射天線傳輸出去，由空時系統一般傳輸模型(Y=HS+W)可得，接收信號可以表示為