水声视频自适应传输若干关键技术研究

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随着海洋产业的发展,水下视频传输愈发受到工业界和学术界的重视。然而作为中远距离传输的主要媒介,水声信道却以其复杂多变的特性,成为了制约水下数据传输性能的主要痛点。为了对抗水声信道诸多不利的因素,比如带宽的限制和多普勒频偏的影响,学者们做了大量的工作。而为了更加高效地对数据,特别是图像和视频数据进行传输,一个行之有效的方法便是引入自适应传输技术。因此本文针对水声视频自适应传输的若干关键技术进行了研究,研究的工作主要包含以下三个方面:(1)提出针对水声过扩展信道的信道测量与预测方法。在自适应传输系统中,接收端反馈有效的信息指导发射端调整资源分配的策略,无论是何种反馈类型,都要求接收端能够对信道进行有效的测量,并且对未来时刻的信道进行有效的预测。特别是在一些基于统计信息的反馈方案中,信道测量的准确性就显得尤为重要。因此针对传统信道测量方法对过扩展信道的测量不准问题,提出了一种动态的滑动相关测量方法,在提高多普勒频谱测量区间的同时,有效地避免了传统方法由于更新频率的限制造成的多普勒功率谱的频谱混叠现象。在测量的基础上,充分利用延时径之间的相关性,借助基于时间序列模型的卡尔曼滤波算法对未来时刻的信道响应进行预测。使用模型选择理论中的信息量准则确定模型的阶数,以期达到模型准确性与计算复杂性二者的平衡。(2)提出基于信道状态信息与视频数据重要性的自适应伪模拟传输设计。基于SoftCast或由SoftCast衍生出现的伪模拟方案可以在保留模拟传输性能鲁棒性的同时,利用现有的数字电路进行传输。在大部分视频/图像传输方案中,往往将编码与传输分开设计,而ECast作为少数在传输设计中兼顾视频数据重要性与信道条件的方案之一,却并不适用于水声系统。因此本文针对水声信道的特点,采用OFDM block传输方式,并考虑到了子载波间的干扰问题,通过理论推导得到了理想CSI反馈下与非理想CSI反馈下的发射端最佳预编码酉矩阵、最佳功率分配矩阵以及最佳子载波分配矩阵,并在实验中加以验证。(3)提出基于信道状态信息的自适应数字传输设计,以对抗数字传输系统中的“悬崖效应”等问题。在方案中,视频将通过HEVC/H.265进行编码压缩形成比特数据流,这些比特数据将根据反馈得到的信道信息自适应地进行差错编码控制。针对不同的信道反馈信息,即完全CSI与CSI二阶统计信息,对最佳预编码下的各子载波的信干比进行理论推导,进而指导与实现各子载波上的最佳功率分配与比特加载,借此提出了相应的自适应算法,在保证视频传输质量的前提下,最大化视频传输的比特速率。在该方案中,基于完全CSI信息反馈的传输设计给出了自适应传输框架下的理论传输上限,而基于CSI二阶统计信息的传输设计则有效地解决了水声信道快时变的问题,更符合现实世界中的传输要求。
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