UWB無線視頻傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要： 為了方便的研究無線視頻在UWB傳輸過程中的丟包率、吞吐量、時延，對UWB信道模型進(jìn)行了研究，使用NS2構(gòu)建了UWB的網(wǎng)絡(luò)模型。網(wǎng)絡(luò)模型配置了模擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各層使用的協(xié)議，確定了鏈路的基本特性，從而可以模擬無線視頻傳輸?shù)腢WB環(huán)境。構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型可以模擬壓縮編碼后視頻流的無線傳輸過程。

關(guān)鍵詞： 超寬帶； NS2； 無線視頻； 信道模型

中圖分類號： TN941.2?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）11?0033?03

0 引 言

超寬帶（Ultra?Wideband，UWB）是無線電通信及信號處理領(lǐng)域的熱點之一。FCC在2002年提出的UWB信號的定義為：在?10 dB的帶寬超過500 MHz的信號都是UWB信號[1?2]。而信道模型是超寬帶通信系統(tǒng)設(shè)計和研究的基礎(chǔ)。超寬帶技術(shù)具有隱蔽性好、抗多徑和窄帶干擾能力強、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、穿透能力強、低功耗、系統(tǒng)復(fù)雜度低等一系列優(yōu)點，而且可以重復(fù)利用頻譜。對于無線視頻的傳輸，可以解決頻譜擁擠的問題[3?7]。本文主要研究UWB的信道模型，并對修正的S?V的四種信道模型進(jìn)行了Matlab仿真及在NS2中構(gòu)建UWB網(wǎng)絡(luò)模型。NS構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型在模擬傳輸JM壓縮后的H.264文件時減小了構(gòu)建系統(tǒng)的復(fù)雜度，NS構(gòu)建的UWB網(wǎng)絡(luò)不需要將視頻進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，只需要將H.264文件進(jìn)行解析，解析完成后會生成一個txt格式的文件。直接傳輸txt文件形式的trace文件，為視頻傳輸減少了調(diào)制與解調(diào)帶來的復(fù)雜過程。

1 IEEE 802.15.3a信道模型

UWB的信道模型主要有兩種：路徑損耗信道模型；多徑衰落信道模型。路徑損耗信道模型有：大尺度衰落信道路徑損耗模型和IEEE 802. 15. 3推薦的路徑損耗模型；多徑衰落信道模型有：802.11 信道模型、Rayleigh 信道模型、Saleh?Valenzuela （S?V）信道模型、Δ?K信道模型和修正的S?V信道模型[8?9]。本文主要對修正的S?V模型的四種信道進(jìn)行了研究和仿真。

IEEE信道模型最終決定采用基于簇方式的模型，IEEE對S?V模型進(jìn)行了一些修改：用對數(shù)正態(tài)分布表示多徑增益幅度；用另一個對數(shù)正態(tài)隨機變量表示總多徑增益的波動；最后，信道系數(shù)采用實變量而非復(fù)變量。

IEEE信道模型的信道沖激響應(yīng)為：

[h（t）=Xl=0Lk=0K（l）αlkδ（t-Tl-τlk）]

式中：[X]為對數(shù)正態(tài)隨機變量，代表信道的幅度增益；[L]為觀測到的簇的數(shù)目；[K（l）]為第[l]簇內(nèi)接收到的多徑數(shù)目；[αlk]為第[l]簇中第[k]條路徑的系數(shù)；[Tl]為第[l]簇到達(dá)的時間；[τlk]為第[l]簇中第[k]條路徑的延時。

信道系數(shù)[αlk]定義為：

[αlk=plkβlk]

式中：[plk]為以等概率取+1和-1的離散隨機變量；[βlk]為第[l]簇中第[k]條路徑的服從對數(shù)正態(tài)分布的信道系數(shù)，表示為：

[βlk=10xlk20]

式中：[xlk]是均值為[μlk]，標(biāo)準(zhǔn)差為[σlk]的高斯隨機變量，[xlk=μlk+ξl+ζlk]，[ξl]和[ζlk]是兩個高斯隨機變量，分別表示每簇和每個分量的信道系數(shù)變化，[σξ]和[σζ]分別表示[ξl]和[ζlk]的標(biāo)準(zhǔn)差。

簇幅度和簇內(nèi)每個多徑分量的幅度都服從指數(shù)衰減的特點，從而得到[μlk]的值：

[μlk=10lnβ002-10TlΓ-10τlkγln10-σ2ξ+σ2ζln1020]

2 信道模型的Matlab仿真

IEEE 802.15.3a工作組給出了四種不同信道環(huán)境，見表1。各信道主要對距離和是否是視距進(jìn)行了研究。

從圖1中可以看出CM1與CM2的傳輸距離相同時，由于CM2在發(fā)射極與接收極之間有障礙物，能量衰減嚴(yán)重。CM3與CM1，CM2相比具有更大的時間彌散。CM4發(fā)射能量的時間彌散比前面任何一種更為明顯。

3 NS2網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

3.1 NS2簡介

NS2是目前主流的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件之一，其開源、免費和易于擴(kuò)展的特性被大多數(shù)開發(fā)者青睞。NS2是一個面對對象的、離散時間驅(qū)動的模擬器，使用C++和OTcl（面對對象的Tcl語言）作為開放語言[10]。

3.2 NS2模型的創(chuàng)建

由于在視頻傳輸?shù)姆抡嬷校枰獙⒄鎸嵉囊曨l碼流在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，因此必須對NS2進(jìn)行擴(kuò)展與修改， 添加視頻傳輸仿真過程中所需的網(wǎng)絡(luò)元素，包括代理的設(shè)計[11?13]。

首先為Otcl腳本的編寫，根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)的要求，定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，配置網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)，確定鏈路的基本特性；建立UDP代理，將UDP發(fā)送、接收代理分別綁定在相應(yīng)節(jié)點上；設(shè)置好trace 對象，將trace文件，注入到NS2模擬網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，然后模擬網(wǎng)絡(luò)根據(jù)trace文件中的參數(shù)生成模型，隨后得到相應(yīng)的trace結(jié)果；最后根據(jù)trace文件對傳輸后的視頻進(jìn)行質(zhì)量評估。流程圖如圖2所示。

3.3 NS2模型創(chuàng)建結(jié)果

本文創(chuàng)建的UWB網(wǎng)絡(luò)是一個由三個節(jié)點組成一字形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在CM1的條件下節(jié)點0向節(jié)點2發(fā)送恒定速率的數(shù)據(jù)流CBR。圖3為NS2構(gòu)建的UWB信道兩張瞬時圖。

從圖3可以看出節(jié)點0會發(fā)送無線數(shù)據(jù)由節(jié)點1再傳給節(jié)點2，從圖中可以看出簡單數(shù)據(jù)流的發(fā)送過程。

4 結(jié) 語

本文主要對UWB的信道進(jìn)行研究，進(jìn)而利用NS2創(chuàng)建UWB網(wǎng)絡(luò)。UWB網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建為無線視頻的傳輸提供一個平臺，尤其是高清視頻的傳輸。NS網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建也為無線視頻傳輸?shù)姆抡孢^程減小了復(fù)雜度。利用UWB網(wǎng)絡(luò)可以對無線視頻傳輸?shù)膩G包率、時延、吞吐量等進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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