Third generation communication system must accommodate wireless video service. The capacity of a code division multiple access (CDMA) system is limited by the total interference power received at each base station. Therefore, it is desirable to minimize the power consumption and at the same time to maximize the quality of service (QoS) level of wireless video service. Because the importance of the information contained in each video packet differs, it may be advantageous to adjust the target bit error rate (BER) of the video packet. In addition, optimum mode selecition is one of the most important optimization tasks in the research of video codec. In this dissertation, therefore, we focus on efficient power management schemes based on target BER control and mode selection for wireless video service in CDMA systems. For video quality rating, a suitable metric is introduced: the average peak signal to noise ratio (PSNR) or the average channel-induced PSNR degradation.
First, we propose efficient power management schemes based on target BER control for an image sequence in CDMA systems. To evaluate the importance of each video packet, we consider the distortion induced by the loss of the video packet. We optimize the target BERs for video packets in such a way that the average transmitted power be minimized under the constraint of maximum distortion. Based on the derived target BERs, we propose an optimum power management scheme for video transmission. A modified scheme is also presented to avoid additional signaling and to reduce hardware complexity.
Second, an optimum target BER control scheme is proposed for INTRA refreshed single image sequence in CDMA systems. The end-to-end distortion of H.263 video data is first modeled when the error concealment schemes are employed. This distortion model takes into account the error propagation effects caused by the motion compensation. Then, based on the model, the target BERs of the image frames are optimized in such a way that the consumed power could be minimized under the constraint of maximum distortion. To satisfy the specified target BER requirement, an optimum power management scheme is proposed.
Third, a target BER control scheme is proposed for multiple image sequences. When conventional fixed-BER schemes are applied, the images with higher motion experience larger quality degradation than those with lower motion. However, this results in the resource waste when average PSNR or the average channel-induced PSNR degradation is given as a QoS criterion. To overcome this problem, based on end-to-end distortion model, we derive the target BERs which equalizes the PSNRs of the multiple image sequences. We show that the proposed scheme utilize the wireless resource more efficiently than the conventional schemes.
Finally, an optimum mode selection scheme is proposed for efficient power consumption in wireless CDMA video communications systems. We show that the proposed optimization problem can be represented as the conventional rate-distortion optimized mode selection problem of which Lagrangian multiplier depends on the channel conditions. In the proposed scheme, as the link gain of a user increases and/or as the interference experienced by the user decreases, the optimum mode for the user tends to be intra-mode rather than inter-mode, and vice versa. Numerical results show that, in CDMA systems, the proposed scheme consumes much less power with the same image quality compared to the conventional schemes.
이 논문에서는 동영상 서비스를 제공하는 부호분할 다중접속 시스템에서 목표 비트 에러율 조정과 영상 부호화 모드의 선택에 기반한 효율적인 전력관리에 대하여 연구하였다.
첫째, 한 개의 동영상에 대하여 목표 비트 에러율 조정에 근거한 최적의 전력관리 방식을 제안하였다. 각 영상 패킷의 중요도 판단 기준으로는 그 패킷이 손실되었을 때 발생하는 왜곡 값을 사용하였다. 우선, 최대 왜곡의 제한이 주어진 경우, 평균 송신 전력을 최소화하는 각 영상 패킷의 최적 목표 비트 에러율을 구한다. 이 목표 에러율을 기반으로 최적의 전력 관리 방식을 제안한다. 이 방식을 사용하면, 더 중요한 패킷에는 더 많은 전력이 할당되고, 덜 중요한 적은 전력이 할당되어, 매우 효율적으로 전력을 소모할 수 있다. 제안된 방식에서 발생하는 추가의 시그널링과 하드웨어의 복잡도 증가를 피하기 위하여 변형된 전력 관리 방식도 제안된다.
둘째, 채널 에러에 대응하기 위하여, 주기적으로 INTRA 프레임을 삽입하는 비디오에 대하여 최적의 전력관리 방식을 제안한다. 먼저, 에러 은폐까지를 고려하여, H.263 영상 데이터의 왜곡을 종단점 대 종단점 관점에서 모델링 한다. 이 모델은 움직임 보상에 의해서 발생하는 시간 축에서의 에러전파 효과를 포함한다. 각 영상 프레임에 대한 최적의 목표 비트 에러율을 구하고, 이 에러율을 만족하기 위한 전력 관리방식을 제안한다. 이 방식을 사용하면, INTRA프레임 직후의 프레임의 목표 비트 에러율은 낮아지고, INTRA 프레임으로부터 멀어질수록 목표 비트 에러율이 높아진다. 실험 결과, 제안된 방식은 기존 방식과 비교하여 동일한 화질을 보장하기 위하여 훨씬 적은 전력을 소모함을 확인할 수 있었다.
셋째, 여러 영상이 동시에 전송되는 경우, 효율적인 전력관리 방식을 제안한다. 기존의 방식처럼, 목표 비트 에러율이 고정된 통신 시스템으로 영상을 전송하면, 움직임이 큰 영상은 화질 저하가 더 심하고, 움직임이 작은 영상은 화질 저하가 덜 하다.
채널에서 허용 가능한 화질 저하 폭이 통신 품질로 주어진 경우, 이러한 기존의 방식은 주어진 무선 채널을 효율적으로 사용하지 못한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 여러 영상의 평균 PSNR이 같아지도록 목표 비트 에러율을 조정하는 방식을 제안한다. 이 방식을 사용하면, 기존의 방식에 비하여 무선 자원을 매우 효율적으로 사용할 수 있다.
마지막으로, 효율적인 전력 소모를 위한 최적의 영상 부호화 모드 선택기법을 제안한다. 기존의 방식과는 달리, 제안된 방식에서는 시간에 따라 변하는 채널의 상황을 고려한다. 제안된 최적화 문제는, 기존의 모드 최적화 문제와 형태는 같지만, Lagrangian 곱셈자가 채널의 함수로 주어지게 됨을 보였다. 또한, 제안된 방식에서는, 어떤 사용자의 채널 상황이 좋아지거나, 그 사용자가 겪는 간섭의 양이 적어지면, 그 사용자의 최적화된 영상 모드는 INTER모드보다는 INTRA모드가 될 가능성이 높아짐을 보였다. 실험 결과, 제안된 영상 부호화 모드 선택 방식은 기존의 방식에 비하여 전력을 매우 효율적으로 사용함을 확인할 수 있다.