服务于新一代新闻采集系统的超高速无线局域网组建重难点技术探析

朱 江，王 华，杨 春

（苍穹数码技术股份有限公司，北京 101102）

1 引言

为了将记者采集到的新闻影像、声音及文字信息及时上传新闻中心，需要在到达现场后迅速建立起记者到新闻汇集转发点（如卫星转播车、卫星小型地面站等）的通信链路，实现新闻的采集报道。电缆连接、微波等方法都存在架设困难的因素，专门的无线电台则不仅调试困难，而且适应的业务种类少，与其他通信设备连接的接口单一。利用超高速无线局域网（UHT）则不仅链路建立迅速，而且多种业务容易统一到一个共同的网络协议中，设备间连接方便。超高速无线局域网具有灵活性和移动性强、安装便捷、易于进行网络规划和调整、故障定位容易、传输速度快且易于扩展的优点，将其技术应用于新一代新闻采集系统中，毫无疑问可以极大地提高新闻采集效率和传播能力。

2 多媒体传输跨层优化技术

传统的网络通信协议架构遵循严格的分层原则，虽然有效确保了互操作、快速部署以及高效实现等特性，但是层间信息无法进行交互利用，造成在信道条件好的情况下无线资源的浪费，网络性能也不能达到整体最优[1]。超高速无线局域网的全网吞吐数据率是决定系统性能的最重要参数。如果系统可以根据网络状况对无线网络资源进行自适应地配置，则能大幅提升全网吞吐数据率，这就要求系统采用跨层设计方法。近年来，跨层协作设计已经广泛应用于蜂窝通信、WLAN、Ad Hoc 网络及认知无线电网络。为适应无线视频新闻采集系统中，视频传输对距离、功率和抗干扰性要求，应重点针对视频压缩编解码技术，研究无线视频跨层联合编解码方法，在带宽、信道条件限制下，提高系统传输视频的质量。

2.1 基本原理

无线网络跨层设计是为了获得较高的网络性能（如高吞吐量、低延迟等），在全面综合考虑协议栈各层次之间的相互关系并保留原有分层协议栈结构的基础上，打破严格的层与层之间的通信限制，允许协议栈各个层次、各个模块间“直接”交互信息，为网络运行提供必要保障。

基于博弈论优化的跨层建模可以用一个三元组G={P，A{ui}}来定义[2]。式中，P 为博弈的参与者，分别代表协议的不同层（物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层）；A 是博弈的策略集合，如物理层调整不同功率发射参数、数据链路层调整链路状况等；ui为参与者i 的效用函数，如传输层通过调整拥塞窗口大小，可以获得更高的数据传输速率。该博弈模型最终可以表示为：

P=[P1，P2，P3，P4，P5]

式中，P1为物理层；P2为数据链路层；P3为网络层；P4为传输层；P5为应用层。

在具体的博弈跨层优化中，如果相应的层没有参与跨层优化，由对应的参与者集合P 表示为空。

效用函数方程表示为：

Ui=fi（P），i=1，2，...，I

根据逼近程度或易于处理的系统，通过求线性函数、一阶导数或，分析计算效用函数fi（P）。式中，Pij为优化协议栈j 层的第i 个参数；Pιm为优化协议栈ι 层的第m 个参数。

在无线网络中，节点通过跨层优化以最小的开销（如消耗功率最小）提供更优的服务性能（吞吐量最大化，时延较小，数据传输速率较快，丢包率较小以及减小网络拥塞）。当然，将所有层统一考虑进行优化设计，从博弈分析的角度，模型过于复杂，研究局限于将某两层进行统一优化考虑，从而进行博弈建模。

2.2 实现策略

（1）集中式。跨层优化作为一个集中的单元，从网络层收集所有相关的参数，执行优化，然后将选择的参数值分配给相应的各层。由于一些原因，集中式方式实现起来通常成本较高，并且效率低。首先，从分散的各地收集网络参数耗时，而且延缓优化过程。其次，层参数以不同的速率变化（物理层的变化量级是毫秒，而应用层变化的量级是秒），因此在最差情况优化所有的参数效率可能会相当低。第三，同时给大量参数计算目标函数也许成本太高。

（2）分布式。跨层优化由一组分布在网络各层（垂直分布）或节点（水平分布）中的组件构成。每个组件执行一个针对全局优化问题参数子集的本地优化，并和其他组件相互合作，以实现全局网络优化的目标。垂直上分布的实现有一个分层结构，在该结构中跨层优化放置在不同层上的组件以不同的速率操作，并且使用较低层能力和上层需求的抽象表示来优化本地参数。因此，一个垂直上分布的跨层优化实现和一个分层架构相似。

2.3 可能弊端

和纯分层架构相比，跨层优化虽然提高了网络的性能和适应性，但也有可能引入额外的实现成本。

（1）计算成本。跨层优化需较高的计算能力来确定一系列参数的值；评估一个复杂的目标函数时也需要较高的计算能力，并可能引入相对较大的处理延时。参数抽象有助于降低复杂性，但却有可能降低生成配置的最优性。另一个降低计算成本的方法是使优化器成为一组同时运行但可能在不同资源上执行的组件。

（2）通信成本。跨层优化使用在分布式网络位置上可用的网络参数。收集这些参数会导致较大的带宽额外开销。

（3）重配置和管理成本。分层架构由一组协议层构成，每层单独定义，并且通过良好定义的接口可以和其他层区分开。跨层架构模块化相对较差，因此当有变化时更难管理和重配置。这种类型的成本不太容易量化，然而，它可以通过定义传统层和跨层优化器之间的接口的方式来加以限制。

3 信源信道联合编解码技术

通信的根本目的是将消息有效而可靠地从信源传到信宿。长期以来，在香农的信源信道分离理论的指导下，信源编码理论和信道编码理论都取得可喜成果。但是当前的分离理论仅适用点对点通信系统，并假定系统可容忍无限长的传输时延和预先掌握信道统计特性。当前，图像和视频实时业务，无线和IP 网络信道的时变性，原分离的信源信道理论已经无法满足实际的通信需求，使得建立在香农的全局率失真理论之上的信源-信道联合编码理论应运而生。如图1所示。

图1 信源信道联合编码逻辑图

3.1 基本原理

d*（r）=（M-r）（N-R），0≦r ≦min（M，N）

当引入信源编码后，端对端的误差（失真）将由信源编码、信道传输误码共同决定。因此，考虑信源编码的影响，端对端的失真最小时，存在另外一个最佳折衷，即

d*（r）=（M-r）（N-r）

由此可见，考虑到联合编码问题时，MIMO 系统需要重新优化以提升端对端的传输质量。

3.2 实现策略

信源信道联合编解码方法是有效协调信源的速率波动和信道条件变化的方法，可大幅提高端对端的传输质量[3]。联合信源信道编码方法大体可以分为：根据信源调整信道，例如不等差错保护及分层编码；根据信道调整信源编码，例如信源的自适应码率调整方法及误码隐藏方法，信源信道联合解码，例如信道信息辅助的信源解码及信源信道迭代解码方法。

分层编码是基于信源优化信道设计编码，它把信源编码分成了包含图像中粗糙的但对于识别重要的信息，即最重要部分和包含提高图像质量要求的更精细的信息的次重要部分。

采用LDPC 码的联合译码，这是一种融合隐马尔科夫信源估计和低密度奇偶校验（LDPC）编码的联合编码方式。

Turbo 码又称并行级联卷积码，是信道纠错码的一种，实现卷积码和随机交织器的结合，达到可随机编码的效果。同时采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码。

多描述编码，信源端产生若干独立码流且每一码流即为信源一种描述；信宿端可通过不同信道接收到一个或多个描述，中央解码器根据描述的多少给出恢复信源的精细程度。

3.3 可能弊端

对于资源受限的无线局域网，应用信源信道联合编解码技术如果不注意限制数据传输时的速率和带宽、系统复杂度、功率和延时，极有可能造成层网络资源的“阻塞”。

多用户共享信道的通信系统，实现信道容量的利用最大化。如蜂窝移动通信系统。由于多个用户是通过统计时分或者码分等复用方式共享信道，这样便造成一个用户的信源信息，可能是另一个用户的信道噪声的问题（不适用于多源接入信道）。

异质信源、异类信道或异种用户共存通信系统，异质信源指多媒体通信中，对于信道误码和传输延时要求不同的数据。异类信道指同一通信网下，包括信道的速率、误码率、时延或时延抖动在内的信道质量相差很大的信道。异种用户指同一通信系统中，服务质量要求不用的用户。

时变通信系统，由于时变系统的信源和信道的先验概率分布不可能准确获得，这样便不可能实现在分离方式下的系统最优。

4 结束语

超高速无线局域网具有灵活性和移动性、安装便捷、易于进行网络规划和调整、故障定位容易和易于扩展等优点。构建服务于新一代新闻采集系统的超高速无线局域网，应重点解决多媒体传输跨层优化和信源信道联合编解码两项技术。其中，多媒体传输跨层优化技术可在带宽、信道条件限制下，大幅提高系统传输多媒体数据的质量；信源信道联合编码可在使系统在整体性能上达到最优。