基于效用優(yōu)化的視頻通信關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著視頻編碼技術(shù)的飛速發(fā)展，3G/4G移動(dòng)無線通信網(wǎng)絡(luò)的日益成熟，以及諸如智能手機(jī)、平板電腦等智能終端的廣泛普及，視頻通信業(yè)務(wù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。視頻通信綜合考慮了信源視頻壓縮編碼技術(shù)以及編碼后數(shù)據(jù)的傳輸這兩個(gè)方面，同時(shí)對(duì)高效的視頻壓縮編解碼以及快速可靠的數(shù)據(jù)傳輸提出了具有挑戰(zhàn)性的要求，即如何在視頻通信系統(tǒng)以及異構(gòu)的視頻通信網(wǎng)絡(luò)中保證諸如端到端視頻失真、端到端延遲之類的視頻通信業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量。為了能夠充分利用有限的計(jì)算、帶寬、功耗等資

2、源，以解決視頻通信問題中的這一挑戰(zhàn)，本文將具有良好壓縮性能的先進(jìn)視頻編碼技術(shù)與基于效用優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)傳輸控制有效融合，主要研究了基于效用優(yōu)化的視頻通信技術(shù)。按照傳輸場(chǎng)景以及相應(yīng)視頻編碼方式由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的順序，本文逐層遞進(jìn)地解決了單信源單終端的端到端視頻通信系統(tǒng)中的效用函數(shù)建模及碼率優(yōu)化控制、單信源多終端組播網(wǎng)絡(luò)中的可伸縮視頻流多碼率組播的碼率優(yōu)化分配、以及多信源多終端無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布式信源視頻信號(hào)采集的資源優(yōu)化分配這三大類視頻通信中

3、的核心問題。相應(yīng)地，本文的具體研究?jī)?nèi)容分為以下三個(gè)部分：
　　首先，作為其它更為復(fù)雜的信源編碼方式及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中視頻通信的基礎(chǔ)，本文在簡(jiǎn)單的單信源單終端視頻通信系統(tǒng)中，研究了端到端視頻通信系統(tǒng)的效用函數(shù)建模以及基于效用優(yōu)化的碼率控制技術(shù)。這部分工作包含兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。第一，單獨(dú)對(duì)視頻編碼器的延遲-功耗-碼率-失真（d-P-R-D）四維參數(shù)進(jìn)行了聯(lián)合建模，并且為視頻編碼器構(gòu)建了能夠?qū)ρ舆t、功耗、碼率和失真四維效用函數(shù)聯(lián)合優(yōu)化的碼率控制

4、算法，所提出的d-P-R-D效用模型以及基于d-P-R-D聯(lián)合優(yōu)化的碼率控制算法為延遲和功耗受限的視頻通信系統(tǒng)跨層設(shè)計(jì)以及性能優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)際指導(dǎo)。第二，將視頻編碼器的研究擴(kuò)展到完整的端到端視頻通信系統(tǒng)，分別分析了信源編碼以及傳輸?shù)难舆t、碼率和失真效用建模，并且通過考慮整個(gè)端到端延遲在不同延遲分量之間的分配構(gòu)建了基于延遲-碼率-失真（d-R-D）優(yōu)化的碼率控制算法，從而為傳輸碼率和端到端延遲受限的視頻通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最小的視頻端到端

5、失真。
　　其次，在更為復(fù)雜的單信源多終端視頻通信系統(tǒng)中，本文按照從靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的理論假設(shè)到動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際場(chǎng)景的順序，研究了視頻組播網(wǎng)絡(luò)中可伸縮視頻流多碼率組播的碼率優(yōu)化分配技術(shù)。這部分工作包含三個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。第一，針對(duì)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性的理論假設(shè)，對(duì)可伸縮視頻流在有線、無線混合網(wǎng)絡(luò)中的多碼率組播進(jìn)行效用優(yōu)化建模，并且利用網(wǎng)絡(luò)編碼保證組播容量，從而使得各終端節(jié)點(diǎn)對(duì)分層視頻流的接收能夠滿足可伸縮視頻編碼層間依賴性約束以實(shí)現(xiàn)最小的視頻接收失真。第二

6、，考慮實(shí)際無線網(wǎng)絡(luò)中參數(shù)的不確定性，在前述的靜態(tài)效用優(yōu)化問題基礎(chǔ)之上對(duì)實(shí)際無線網(wǎng)絡(luò)中的可伸縮視頻流多碼率組播進(jìn)行了分布式魯棒優(yōu)化建模，通過增加與原始路徑分離的備選路徑并且為其預(yù)留部分帶寬資源，以及引入無線介質(zhì)容量的不確定集合，通過一定程度上優(yōu)化性能的損失以換取對(duì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)不確定性因素的適應(yīng)性，并且在網(wǎng)絡(luò)魯棒性與系統(tǒng)最優(yōu)性能之間找到最佳的折衷。第三，針對(duì)動(dòng)態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)變特性，通過機(jī)會(huì)路由的動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的引入，采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)效用最大化的多時(shí)間

7、段建模方法提出了基于機(jī)會(huì)路由和網(wǎng)絡(luò)編碼的可伸縮視頻流多碼率組播的聯(lián)合碼率分配和傳輸調(diào)度的優(yōu)化問題，提升了網(wǎng)絡(luò)組播吞吐量以及對(duì)時(shí)變動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性。
　　最后，在包括了多個(gè)交織視頻流的多信源多終端視頻通信系統(tǒng)中，本文研究了無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)中多信源視頻流分布式采集和協(xié)同傳輸?shù)馁Y源優(yōu)化分配技術(shù)。這部分工作的創(chuàng)新點(diǎn)為：通過對(duì)具體編碼行為的分析為分布式視頻信源編碼提出了一般的功耗模型，并在此基礎(chǔ)之上綜合考慮網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)功耗以及視頻失