CC BY
14
УДК 004.772
Е. Б. Квиткова, Е. И. Маркова
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМ БЕСПРОВОДНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ВИДЕОДАННЫХ
Современные алгоритмы видеокодирования отличаются производительностью источника. Следовательно, основная задача состоит в поиске компромисса между производительностью источника и пропускной способностью канала. В статье предлагается использовать системы беспроводного широкополосного доступа для передачи видеоданных.
Основная задача теории связи состоит в поиске методов передачи и приема, обеспечивающих получение требуемой верности принятого сообщения, повышение скорости передачи данных и понижение стоимости системы. В зависимости от конкретных условий постановка этой задачи, так же, как и ее решение, бывает разной. Например, перед инженерами, проектирующими системы передачи информации и разрабатывающими соответствующую аппаратуру, может стоять задача обеспечения максимальной верности принятого сообщения при заданной скорости передачи и мощности сигнала [1]. Целью данной статьи является анализ технических возможностей для передачи видеосигнала по радиоканалу на современном этапе.
Рассматриваемая система связи будет включать в себя канал связи вместе с источником сообщения и его получателем при заданных методах преобразования сообщения в сигнал и восстановления сообщения по принятому сигналу. Единственной характеристикой источника информации, которая нас будет интересовать, является понятие производительности источника, определенное в работе [1]. Производительность наиболее часто используемых источников представлена в таблице 1.
Таблица 1 - Производительность видеоисточника без сжатия, Мбит/с
Разрешение Частота кадров, кадр/с
кадра, 30 24 25
пикселей (24 цветовых бита) (32 цветовых бита) (32 цветовых бита)
1280x1024 900 960 1000
1280x720 633 675 703
720x576 285 304 316
640x480 211 225 234
352x576 139 148,5 155
352x288 69,6 74 77
352x240 58 62 64
320x240 53 56 58,6
176x144 17,4 18,6 19,3
160x120 13 14 14,6
Таблица 2 - Производительность видеоисточника после кодирования, Мбит/с
Разрешение кадра, Производительность Коэффициент сжатия
Название кодека пикселей, х частота кадров, кадр/с источника, Мбит/с
MPEG-1 352x240x30 1,5 38,67
352x288x25 51,33
Н.261 352x288x30 34,8- 1740
0,04 - 2
176x144x30 8,7-435
MPEG-2 Универсальный 3-15 Нет данных
MPEG-3 Телевидение высокой четкости 20-40 Нет данных
Не принят MPEG-4
Универсальный 0,0048-20 Нет данных
84 ИЗВЕСТИЯ Транссиб!^— N;n1'5)
На современном уровне развития техники обеспечить передачу такого потока информации проблематично, поэтому применяют различные алгоритмы сжатия (кодирования). В таблице 2 представлены значения производительности кодеков и коэффициента сжатия видеоданных [2].
Сравнение кодеков по соответствующей им производительности источника было проведено лабораторией компьютерной графики и мультимедиа МГУ в мае 2010 г. Объект исследования в терминах теории информации называется производительностью источника [1]. Результаты сравнения представлены в процентном соотношении в таблице 3, где за основу взята производительность источника, соответствующая кодеку Х\пО. В таблице 3 степень сжатия для каждого из кодеков представляет собой отношение его производительности к фиксированному усредненному значению для ХтВ. Таким образом, меньшая степень сжатия соответствует меньшей производительности кодека.
Таблица 3 - Производительность разных кодеков относительно XviD
Название кодека Степень сжатия, %
х264 60
MainConcept AVC/H.264 Video Encoder Console Application 72
DivX AVC/H.264 Video Encoder 75
Intel® MediaSDK AVC/H.264 transcoder sample appication 84
Elecard AVC Video Encoder 8-bit edition 86
XviD raw mpeg4 bitstream encoder 100
Theora encoder 122
Следует отметить, что реализованный по стандарту МРЕО-4 кодек XVЮ имеет различные профили работы, определяемые параметрами видео. Степень сжатия для каждого профиля и соответствующие значения производительности видеоисточника приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Профили и производительность кодека XviD
Название профиля Разрешение кадра, пикселей, х частота кадров, кадр/с Производительность без сжатия, Мбит/с Производительность после сжатия, Мбит/с Коэффицие нт сжатия
ОД 176x144x15 11,602 0,060 193,37
Простой 2 352x288x15 46,406 0,125 371,25
3 352x288x15 46,406 0,375 123,75
ОД 176x144x30 23,203 0,125 185,6
Расширенный простой 2 3 4 352x288x15 352x288x30 352x576x30 46,406 92,813 185,625 0,375 0,750 2,930 123,75 123,75 63,35
5 720x576x30 379,688 7,813 48,6
Карманный 176x144x15 11,602 0,525 22,1
Портативный NTSC 352x240x30 77,344 4,740 16,34
Портативный PAL 352x288x25 77,344 4,740 16,32
DivX Домашний кинотеатр NTSC 720x480x30 316,406 4,740 66,75
Домашний кинотеатр PAL 720x576x25 316,406 4,740 66,75
HDTV 1280x720x30 843,750 9,481 89,00
Помимо источника сообщения нас интересует еще и канал связи, основным показателем которого является пропускная способность. Так как источник видеоданных является
дискретным источником сообщения, то в соответствии с теоремой кодирования Шеннона сообщения всякого дискретного источника могут быть закодированы сигналами на входе канала и восстановлены по сигналам на выходе канала с вероятностью ошибки, сколь угодно близкой к нулю, если производительность источника не превышает пропускной способности канала [1]. Таким образом, возникает проблема соотнесения пропускной способности канала и производительности источника, т. е. задача сводится к выбору канала связи, по которому будет передаваться видеосигнал.
Передать видеосигнал можно с использованием технологии беспроводного широкополосного доступа на основе WiMax (стандарт IEEE 802.16). На физическом уровне стандарт предусматривает три различных метода передачи данных - метод модуляции одной несущей, методы модуляции OFDM с 256 несущими и OFDMA с 2048 несущими.
В таблице 5 представлены характерные значения пропускной способности канала в режиме модуляции одной несущей в зависимости от ширины канала и вида модуляции.
Таблица 5 - Пропускная способность в режиме модуляции одной несущей, Мбит/с
Ширина канала, МГц Пропускная способность, Мбит/с
QPSK 16QAM 64QAM
20 32 64 96
25 40 80 120
28 44,8 89,6 134,4
Соответствующие различным видам модуляции значения пропускной способности канала в режиме модуляции OFDM приведены в таблице 6, где Tg - длительность защитного интервала передаваемого символа в долях от длительности его полезной части.
Таблица 6 - Пропускная способность в режиме OFDM, Мбит/с
Скорость кодирования 1/2 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 3/4
Ширина канала, МГц Т BPSK QPSK 16-QAM 64-QAM
1/32 2,50 5,00 7,51 10,01 15,01 20,01 22,52
6 МГц (MMDS) 1/16 1/8 2,43 2,29 4,86 4,59 7,28 6,88 9,71 9,17 14,57 13,76 19,43 18,35 21,85 20,64
1/4 2,06 4,13 6,19 8,26 12,38 16,51 18,58
1/32 2,92 5,82 8,73 11,64 17,45 23,27 26,18
7 МГц (ETSI) 1/16 2,82 5,65 8,47 11,29 16,94 22,59 25,41
1/8 2,67 5,33 8,00 10,67 16,00 21,33 24,00
1/4 2,40 4,80 7,20 9,60 14,40 19,20 21,60
1/16 8,13 16,26 24,40 32,53 48,79 65,05 73,19
20 МГц (U-NII) 1/8 7,68 15,36 23,04 30,72 46,08 61,44 69,12
1/4 6,91 13,82 20,74 27,65 41,47 55,30 62,21
Характерные значения пропускной способности канала в зависимости от ширины канала и вида модуляции в режиме OFDMA представлены в таблице 7, где Fg - длительность защитного интервала передаваемого символа в долях от длительности его полезной части.
Рассматриваемый стандарт 802.16 поддерживает следующие виды модуляции: BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Двоичная фазовая манипуляция BPSK (.Binary Phase Shift Keying) -самый простой вид фазовой манипуляции, при которой каждый символ несет только 1 бит информации, что обусловливает наименьшую скорость передачи данных. При квадратурной фазовой манипуляции QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) на символ приходится уже два бита информации, в связи с чем возрастает скорость передачи данных. Квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation) позволяет передавать 4 бита ин-
86 ИЗВЕСТИЯ Транссиб!^— N;n1'5)
формации при 16-уровневой и 6 бит при 64-уровневой модуляции, что обеспечивает высокую скорость потока данных.
Таблица 7 - Пропускная способность в режиме ОРОМА, Мбит/с
Скорость кодирования 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 3/4
Ширина канала, МГц т QPSK 16-QAM 64-QAM
1/32 4,99 7,48 9,97 14,96 19,95 22,44
1/16 4,84 7,26 9,68 14,52 19,36 21,78
6 МГц (MMDS)
1/8 4,57 6,86 9,14 13,71 18,29 20,57
1/4 4,11 6,17 8,23 12,34 16,46 18,51
1/32 5,82 8,73 11,64 17,45 23,27 26,18
1/16 5,65 8,47 11,29 16,94 22,59 25,41
7 МГц (ETSI)
1/8 5,33 8,00 10,67 16,00 21,33 24,00
1/4 4,80 7,20 9,60 14,40 19,20 21,60
Следует отметить, что в силу определенных причин не все рассмотренные схемы модуляции следует применять для передачи видеоданных. Схема BPSK не обеспечивает требуемого значения скорости передачи данных ввиду малого значения пропускной способности и используется в основном для модуляции пилотных несущих. В свою очередь QPSK при определенной полосе канала обеспечивает заявленную скорость передачи данных и может быть использована для передачи видеоданных с производительностью источника, не превышающей в соответствии с теоремой кодирования пропускной способности при данной схеме модуляции на основе рассматриваемого стандарта. Кроме того, используемое при квадратурной фазовой манипуляции сигнальное созвездие содержит лишь четыре точки, расположенные в разных квадрантах, и, следовательно, принадлежащих одному из четырех квадрантов синфазным и квадратурным амплитудам принятого сигнала будет соответствовать только одна точка рабочего поля констелляционной диаграммы. В свою очередь £Х4М-модуляция характеризуется повышенной скоростью передачи данных и позволяет обеспечить требуемое значение скорости передачи данных, однако большое число уровней амплитуды сигнала на констелляционной диаграмме увеличивает вероятность неразличимости двух уровней, расположенных близко друг к другу и, как следствие, повышает чувствительность системы к шуму. Для высокоуровневой £Х4М-модуляции характерны ошибки демодуляции, что выражается в повышенном требовании к параметру SNR {Signal to Noise Ratio - отношение «сигнал/шум»).
Таким образом, так как нижняя граница заявленной пропускной способности составляет 9,5 Мбит/с, то для передачи данных может быть рекомендован OFDM-режим с характерной шириной канала 20 МГц и модуляцией QPSK, обеспечивающей необходимую скорость передачи данных.
Список литературы
1. Финк, J1. М. Теория передачи дискретных сообщений [Текст] / J1. М. Финк. - М.: Советское радио, 1970. - 728 с.
2. Методы сжатия данных. Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео: [Текст] / Д. Ватолин, А. Ратушняк и др. - М.: Диалог-мифи, 2003. - 384 с.
