服務(wù)于新一代新聞采集系統(tǒng)的超高速無線局域網(wǎng)組建重難點技術(shù)探析

朱 江，王 華，楊 春

（蒼穹數(shù)碼技術(shù)股份有限公司，北京 101102）

1 引言

為了將記者采集到的新聞影像、聲音及文字信息及時上傳新聞中心，需要在到達現(xiàn)場后迅速建立起記者到新聞匯集轉(zhuǎn)發(fā)點（如衛(wèi)星轉(zhuǎn)播車、衛(wèi)星小型地面站等）的通信鏈路，實現(xiàn)新聞的采集報道。電纜連接、微波等方法都存在架設(shè)困難的因素，專門的無線電臺則不僅調(diào)試困難，而且適應(yīng)的業(yè)務(wù)種類少，與其他通信設(shè)備連接的接口單一。利用超高速無線局域網(wǎng)（UHT）則不僅鏈路建立迅速，而且多種業(yè)務(wù)容易統(tǒng)一到一個共同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，設(shè)備間連接方便。超高速無線局域網(wǎng)具有靈活性和移動性強、安裝便捷、易于進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和調(diào)整、故障定位容易、傳輸速度快且易于擴展的優(yōu)點，將其技術(shù)應(yīng)用于新一代新聞采集系統(tǒng)中，毫無疑問可以極大地提高新聞采集效率和傳播能力。

2 多媒體傳輸跨層優(yōu)化技術(shù)

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議架構(gòu)遵循嚴格的分層原則，雖然有效確保了互操作、快速部署以及高效實現(xiàn)等特性，但是層間信息無法進行交互利用，造成在信道條件好的情況下無線資源的浪費，網(wǎng)絡(luò)性能也不能達到整體最優(yōu)[1]。超高速無線局域網(wǎng)的全網(wǎng)吞吐數(shù)據(jù)率是決定系統(tǒng)性能的最重要參數(shù)。如果系統(tǒng)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況對無線網(wǎng)絡(luò)資源進行自適應(yīng)地配置，則能大幅提升全網(wǎng)吞吐數(shù)據(jù)率，這就要求系統(tǒng)采用跨層設(shè)計方法。近年來，跨層協(xié)作設(shè)計已經(jīng)廣泛應(yīng)用于蜂窩通信、WLAN、Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)及認知無線電網(wǎng)絡(luò)。為適應(yīng)無線視頻新聞采集系統(tǒng)中，視頻傳輸對距離、功率和抗干擾性要求，應(yīng)重點針對視頻壓縮編解碼技術(shù)，研究無線視頻跨層聯(lián)合編解碼方法，在帶寬、信道條件限制下，提高系統(tǒng)傳輸視頻的質(zhì)量。

2.1 基本原理

無線網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計是為了獲得較高的網(wǎng)絡(luò)性能（如高吞吐量、低延遲等），在全面綜合考慮協(xié)議棧各層次之間的相互關(guān)系并保留原有分層協(xié)議棧結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，打破嚴格的層與層之間的通信限制，允許協(xié)議棧各個層次、各個模塊間“直接”交互信息，為網(wǎng)絡(luò)運行提供必要保障。

基于博弈論優(yōu)化的跨層建模可以用一個三元組G={P，A{ui}}來定義[2]。式中，P 為博弈的參與者，分別代表協(xié)議的不同層（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層）；A 是博弈的策略集合，如物理層調(diào)整不同功率發(fā)射參數(shù)、數(shù)據(jù)鏈路層調(diào)整鏈路狀況等；ui為參與者i 的效用函數(shù)，如傳輸層通過調(diào)整擁塞窗口大小，可以獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。該博弈模型最終可以表示為：

P=[P1，P2，P3，P4，P5]

式中，P1為物理層；P2為數(shù)據(jù)鏈路層；P3為網(wǎng)絡(luò)層；P4為傳輸層；P5為應(yīng)用層。

在具體的博弈跨層優(yōu)化中，如果相應(yīng)的層沒有參與跨層優(yōu)化，由對應(yīng)的參與者集合P 表示為空。

效用函數(shù)方程表示為：

Ui=fi（P），i=1，2，...，I

根據(jù)逼近程度或易于處理的系統(tǒng)，通過求線性函數(shù)、一階導數(shù)或，分析計算效用函數(shù)fi（P）。式中，Pij為優(yōu)化協(xié)議棧j 層的第i 個參數(shù)；Pιm為優(yōu)化協(xié)議棧ι 層的第m 個參數(shù)。

在無線網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點通過跨層優(yōu)化以最小的開銷（如消耗功率最小）提供更優(yōu)的服務(wù)性能（吞吐量最大化，時延較小，數(shù)據(jù)傳輸速率較快，丟包率較小以及減小網(wǎng)絡(luò)擁塞）。當然，將所有層統(tǒng)一考慮進行優(yōu)化設(shè)計，從博弈分析的角度，模型過于復雜，研究局限于將某兩層進行統(tǒng)一優(yōu)化考慮，從而進行博弈建模。

2.2 實現(xiàn)策略

（1）集中式。跨層優(yōu)化作為一個集中的單元，從網(wǎng)絡(luò)層收集所有相關(guān)的參數(shù)，執(zhí)行優(yōu)化，然后將選擇的參數(shù)值分配給相應(yīng)的各層。由于一些原因，集中式方式實現(xiàn)起來通常成本較高，并且效率低。首先，從分散的各地收集網(wǎng)絡(luò)參數(shù)耗時，而且延緩優(yōu)化過程。其次，層參數(shù)以不同的速率變化（物理層的變化量級是毫秒，而應(yīng)用層變化的量級是秒），因此在最差情況優(yōu)化所有的參數(shù)效率可能會相當?shù)汀５谌瑫r給大量參數(shù)計算目標函數(shù)也許成本太高。

（2）分布式。跨層優(yōu)化由一組分布在網(wǎng)絡(luò)各層（垂直分布）或節(jié)點（水平分布）中的組件構(gòu)成。每個組件執(zhí)行一個針對全局優(yōu)化問題參數(shù)子集的本地優(yōu)化，并和其他組件相互合作，以實現(xiàn)全局網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目標。垂直上分布的實現(xiàn)有一個分層結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中跨層優(yōu)化放置在不同層上的組件以不同的速率操作，并且使用較低層能力和上層需求的抽象表示來優(yōu)化本地參數(shù)。因此，一個垂直上分布的跨層優(yōu)化實現(xiàn)和一個分層架構(gòu)相似。

2.3 可能弊端

和純分層架構(gòu)相比，跨層優(yōu)化雖然提高了網(wǎng)絡(luò)的性能和適應(yīng)性，但也有可能引入額外的實現(xiàn)成本。

（1）計算成本。跨層優(yōu)化需較高的計算能力來確定一系列參數(shù)的值；評估一個復雜的目標函數(shù)時也需要較高的計算能力，并可能引入相對較大的處理延時。參數(shù)抽象有助于降低復雜性，但卻有可能降低生成配置的最優(yōu)性。另一個降低計算成本的方法是使優(yōu)化器成為一組同時運行但可能在不同資源上執(zhí)行的組件。

（2）通信成本。跨層優(yōu)化使用在分布式網(wǎng)絡(luò)位置上可用的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。收集這些參數(shù)會導致較大的帶寬額外開銷。

（3）重配置和管理成本。分層架構(gòu)由一組協(xié)議層構(gòu)成，每層單獨定義，并且通過良好定義的接口可以和其他層區(qū)分開。跨層架構(gòu)模塊化相對較差，因此當有變化時更難管理和重配置。這種類型的成本不太容易量化，然而，它可以通過定義傳統(tǒng)層和跨層優(yōu)化器之間的接口的方式來加以限制。

3 信源信道聯(lián)合編解碼技術(shù)

通信的根本目的是將消息有效而可靠地從信源傳到信宿。長期以來，在香農(nóng)的信源信道分離理論的指導下，信源編碼理論和信道編碼理論都取得可喜成果。但是當前的分離理論僅適用點對點通信系統(tǒng)，并假定系統(tǒng)可容忍無限長的傳輸時延和預(yù)先掌握信道統(tǒng)計特性。當前，圖像和視頻實時業(yè)務(wù)，無線和IP 網(wǎng)絡(luò)信道的時變性，原分離的信源信道理論已經(jīng)無法滿足實際的通信需求，使得建立在香農(nóng)的全局率失真理論之上的信源-信道聯(lián)合編碼理論應(yīng)運而生。如圖1所示。

圖1 信源信道聯(lián)合編碼邏輯圖

3.1 基本原理

d*（r）=（M-r）（N-R），0≦r ≦min（M，N）

當引入信源編碼后，端對端的誤差（失真）將由信源編碼、信道傳輸誤碼共同決定。因此，考慮信源編碼的影響，端對端的失真最小時，存在另外一個最佳折衷，即

d*（r）=（M-r）（N-r）

由此可見，考慮到聯(lián)合編碼問題時，MIMO 系統(tǒng)需要重新優(yōu)化以提升端對端的傳輸質(zhì)量。

3.2 實現(xiàn)策略

信源信道聯(lián)合編解碼方法是有效協(xié)調(diào)信源的速率波動和信道條件變化的方法，可大幅提高端對端的傳輸質(zhì)量[3]。聯(lián)合信源信道編碼方法大體可以分為：根據(jù)信源調(diào)整信道，例如不等差錯保護及分層編碼；根據(jù)信道調(diào)整信源編碼，例如信源的自適應(yīng)碼率調(diào)整方法及誤碼隱藏方法，信源信道聯(lián)合解碼，例如信道信息輔助的信源解碼及信源信道迭代解碼方法。

分層編碼是基于信源優(yōu)化信道設(shè)計編碼，它把信源編碼分成了包含圖像中粗糙的但對于識別重要的信息，即最重要部分和包含提高圖像質(zhì)量要求的更精細的信息的次重要部分。

采用LDPC 碼的聯(lián)合譯碼，這是一種融合隱馬爾科夫信源估計和低密度奇偶校驗（LDPC）編碼的聯(lián)合編碼方式。

Turbo 碼又稱并行級聯(lián)卷積碼，是信道糾錯碼的一種，實現(xiàn)卷積碼和隨機交織器的結(jié)合，達到可隨機編碼的效果。同時采用軟輸出迭代譯碼來逼近最大似然譯碼。

多描述編碼，信源端產(chǎn)生若干獨立碼流且每一碼流即為信源一種描述；信宿端可通過不同信道接收到一個或多個描述，中央解碼器根據(jù)描述的多少給出恢復信源的精細程度。

3.3 可能弊端

對于資源受限的無線局域網(wǎng)，應(yīng)用信源信道聯(lián)合編解碼技術(shù)如果不注意限制數(shù)據(jù)傳輸時的速率和帶寬、系統(tǒng)復雜度、功率和延時，極有可能造成層網(wǎng)絡(luò)資源的“阻塞”。

多用戶共享信道的通信系統(tǒng)，實現(xiàn)信道容量的利用最大化。如蜂窩移動通信系統(tǒng)。由于多個用戶是通過統(tǒng)計時分或者碼分等復用方式共享信道，這樣便造成一個用戶的信源信息，可能是另一個用戶的信道噪聲的問題（不適用于多源接入信道）。

異質(zhì)信源、異類信道或異種用戶共存通信系統(tǒng)，異質(zhì)信源指多媒體通信中，對于信道誤碼和傳輸延時要求不同的數(shù)據(jù)。異類信道指同一通信網(wǎng)下，包括信道的速率、誤碼率、時延或時延抖動在內(nèi)的信道質(zhì)量相差很大的信道。異種用戶指同一通信系統(tǒng)中，服務(wù)質(zhì)量要求不用的用戶。

時變通信系統(tǒng)，由于時變系統(tǒng)的信源和信道的先驗概率分布不可能準確獲得，這樣便不可能實現(xiàn)在分離方式下的系統(tǒng)最優(yōu)。

4 結(jié)束語

超高速無線局域網(wǎng)具有靈活性和移動性、安裝便捷、易于進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和調(diào)整、故障定位容易和易于擴展等優(yōu)點。構(gòu)建服務(wù)于新一代新聞采集系統(tǒng)的超高速無線局域網(wǎng)，應(yīng)重點解決多媒體傳輸跨層優(yōu)化和信源信道聯(lián)合編解碼兩項技術(shù)。其中，多媒體傳輸跨層優(yōu)化技術(shù)可在帶寬、信道條件限制下，大幅提高系統(tǒng)傳輸多媒體數(shù)據(jù)的質(zhì)量；信源信道聯(lián)合編碼可在使系統(tǒng)在整體性能上達到最優(yōu)。