針對傳統(tǒng)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?shù)男路桨?。在信源端，根?jù)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(fā)射功率恒定的情況下，在兩根天線上動態(tài)分配發(fā)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。

    引言

近年來，隨著高速寬帶無線技術的發(fā)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(tǒng)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(fā)射端和接收端的天線數(shù)量，可以有效緩和上述矛盾，該系統(tǒng)在發(fā)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(tǒng)容量，是改善整個系統(tǒng)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(wǎng)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

STCSpaceTimeCoding空時編碼是一種能獲取更高數(shù)據(jù)傳輸率的信號編碼技術。空時編碼是空間傳輸信號和時間傳輸信號的結合，實質上就是空間和時間二維的處理相結合的方法。

在新一代移動通信系統(tǒng)中，空間上采用多發(fā)多收天線的空間分集來提高無線通信系統(tǒng)的容量和信息率；在時間上把不同信號在不同時隙內使用同一個天線發(fā)射，使接收端可以分集接收。用這樣的方法可以獲得分集和編碼增益，從而實現(xiàn)高速率的傳輸?，F(xiàn)在是第三代移動通信系統(tǒng)中提高頻譜利用率的一項技術。

H.264的碼流采用網(wǎng)絡抽象層（NAL單元）封裝，每個NAL單元具有特定的數(shù)據(jù)類型，它包含一個字節(jié)的NAL單元頭和一個原始字節(jié)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(yōu)先級。

基于這種思想，針對AnnexB數(shù)據(jù)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(shù)集），PPS（圖像參數(shù)集）這類數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(shù)，它的丟失勢必對圖像造成致命影響?；谝陨峡紤]，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(shù)據(jù)作為一類數(shù)據(jù)，對該類數(shù)據(jù)采用較別保護；余下為二類數(shù)據(jù)，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）

空時分組編碼就是在空間域和時間域兩維方向上對信號進行編碼。

當天線的數(shù)目一定時，空時格碼（STTC）的譯碼復雜度與天線的個數(shù)和數(shù)據(jù)速率成指數(shù)增長。為了解決譯碼復雜度的問題，Cadence公司的Alamouti首先提出了一種使用兩個發(fā)送天線的傳輸方法，采用兩個發(fā)送天線和一個接收天線，這種算法的性能與采用比合并算法（一個發(fā)送天線，兩個接收天線）的性能是相同的。具體算法介紹如下。

空時分組編碼x及其共軛的線性組合。一個編碼碼字共有P個時刻，并按行由Nf副天線同時發(fā)送，即在個時刻發(fā)送行，第二個時刻發(fā)送第二行，依此類推。在第t個時刻發(fā)送第t行，總共需P個時刻才可完成一個編碼碼字的發(fā)送。因此，矩陣的每一列符號實際是由同一副發(fā)送天線在不同時刻發(fā)送的?？紤]到編碼矩陣G列之間的相互正交性，在同一副天線上發(fā)送出去的星座點符號與另外任意天線上發(fā)送出去的符號是正交的，故這類碼稱為正交空時分組碼。

空時碼是為了實現(xiàn)MIMO系統(tǒng)信道容量而提出的一種高可靠性信道編碼。它根據(jù)信道特性，有效地綜合了發(fā)送分集、接收分集、糾錯編碼和調制等技術，能夠以較低的發(fā)送功率實現(xiàn)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(tǒng)相比，在相同頻譜資源條件下，空時碼可以獲得更優(yōu)的抗誤碼性能。

空時編碼系統(tǒng)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(fā)1收的STBC系統(tǒng)，該系統(tǒng)也是目前為經(jīng)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。此方案也是目前為經(jīng)典的一種空時碼

    接收天線上連續(xù)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(fā)射天線到接收天線的信道衰落系數(shù)，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(tǒng)的總發(fā)射功率為P，有n根發(fā)射天線，并且每根天線上的發(fā)射功率為P0，因此有：

為了實現(xiàn)不等差錯保護，針對2發(fā)1收STBC系統(tǒng)，假設天線1傳輸高優(yōu)先級碼流，對它分配較大的發(fā)射功率，設分配系數(shù)為k1，（k1>1）；天線2 傳輸?shù)蛢?yōu)先級碼流，對其分配較小的發(fā)射功率，設分配系數(shù)為k2，（k2<1），為了保證系統(tǒng)的總發(fā)射功率P不變，則分配的系數(shù)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(shù)，在空時傳輸中有n1=n2；因此

    3.2 基于功率分配的H.264空時編碼方案的算法實現(xiàn)

假設兩根發(fā)射天線上傳輸?shù)拇a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(shù)（k1或k2），然后送入空時分組編碼器進行正交空時編碼，經(jīng)發(fā)射天線傳輸出去，由空時系統(tǒng)一般傳輸模型（Y=HS+W）可得

    4 仿真結果及分析

為了驗證提出方案的優(yōu)越性，采用空時編碼系統(tǒng)與H.264編碼器的級聯(lián)模型，并與傳統(tǒng)的2發(fā)1收STBC正交空時系統(tǒng)做比較，所有的調制符號均選自BPSK星座。信道為準靜態(tài)瑞利衰落信道，噪聲為加性復高斯自噪聲。

4.1 誤碼性能曲線比較

圖1給出了k1=1.3時，提出的基于功率分配的STBC系統(tǒng)的誤碼性能與傳統(tǒng)2發(fā)1收STBC正交空時系統(tǒng)的誤碼性能對比。由圖可知提出方案中天線1的性能優(yōu)于傳統(tǒng)STBC系統(tǒng)，而天線2的抗誤碼性能略低于傳統(tǒng)STBC系統(tǒng)。由于天線1傳送的是高優(yōu)先級碼流，其抗誤碼性能的提高勢必會提高重建圖像質量。因此提出的方案可以在不提高系統(tǒng)總發(fā)射功率前提下，提升高優(yōu)先級碼流的抗誤碼性能，顯然，這一結果與理論推理一致，從而驗證了改進方案的合理性及優(yōu)越性。

    4.2 重建圖像主觀效果對比

從主觀視覺效果上給出兩種方案的比較。當Eb／No=18dB時，兩種方案下第十六幀重建圖像：為原始圖像，為改進方案下的重建圖像，為傳統(tǒng)（2，1）STBC方案下的重建圖像，通過對比可知本方案的重建圖像質量比傳統(tǒng)（2，1）STBC方案好。

    5 結束語

為了解決傳統(tǒng)無線視頻傳輸中重建圖像質量低的問題，本文提出了一種基于功率分配的H.264空時編碼方案，此方案將H.264碼流按重要性不同分為兩部分，在保持總發(fā)射功率恒定韻情況下，在兩根天線上動態(tài)分配發(fā)射功率以提升高優(yōu)先級碼流的誤碼性能，進而提高重建圖像質量。仿真結果表明，與傳統(tǒng)STBC系統(tǒng)相比，提出的方案獲得了較好的重建圖像質量。