بخشی از مقاله

چکیده-

دراین مقاله، یک سیستم مخابره ویدیویی قابلاطمینان در کانال با نویز گوسی سفید جمعشونده - AWGN - براي ویدیوي کدشده با H.264/AVC طراحی شدهاست. دنباله ویدیوي کدشده با ابزار بخشبندي - - DP،به سه دسته داده با اهمیت متفاوت تقسیممیشود. براي حفاظت نابرابر دستهها درمقابل خطا - UEP - ، از مدولاسیون دامنه تربیعی سلسلهمراتبی - HQAM - استفادهمیشود. در HQAM معمول، فاصله بین نمونههاي منظومه مقدار ثابتی است. اما دراین مقاله، فاصله بهینه بین نمونهها براساس شرایط کانال و حداکثر نرخ خطاي بیت - BER - قابلتحمل براي هردسته، تغییر میکند؛ بهطوري که در شرایط نامساعد کانال، دنبالهبیت با اولویت اول با BER قابلقبولی محافظت میشود.

با بهبود شرایط کانال، حفاظت موردنیاز براي این دسته از دادهها کاهش مییابد و امکان محافظت بیشتر از دنبالهبیت با اولویت دوم و سوم فراهممیشود. بهعلاوه، بهمنظور کاهش تاثیر دنبالههاي حاوي خطا در کیفیت ویدیوي دریافتی، بیتهاي اولویت دوم و سوم قبل از کدگشایی و باتوجه به شرایط کانال، درنظر گرفته یا حذف میشوند. نتایج شبیهسازي نشانمیدهد که کیفیت ویدیوي کدشده بااستفاده از روش پیشنهادي در مقایسه با HQAMمعمول، بهطور میانگین حدود 4dB افزایش یافتهاست.

کلمات کلیدي– ارسال ویدیوي بخشبندي شده، حفاظت خطاي نابرابر - UEP - ، مدولاسیون سلسلهمراتبی.

١- مقدمه

درسالهاي اخیر، ارتباطات چندرسانهاي در شبکههاي بیسیم، کاربرد فراوانی یافتهاست. گسترش روزافزون استفاده ازاینترنت همراه، امکان ارتباطات صوتی و تصویري همچون کنفرانس ویدیویی و ارسال و دریافت ویدیو را براي کاربران فراهم آوردهاست. بهدلیل وجود شبکههاي بیسیم با نرخ خطاي بالا و تغییرات غیرقابل پیشبینی آنها و همچنین محدودیت پهناي باند، ارسال ویدیو در چنین محیطهایی با موانع زیادي روبهرو است. دادههاي ویدیویی به علت حجم زیاد و محدودیت پهناي باند فشرده میشوند؛ اما این عمل به دلیل کدگذاري پیشگویانه و کدگذاري با طول متغیر - VCL - 1 که در کدکننده H.264 استفاده میشود، منجربه حساسیت بیشتر دادهها دربرابر خطا میگردد.[1]

بهمنظور افزایش مقاومت دنباله ویدیو دربرابر خطا و تأثیرات آن بر کیفیت ویدیوي دریافتی، روشهاي مختلفی در کدکنندهH.264 درنظر گرفته شدهاست که از جمله آن میتوان به استفاده
از ابزارهایی نظیر بخشهاي افزونه2، ترتیب منعطف ماکروبلاك - FMO3 - ، تصاویرIDR4 و اختفاي خطا[ 2]5 اشارهکرد. بهعلاوه، روشهاي کدگذاري لایهاي چون کدگذاري مقیاسپذیر ویدیو 3] - SVC6 - و[4 و بخشبندي داده - DP - 7 به همراه ایده حفاظت خطاي نابرابر - UEP - 8 که توسط کاور در [5] مطرحشد، یکی از روشهاي مؤثر در افزایش کیفیت ویدیوي دریافتی در شبکههاي بیسیم است.باتوجه به اینکه بیتها در دنبالهبیت ویدیوي فشردهشده، اهمیت یکسانی ندارند، میتوان با استفاده از روشهاي کدگذاري لایهاي همچون DP، دادههاي ویدیو را بعد از فشردهسازي به دستههایی با اولویتهاي متفاوت تقسیم کرد.

از آنجاکه ایجاد خطا در قسمت هاي بااهمیت، تأثیر بیشتري در کاهش کیفیت ویدیوي بازسازيشده در گیرنده دارد، روش UEP حفاظت بیشتري براي دادههاي مهم اعمال میکند.یکی از سادهترین روشهاي UEP، استفاده از مدولاسیون دامنه تربیعی سلسله مراتبی - HQAM - 9 در لایه فیزیکی است. درHQAM، دادههاي با اهمیت بیشتر روي بیتهاي پرارزش و دادههاي با ارزش کمتر روي بیتهاي کمارزش نمونههاي منظومه، قرار میگیرند. با تغییر چیدمان نمونههاي منظومه و با رعایت نگاشت گري و همچنین تغییر فاصله بین نمونهها، نرخ خطاي بیت - BER - 10 دادههاي با اهمیت بیشتر درازاي افزایشBER مربوط به دادههاي با اهمیت کمتر، کاهش مییابد .[6]

این روش، در مقالات بسیاري مورد بررسی قرارگرفته است. در [7] با طراحی یک الگوریتم بازگشتی و استفاده ازM-PAM11،مقدار دقیق احتمال خطا براي HQAM در کانال AWGNمحاسبهمیگردد. در [8]، HQAM با پیچیدگی کمتر پیادهسازي شدهاست و فاصله بین نمونههاي منظومه، باهدف کاهش بهره انتقال و توان ارسالی براي کانال با نویز سفید گوسی جمع شونده - AWGN - 12 طراحی شدهاست تا میزان BER براي سطوح اولویت مختلف به مقدار قابل قبولی برسد. باتوجه به اینکه HQAMتعداد محدودي سطح براي UEP ایجادمیکند، در [9] مدلHQAM ترکیبی را براي داشتن UEP چندسطحه پیشنهاد میشود و مقدار BER آن درکانال با محوشدگی رایلی13بررسی میگردد.

در [10] روي براي محاسبه فاصله بهینه بین نمونههاي منظومه HQAM باهدف دستیابی به بیشترینPSNR14 براي ویدیوي ارسالی در شرایط مختلف کانال AWGN و کانال با محوشدگی تخت15ارائه شدهاست. در این مقاله دو سطح اولویت تعریف شده است و براي دستیابی به فاصله بهینه در شرایط مختلف کانال، باید مجموعه اي از ویدیوهاي آزمون مورد بررسی قرار گیرند.دراین مقاله، روشی جدید و تطبیقی در HQAM با سه سطح اولویت براي ویدیوي کدشده با استاندارد H.264/AVC در کانالAWGN مطرح میشود. دنباله ویدیو با استفاده از DP به دستههایی با اولویتهاي متفاوت تقسیم میشود.

با توجه بهاینکه هردسته، قادر به تحمل میزان BER خاصی است، معیاري با عنوان حداکثر نرخ خطاي بیت تعریف براي هر دسته تعریف میشود و فاصله بین نمونههاي منظومه بهنحوي انتخاب میشود که BER در هر سطح اولویت از این معیار تجاوز نکند و در شرایط نامساعد کانال نیز ویدیویی هرچند با کیفیت پایینتر، درگیرنده دریافت شود.ادامه مقاله به این صورت سازماندهیشدهاست. در قسمت2، استاندارد H.264/AVC، ساختار ویدیوي کدشده و اساسHQAM مرور میشود. روش پیشنهادي تطبیقی براي HQAMدر کانال AWGN در قسمت 3 ارائه خواهدشد. در قسمت 4 نتایج حاصل از شبیهسازي روش پیشنهادي بیان میشود و بهدنبال آن در قسمت 5 نتیجهگیري ارائه خواهدشد.

٢- پیشزمینه

١-٢-  استاندارد H.264/AVC

کدکننده H.264/AVC شامل دو لایه اصلی استVCL :16 و .NAL17 در VCL دادهها کد میشوند. سپس در NAL،دستهبندي و آماده ارسال میگردند. بهطورکلی یک فریم از ویدیو به یک یا چند برش18تقسیم میشود و هر برش در یک واحدNAL قرار میگیرد.با فعالکردن DP، دنباله ویدیو بعداز فشردهسازي به سه دسته تقسیم میشود. DP_A شامل اطلاعات سرآمد19، آدرسها،پارامترهاي چنديکننده و بردارهاي حرکت است. ایندسته، مهمترین اطلاعات ویدیو را دربردارد. بنابراین، اگر این دادهها دچارخطا شوند، دستههاي دیگر قابل کدگشایی نیستند.دومین دسته مهم است که تاثیر زیادي در جلوگیري از انتشار خطا در دنباله ویدیو دارد.

براي کدگشایی دسته B، باید دستهAمربوط به آن، در کدگشا موجود باشد. DP_C شامل کماهمیتترین دادهها است. در نهایت، دادههاي مربوط به DP_A، DP_B و DP_C به ترتیب در واحد NAL_A، NAL_B و NAL_C قرار میگیرد. بنابراین هر واحد NAL باید براساس میزان اهمیت آن با استفاده از روشهاي مختلف - مثل انواع کدگذاري کانال یا - HQAM حفاظت شود .[11]ویدیوي کدشده با استاندارد H.264/AVC با دنبالهبیت سرآمدSPS,20PPS - 21 و ... - شروع میشود و درصورت استفاده از تصاویر IDR ، دنباله ویدیو ساختاري مشابه شکل1 خواهدداشت.
درابتداي هر واحد NAL یک کدشروع کننده وجود دارد. بیت Fمعمولاً برابر صفر درنظر گرفته میشود. NRI اهمیت واحد NAL را نشان میدهد و Type نوع واحد NAL را مشخص میکند.

٢-٢-  منظومه 64    سلسله مراتبی - 64     -

HQAM روشی ساده براي حفاظت نابرابر و کنترل میزان حفاظت دربرابر خطا بدون اضافهکردن بیتسرباري است که در سیستمهاي چندرسانهاي بیسیم کاربرد دارد .[12] دراین مقاله،64-HQAM با سه اولویت موردبررسی قرار میگیرد. توزیع نمونههاي منظومه با نگاشت گري به گونهاي است که دو بیت پرارزش - HP - 22 هر نمونه شش بیتی در هر ربع منظومه یکسان باشد. همچنین اگر هر ربع به چهار ناحیهR  [ R0 , R1 , R2 ,R3 ]تقسیم شود دو بیت دوم - MP - 23 نیز در Ri یکسان خواهدبود. به بیاندیگر، HP مشخصمیکند که نمونه در کدام ربع قرار دارد،MP ناحیه Ri که نمونه در آن قرار دارد را تعیین میکند و در نهایت با استفاده از دوبیت آخر - LP - 24، یکی از چهار نمونه در Ri تعیین میشود. باتوجه به شکل2 داریم:

که درآن hi حداقل فاصله اقلیدسی براساس شکل2 و ri نسبت این فاصلهها است. با تغییر مناسب ri بهشرط ثابتماندن میانگین توان منظومه، میتوان سهم بیشتري از توان انتقال را به HPنسبت به MP و LP اختصاص داد؛ به عبارتدیگر، حفاظت بیشتر از HP منجر به ازدست دادن حفاظت MP و LP میشود .[13]در رابطه - 2 - پارامتر Savg میانگین توان منظومه را بیانمیکند.N تعداد نمونههاي منظومه و Ak مختصات نمونه k ام در صفحه مختصات است. با انتخاب ri و Savg از رابطه - 1 - و - 2 - ، مقادیر hi محاسبه میشوند.

٣- روش پیشنهادي براي حفاظت خطاي نابرابر با استفاده از .HQAM

دراین مقاله، دنباله ویدیو براساس استاندارد فشردهسازي H.264/AVC به صورت دنباله بایت برمبناي ضمیمه B در [14]کد شده است و بااستفاده از DP به سه اولویت تقسیم میشود. اما اولویتبندي دادههاي کدشده نهتنها به نوع واحد NAL، بلکه بهNRI نیز بستگی دارد. هرچه این مقدار بزرگتر باشد، اهمیت دادههاي موجود در آن واحد NAL بیشتر است. در جدول1 مقادیر ممکن براي سرآمد هر واحد NAL و انواع آن مشخص شدهاست.براساس مقاله [15]، واحدهاي NAL باتوجه به مقدار سرآمد به سه دسته PA، PB و PC بهترتیب اولویت تقسیم میشوند.شکل3، بلوكدیاگرام روش پیشنهادي در کانال AWGN را نشانمیدهد. دراین روش، دنباله ویدیو با فرمت YUV با کدکننده H.264/AVC و با استفاده از ابزارهایی در این استاندارد نظیر DP، FMO و تصاویر IDR کد میشود. سپس همانطور که در قسمت3اشارهشد، دادهها براساس سرآمد واحدهاي NAL، در سه دستهPA، PB و PC اولویتبندي میشوند.

در مرحله بعد، نمونهها براي مدولاسیون آماده میشوند. در این بخش، هر نمونه از شش بیت تشکیل میشود که بیتهاي PA روي بخش HP، بیتهاي PB روي بخش MP و بیتهاي PC روي بخش LP هر نمونه قرارمیگیرند.شرایط کانال بررسی میشود، انتخابگر ri ، با توجه به مقدار SNRدریافتی از تخمین زن و جدول پارامتر ri ، مقدار ri را انتخاب مینماید و HQAM با استفاده از آن، دادهها را مدوله میکند.جدول پارامتر ri ، جدولی از پیش تعیین شده براي ri بهینه بهازاي تمام مقادیر SNR است که هنگام مدولاسیون به آن مراجعه میشود. نحوه انتخاب ri بهینه در قسمت 1-1-3 بررسیمیشود.بعد از مدولاسیون، دادهها در کانال ارسال میشوند و در گیرنده با استفاده از پارامتر ri بازیابی میگردند. سپس دستههاي PA، PBو PC از دنباله بیت دریافتی استخراج میشوند و ویدیو براي مرحله

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید