（信号与信息处理专业论文）多模式无线视频传输系统中网络传输技术的改进.pdf

南京邮电大学硕一t 7 研究生学位论文摘要 摘要 基于i p 的无线多媒体通信是未来计算机网络技术、移动通信技术和多媒体信息技术的 发展方向，同时也是当前的研究热点。 本文首先简单回顾了无线视频通信技术的发展，分析了在无线i p 视频传输中的各种关 键技术，然后以课题组研制的无线数字视频传输原型系统为基础，重点研究了该系统网络 传输技术的改进，针对w l a n 网卡驱动的局限性进行了射频驱动扩展，针对c d m a 网络 引入有效的分段重传技术，并做了基于相关子系统的分布式管理和视频点播功能扩展，最 后通过实验进行了相关性能测试和分析。 在w l a n 视频传输子系统中，本文参照l i n u x 下的网卡驱动开源代码，重新改写了 w l a n 网卡驱动程序，增强了它对多种m a c 芯片和射频芯片的支持，提高了兼容性。在 c d m a 视频传输子系统中，本文引入基于分段自动请求重传的差错控制技术，通过在视频 转发服务器上的分段重传处理，使得重传总时延明显减少，系统性能得以提高。为了适应 系统容量扩充的要求，在w l a n 子系统基础上，研究实现了一种具有分布式管理功能的 视频传输服务扩展系统。此外，在c d m a 视频传输子系统中，实现了基于视频转发服务 器的网络存储，扩展了在线视频点播功能。 论文最后对所做的工作进行了总结，并提出未来进一步的工作方向。 关键词：无线视频传输、网络传输、差错控制、分布式视频服务器、视频点播 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nb a s e do ni pn e t w o r ki st h ed e v e l o p m e n tt r e n df o r c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y , m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e a tt h eb e g i n n i n g ，t h et h e s i s s i m p l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sv i d e o t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n da n a l y z e ss o m ek e yt e c h n i q u e sf o rw i r e l e s st r a n s m i s s i o nb a s e do ni p n e t w o r k a n dt h e n ，o nt h eb a s i so fap r o t o t y p ew i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e ms u p p l i e db y o u rp r o j e c tg r o u p ，i tf o c u s e so nf u r t h e ri m p r o v e m e n to ft h en e t w o r kt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e so f t h es y s t e m ，i n c l u d i n g ：e n h a n c e m e n to ft h er fd r i v e rt oe l i m i n a t et h e l i m i t a t i o no fw l a n w i r e l e s sc a r d ；p i e c e w i s er e t r a n s m i s s i o nt oi m p r o v er e t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yi nc d m a m o d e ； i m p l e m e n t a t i o no fd i s t r i b u t e dm a n a g e m e n ti nw l a nm o d ea n da d d i n gv i d e o o n d e m a n d f u n c t i o n a l i t yi nc d m am o d e a tl a s t , r e l e v a n tp e r f o r m a n c et e s t i n ga n da n a l y s i sa r ec a r r i e do u ti n t h ee x p e r i m e n t s i nw l a nv i d e ot r a n s m i s s i o ns u b s y s t e m ，r e f e r r i n gt ot h eo p e ns o u r c ec o d eo fw i r e l e s sc a r d s i nl i n u x ，t h en e wv e r s i o no fw l a nc a r dd r i v e rt os u p p o r tv a r i o u sm o d e l so fm a ca n dr fc h i p s i sd e s i g n e d ，w h i c hi m p r o v e st h ed r i v e r sc o m p a t i b i l i t yi np s o ss y s t e m i nc d m av i d e o t r a n s m i s s i o ns u b s y s t e m ，t h ee r r o rc o n t r o lt e c h n i q u eo fa r qb a s e do np i e c e w i s er e t r a n s m i s s i o n i si n t r o d u c e d ，w h i c hs i g n i f i c a n t l yr e d u c e st h et o t a lr e t r a n s m i s s i o nd e l a ya n di m p r o v e se f f i c i e n c y o ft h es y s t e m t oe x p a n dt h es y s t e m sc a p a c i t y ，s e r v e r 嘶t hd i s t r i b u t e dm a n a g e m e n tf u n c t i o n s f o rw l a nv i d e ot r a n s m i s s i o ni sd e s i g n e d l a s t l y ，i nc d m av i d e ot r a n s m i s s i o ns u b s y s t e m ，t h e n e t w o r ks t o r a g eb a s e do nv i d e os e r v e ri sr e a l i z e d ，a d d i n gt h en e wv i d e o o n d e m a n df u n c t i o n st o t h es y s t e m t h et h e s i sf i n a l l yg i v e ss u m m a r yo ft h ew o r ka n dp r o p o s a lf o rf u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n k e y w o r d s ：w i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o n ，n e t w o r kt r a n s m i s s i o n ，e r r o rc o n t r o l ，d i s t r i b u t e dv i d e o s e r v e r ，v o d i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：摩，钡日期：知印、6 z 矿 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 态 导师签名：掘日期：三塑孕皇f 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 计算机和通信技术在二十世纪后半叶取得了突飞猛进的发展，在这些领域取得的科学 技术创新给人类的生活和工作带来了巨大的变化。二十一世纪之初，人们又进一步提出了 4 a ( a n y w h e r e , a n y t i m e ，a n y o n e ，a n y d e v i c e ) 理念的信息获取要求，其核心就是要实现零距离 无障碍的信息交流和信息获取。要实现4 a 层次的信息获取，无线通信方式是一种非常重要 的渠道。 另一方面，在人类获取的各种信息中绝大多数( 约7 0 ) 来自视觉。俗话说，“百闻不 如一见 ，人类通过视觉获取的视频信息，其中携带的信息量远大于听觉、触觉等其它方 式，因此视频成为人类最重要的信息载体。所以，基于无线信道( g p r s ，c d m a ，3 g ，w l a n ) 的视频通信技术己经成为目前的热点研究课题之一。 目前的无线视频传输系统基本都是基于某种单一的无线网络接入方式。在现有的几种 无线接入口网络中，无线局域网w l a n 虽然传输速率高但覆盖区域小，而公共移动网络 c d m a 和g p r s 虽然覆盖范围广，但传输速率有限。因此单一网络模式的无线视频传输系 统在应用中受到很大的限制。 针对上述无线视频传输系统存在的问题，南京邮电大学图像处理与图像通信实验室研 制成功一种多模式无线视频传输原型系统，该系统设计成集多种无线通信接口于一体、能 适应各种不同无线网络、并且能在多种无线网络间进行智能切换，通过综合w l a n 网络 的高速传输以及公共移动网络c d m a 和g p r s 等覆盖范围广的优点，提供在不同网络条 件下的最佳视频传输效果。当无线视频终端位于无线局域网范围内时，利用w l a n 无线 接入实现高速视频传输；而当无线终端超出无线局域网范围时，则再用公共无线移动网络 作为补充，以c d m a 或g p r s 方式实现无线接入，提供中低速率的视频传输。 可以说，多模式无线视频传输原型系统的实现，为综合利用多种无线接入网络进行视 频传输提供了参考，但是，从实用的角度来说，尚有许多需要进一步研究改进之处，例如 对多种网络的适应性、更加良好的q o s 保证，以及网络的灵活配置等。基于这样的考虑， 本文将从w l a n 子系统网卡驱动的扩展、c d m a 视频传输子系统的差错控制等多个方面， 探讨提高系统整体性能的有效方法。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 2 论文的内容与安排 本文以多模式无线视频传输原型系统为参考和实验平台，研究其网络传输技术的改进 方法。首先，针对原型系统中w l a n 网卡驱动的局限性，对驱动做了迸步扩展，使之 能适应多种具有同种m a c 芯片和不同r f 芯片的网卡；其次，基于对c d m a 子系统的差 错控制机制的深入分析，提出了高效的分段重传处理技术：最后，分别扩展了基于w l a n 子系统的分布式管理视频服务系统和基于c d m a 子系统的在线视频点播功能。 本文的内容安排如下： 第一章本文的课题研究背景和内容安排。 第二章介绍无线i p 视频传输中的关键技术，以及本系统的q o s 保障策略。分析了有 线和无线网络特点，引入分段连接技术，着重讲述了基于i p 的视频传输q o s 控制技术， 包括拥塞控制和差错控制，结合实际系统提出了改进设想。 第三章具体介绍w l a n 视频传输子系统中网卡驱动相关的软硬件知识，阐述了网卡 驱动改进的思路及具体实现过程和实验分析。 第四章主要分析了c d m a 视频传输子系统中针对丢包的差错控制策略。重点阐述分 段处理的自动请求重传技术，介绍具体实现过程和性能分析方法。 第五章简单介绍基于系统的功能扩展，包括分布式管理和在线视频点播。 第六章总结与展望。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线i p 视频传输中的相关技术 第二章无线i p 视频传输中的相关技术 2 1 传输网络的特点与结构 在实际无线视频传输应用中，涉及到各种各样的网络，总的来说包括有线网络和无线 网络。随着网络技术尤其是无线技术的发展，有线、无线网络将和谐并存，共同承担和不断 提供丰富的互联网服务。不同的网络具有不同的特点和结构，为了使之能够更好地为各种 应用服务，我们必须对网络的特性有足够了解。尤其在无线和有线混合网络条件下，涌现 出越来越多的多媒体传输应用，对于应用开发人员来说，如何能保证这些应用成功进行， 这不仅是机遇，也是一种挑战。本节正是基于网络特性重要性考虑出发，并结合实际应用 系统设计，简要阐述了有线网络和无线网络各自的特点和结构，重点介绍本系统中涉及到 的多种网络。 2 1 1 有线网络及其特点 有线网络是指通过具体的传输线路把分散的计算机连接在一起组成的集合。有线网络 的分类方法很多，其中由参考文献【l 】可知，有线网络根据连接距离的不同可以分为以下几 类： 1 局域网( l o c a la r e an e t w o r k ) ，简称l a n ，是处于同一建筑、同一大学或方圆几公 里远的地域内的专用网络。l a n 具有和其它网络不同的特征：范围、传输技术和拓扑结构。 l a n 的覆盖范围比较小，传输速度比较快，传统的l a n 速度为1 0 m b s - 1 0 0 m b s ，传 输延迟低，并且出错率低。目前，l a n 的速度已经更高，达到每秒千兆比特。 在l a n 的结构组成设计中，只包含物理层和数据链路层，不包含网络层。底层实现 对于上层应用来说是透明的，这也符合t c p i p 网络体系结构的设计规范。 l a n 的拓扑结构主要有星型、总线型、环型、网状等几种，目前应用的主流就是星型 网络。星型网络就是用双绞线以及网物理上呈现为星型结构将计算机互连起来，其中心为 集线器( h u b ) 或智能交换机，用于中继放大和集中检到网络上的碰撞，这种结构促进了 局域网故障检测和碰撞控制效率的提高。在星型网络中，每个站点由点到点链路连接到公 共中心，任意两个站点之间的通信均要通过公共中心，星型网络不允许两个站点直接通信。 宣塞塑皇盔堂堡主婴窒生堂垡坠塞 蔓三皇垂垡! ! 塑麴堡堕主盟塑差堑垄 i e e e 8 0 2 3 ，即通常所说的以太网( e t h e m e t ) ，就是一种基于星型的有线局域网， 它使用集中式控制。速度一般为1 0 m b s ，1 0 0 m b s ，1 0 0 0 m b s 。目前很多校园网、 企业网都是基于以太网。 i e e e 8 0 2 5 ( 令牌环网) 就是常见的基于环形的l a n ，其速度为4 m b s 或1 6 m b s 。 目前这种网络拓扑结构已经很少用了。 2 城域网( m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ) ，简称m a n ，是连接城市、政府机关、厂矿、 教育科研等企事业单位、公司和家庭用户的带宽接入网以及和国外连接的i n t e m e t 接口。 它既是i n t e m e t 在本地的延伸，又是本地的公共信息服务平台，是城市信息港的基础。m a n 主要用于提供城市内的高速互连、信息共享和高速i n t e m e t 访问。 i e e e 8 0 2 6 ，即分布式队列双总线d q d b ( d i s t r i b u t e dq u e u ed u a lb u s ) ，定义了 m a n 的访问方法及物理层规定。 3 广域网( w i d ea r e an e t w o r k ) ，简称w a n ，是一种跨越大的的地域的网络，通常 包含一个国家或洲。广域网由一些节点交换机以及连接这些交换机的链路组成，节点交换 机执行将分组( p a c k e t ) 存储转发的功能，节点之间都是点到点连接。局域网的拓扑结构 有固定的几种方式，而广域网的点对点连接构成的是一种不规则的网状结构，除了解决点 对点通信外，还需要解决路由选择问题。，按照系统模块划分，广域网由端系统( e n ds y s t e m ) 和通信子网( c o m m u n i c a t i o ns u b n e t ) 构成，子网用于在端系统间传递信息。如图2 1 所示， 每台主机往往连接到一个l a n 上，在l a n 上会有一个路由器，但是在有些情况下，这机 也可以直接连接到一个路由器上。通信线路和路由器( 不包含主机) 的集合构成了子网。 2 - 1 广域网结构示意图 许多广域网都使用公共通信网络作为其通信子网，目前常用的公共通信网络有电话交 换网p s t n 、分组交换数据网、帧中继网等，它主要包括两个部分：传输线路和交换节点。 传输线用来在计算机之间传送比特流；交换节点作为数据交换设备，用于连接两条或者多 4 南京邮电大学硕二f ：研究生学位论文第二章无线i p 视频传输中的相关技术 条传输线路。 在广域网中，数据以分组的方式传送。在广域网的交换节点，采用存储转发方式进行 数据转发。即当分组到达交换节点( 交换机) 时，交换机将其放进一个存储队列中，等到 交换机发送数据时，才将它们发送往目的地。这种方式可以使交换机消除到来数据的突发 性。同时，对于有线无线混合网络条件下，交换机的这一特性对于很多实际应用的性能提 高具有参考意义。 4 互联网( i n t e m e t w o r k ) ，也称为i n t e m e t ( 因特网) ，它由特定的、世界范围内的各 个网络以网状结构互连而成，在每个网络中存在着数量不等的主机，网络可以是l a n ，也 可以是w a n 。主机可以是网上的客户机、服务器或者路由器等设备。需要注意的是，子 网是广域网下的概念，它指一组路由器和一些通信线路，并不包含主机。子网和主机合起 来才能构成一个网络。在l a n 的情况下，电缆合主机就构成了网络，并不需要子网。 当多个不同的网络相互联接起来的时候，就构成了一个互联网。路由器就是用来完成 网络连接的，它工作在网络层一级，互联两个或多个独立的相同类型或不同类型的网络。 路由器与交换机最主要的区别就是需要进行路由选择。当一个网络中的主机要给另外一个 网络中的主机发送分组时，它首先把分组送给同一网络中用于网间连接的路由器，路由器 根据目的地的地址信息，选择合适的路由，把该分组传递到目的网络用于网间连接的路由 器中，然后通过目的网络中内部使用的路由协议，该分组最后被传递交给e l 的主机。 以上介绍了四种不同的有线网络，它们分别基于不同的标准实现和拓扑结构。有线网 络的传输特性由不同的传输介质决定，传输介质通常包括双绞线、基带同轴电缆、宽带同 轴电缆和光纤等。总的来说，相对于无线信道，有线网络具有高带宽、低延迟以及高可靠 性等特点。 2 1 2 无线网络及其特点 无线网络，指的是利用无线电波作为信息的传输介质，就应用层面来讲，它与有线网 络的用途完全相似，两者最大不同的地方是在于传输信息的媒介不同。除此之外，正因它 是无线，因此无论是在硬件架设或使用灵活性均比有线网络要有许多优势。与有线网络一 样，无线网络可根据数据传输的距离分为几种不同类型。 1 无线广域网( w i r e l e s sw a n ) w w a n 技术可使用户通过远程公用网络或专用网络建立无线网络连接。通过使用由 无线服务提供商负责维护的若干天线基站或卫星系统，这些连接可以覆盖广大的地理区 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线i p 视频传输中的相关技术 域，例如若干城市或者国家( 地区) 。目前的w w a n 技术被称为第二代( 2 g ) 系统。2 g 系统主要包括移动通信全球系统( g s m ) 、蜂窝式数字分组数据( c d p d ) 和码分多址 ( c d m a ) 。现在正努力从2 g 网络向第三代( 3 g ) 技术过渡。一些2 g 网络限制了漫游功 能并且相互不兼容；而第三代( 3 g ) 技术将执行全球标准，并提供全球漫游功能。i t u 正 积极促进3 g 全球标准的指定。 2 无线城域网( w i r e l e s sm a n ) w m a n 技术使用户可以在城区的多个场所之间创建无线连接( 例如，在一个城市或 大学校园的多个办公楼之间) ，而不必花费高昂的费用铺设光缆、铜质电缆和租用线路。 此外，当有线网络的主要租赁线路不能使用时，w m a n 还可以作备用网络使用。w m a n 使用无线电波或红外光波传送数据。为用户提供高速i n t e r n e t 接入的宽带无线接入网络的 需求量正日益增长。尽管目前正在使用各种不同技术，例如多路多点分布服务( m m d s ) 和 本地多点分布服务( l m d s ) ，但负责制定宽带无线访问标准的i e e e8 0 2 1 6 工作组仍在开 发规范以便实现这些技术的标准化。 3 无线局域网( w i r e l e s sl a n ) w l a n 技术可以使用户在本地创建无线连接( 例如，在公司或校园的大楼里，或在 某个公共场所，如机场) 。w l a n 可用于临时办公室或其他无法大范围布线的场所，或 者用于增强现有的l a n ，使用户可以在不同时间、在办公楼的不同地方工作。w l a n 以 两种不同方式运行。在基础结构w l a n 中，无线站( 具有无线电网卡或外置调制解调器 的设备) 连接到无线接入点，后者在无线站与现有网络中枢之间起桥梁作用。在点对点( 临 时) w l a n 中，有限区域( 例如会议室) 内的几个用户可以在不需要访问网络资源时建 立临时网络，而无需使用接入点。 1 9 9 7 年，i e e e 批准了用于w l a n 的8 0 2 1 1 标准，其中指定的数据传输速度为1 至2 兆位秒( m b p s ) 。之后，8 0 2 1 1 b 发展成为新的主要标准，在该标准下，数据通过2 4 千兆赫兹( g h z ) 的频段以1 1m b p s 的最大速度进行传输。另一个标准是8 0 2 1 1 a ，它指 定数据通过5g h z 频段以5 4m b p s 的最大速度进行传输。当前更新的8 0 2 1 l g 标准已经 有不少产品，它以5 4 m b p s 的速率工作在2 4 g h z ，并且向下与8 0 2 1l b 产品兼容，所以同 8 0 2 1 1 a 产品相比更具竞争优势。 4 无线个人网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) w p a n 技术使用户能够为个人操作空间( p o s ，p e r s o n a lo p e r a t i o ns p a c e ) 设备( 如 p d a 、移动电话和笔记本电脑等) 创建临时无线通讯。p o s 指的是以个人为中心，最大距 离为1 0 米的一个空间范围。目前，两个主要的w p a n 技术是“b l u e t o o t h ”和红外线。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线i p 视频传输中的相关技术 “b l u e t o o t h ”是一种电缆替代技术，可以在3 0 英尺以内使用无线电波传送数据。b l u e t o o t h 数据可以穿过墙壁、口袋和公文包进行传输。“b l u e t o o t h 专f - j 幂u 益组( s i g ) ”推动着 “b l u e t o o t h ”技术的发展，于1 9 9 9 年发布了b l u e t o o t h 版本1 0 规范。作为替代方案， 要近距离( 一米以内) 连接设备，用户还可以创建红外链接。 为了规范w p a n 技术的发展，i e e e 已为w p a n 成立了8 0 2 1 5 工作组。该工作组 正在发展基于b l u e t o o t h 版本1 0 规范的w p a n 标准。该标准草案的主要目标是低复杂 性、低能耗、交互性强并且能与8 0 2 1 l 网络共存。 以上介绍了四种常见的无线网络，总的来说，与有线网络相比较，无线网络由于传输 介质不同而具备自身的特性，如带宽小、较长的发送时延、无线信道的高误码率，以及无 线视频终端在不同的服务站点( 如蜂窝) 间切换对数据通信产生的影响，都给数据可靠传 输造成很大影响。无线信道的特点可以归结为以下几个方面： 1 有线的信道容量。相对于有线网络较高的带宽：1 0 1 0 0 0 m b p s ，无线网络一般容 量为1 m b p s - 2 m b p s ，甚至只有每秒几千比特，比有线网络要慢得多。 2 高误码率和丢包率。相对于有线网络上有一定规律的信号差错，无线局域网和蜂 窝系统的链路有较高的误码率( 1 - - - 2 ) 。这是由外部干扰造成的，使系统性能存在不 稳定因素。这些外部干扰源包括天气的影响、建筑物对无线电波的多径反射和阻挡，以及 无线视频终端在邻近的蜂窝间切换等各种情况，导致在无线信道上，信号差错更显得变化 快且没有规律并难以预测。1 2 的误码率对于语音质量影响不大，但是对于数据而言 却比较严重，尤其对实时视频传输来说影响极大。 3 端到端的高延迟时间。由文献【2 】可知，数据在信道上从发送端发出到接收 端完全收到的总传送时延( d e l i v e r yd e l a y ) = 发送时延( t r a n s m i s s i o nd e l a y ) 传播时延+ ( p r o p a g a t i o nd e l a y ) ，其中发送延迟的大小为数据长度除以数据在信道上的发送速率：传播 时延为电磁波信号从链路的一端传到另一端的时间，它取决于电磁波信号在信道上的传播 速度和信道的长度。在有线网络中，较高的带宽使得发送时延( 从以太网中的1 0 m b s 到大 型网络骨干网的1 0 g b s ) 相对较小，在移动通信系统的无线信道中，在信道长度一定时，传 播时延相对固定，因此小带宽引起的较大的发送时延决定了总的发送时延。在有线网络中， 延迟是毫秒级别的，但在无线通信中则是秒级的。 4 经常性掉话( f r e q u e n td i s c o n n e c t i o n s ) 。这是由于一段时间内信道连接的状况非常 差，致使用户不能进行有效通信造成的。举例来说，一个用户从一个蜂窝漫游到另外一个 蜂窝，这个过程可能会导致分组传输的延迟或者丢失。另外，当一个蜂窝已经存在很多用 户的时候，新到的用户可能会在很长时间内分配不到带宽这种呼叫阻塞的情况也属于 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线i p 视频传输中的相关技术 “掉话”的一种。对于t c p 应用，掉话将会导致发送方进行重传并减小拥塞窗口，但是对 于无连接的u d p 应用来说，掉话就意味着应用服务中止。随着无线通讯中微蜂窝技术的发 展，这个问题会越来越突出，因为越小的蜂窝容量会导致用户不会在一个蜂窝待得太久， 频繁的越区切换会导致更频繁的掉话。 2 2 无线视频传输关键技术 在实时视频传输应用中，应该根据不同应用的特点选择不同的网络。除此之外，传输 协议的选择和传输服务质量等问题也是十分关键的，本节将针对传输中的相关技术作简要 介绍，也为后文中这些技术的具体实现做好铺垫。 2 2 1 网络传输层协议 目前，不论是有线还是无线网络，都是向全i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 化发展。他们的实 现都遵循t c p i p 网络体系结构标准，具有相同的网络层( i p 层) 。传输层的两个协议，t c p 和u d p ，建立在支持广泛应用并提供尽力而为服务的i p 基础之上。本小节将对两种传输 协议进行比较，指出它们的适用范剧3 。 用户数据报协议( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，u d p ) 是一个不可靠的无连接的传输层协 议。应用进程写一数据报到u d p 套接口，由它封装成i p v 4 或i p v 6 数据报，然后发送到目 的地。但是u d p 并不能确保u d p 数据包最终可到达目的地。 每个u d p 数据报都有一定的长度，我们可以认为一个数据报就是一个记录。如果最 终正确地到达目的地( 即分组到达目的地且校验和正确) ，那么数据报的长度将传递给接 收方的应用进程。u d p 也称为无连接的服务，因为u d p 客户与服务器不必存在长期的关 系。 传输控制协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，t c p ) 是面向连接的可靠的传输层协议， 在逻辑上是全双工( 双向) 的。向应用进程提供的t c p 服务与u d p 服务不相同，主要包 括以下几个方面。 首先，t c p 提供客户与服务器的连接。一个t c p 客户建立与一个给定服务器的连接， 通过连接与那个服务器交换数据，然后终止连接。 其次t c p 提供可靠性。当t c p 向另一端发送数据时，它要求对方返回一个确认。如果 确认没有收到，t c p 自动重传数据并等待更长时间。在数次重传失败后，t c p 才放弃。重 传数据所花的总时间传统上是4 1 0 分钟( 与现实有关) 。t c p 含有动态估算客户到服务 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线i p 视频传输中的相关技术 器往返所花时间i 玎t 的算法，因此它知道等待一确认需要多少时间。 第三，t c p 通过给所发的每个字节关联一个序列号进行排序。如果这些字节非顺序到 达，接收方的t c p 将根据它们的序列号重新排序，再把结果数据传递给应用进程。如果 t c p 接收到重复的数据，它也可以判定数据是重复的( 根据序列号) ，从而把它丢弃掉。 第四，t c p 提供流量控制。t c p 总是告诉对方它能够接收多少字节的数据，这称为通 告窗口。任何时刻，这个窗口指出接收缓冲区中的可用空间，从而确保发送方发送的数据 不会溢出接收缓冲区。窗口时刻动态地变化：当接收发送方的数据时，窗口大小减小，而 当接收方应用进程从缓冲区中读取数据时，窗口大小增大。窗口的大小减小到0 是有可能 的：t c p 的接收缓冲区满，它必须等待应用进程从这个缓冲区读取数据后才能再接收从发 送方来的数据。 最后，t c p 的连接是全双工的。这意味着在给定的连接上应用进程在任何时刻既可以 发送也可以接收数据。因此，t c p 必须跟踪每个方向数据流的状态信息，如序列号和通告 窗口的大小。 通过以上比较可以发现，u d p 不具备t c p 复杂的可靠性与控制机制。很明显，当数 据传输的效率必须让位于数据传输的完整性、可控制性和可靠性时，t c p 协议是当然的选 择。但是，t c p 丰富的功能有时会导致不可预料的性能低下。当强调传输效率而不是传输 的完整性时，如：音视频等多媒体应用，u d p 是最好的选择。在数据传输时间很短，以至 于此前的连接过程成为整个流量主体的情况下，u d p 也是一个好的选择。 2 2 2 视频转发服务器与分段连接技术 萝鼍l 目瑶鬯 图2 - 2 分段连接网络模型 。 视频转发服务器( v i d e of o r w a r ds e r v e r ) ，顾名思义就是提供视频数据转发功能的一套 服务器系统。它适合许多场合下的视频应用，比如在有线和无线网络混合组网的情况下， 通常需要在两个不同网络的交界处设立一台视频转发服务器，保证数据能够在异构网络之 间顺利传输。这就是应用了分段连接技术的基本思想。分段连接技术属于无线网络拥塞控 制技术中的一种，最初是为了提高无线网络应用中t c p 性能而提出来的。当转发服务器收 到分组时，可直接对分组进行应答，而分组也许并没有真正到达目的节点，因此分段连接 技术破坏了t c p 端到端的语义，i - t c p 4 1 和m t c p 5 1 是两种典型的分段连接技术，下面将 作简单介绍，并说明它们的可鉴之处。 查室唑鱼盔堂堡主堕堑兰兰笪丝塞釜三雯垂垡! 塑塑堡塑盟塑羞垫垄 如图2 2 ，列举了一个分段连接的网络模型，其中，s e n d e r 作为源端，r e c e i v e r 作为目 的端，中间有一个转发服务器s e r v e r ，s e n d e r 端与s e r v e r 端之间采用有线链路进行通信， r e c e i v e r 端和s e r v e r 端之间通过无线链路连接。s e r v e r 将网络以视频转发服务器为界分成 有线网络和无线网络，将连接也分成两个部分分别采用不同方法进行传输控制。对于两个 不同的连接部分，流控制协议、分组大小、发包速度和质量保证策略可以不同【6 1 。 i t c p 4 1 将连接分成两个部分，如图2 2 所示，送往移动主机r e c e i v e r 的数据首先被该 主机所在区域的s e r v e r 所接收，s e r v e r 会作出相应的记录或者立即向发方发出应答，然后将 数据传给r e c e i v e r 。s e r v e r 与r e c e i v e r 之间不必使用传统t c p ，可以代之以专门的协议以优 化性能，克服由于无线环境造成的链接错误率高的影响，两段链路分别得到优化，提高了 整体性能。这种方法使有线网络与误码率高的无线网络隔开而不必改动固定的s e n d e r 端上 的t c p 。转发服务器的引入破坏了t c p 端到端的语义，同时需要在s e r v e r 上开辟一定量的缓 冲区以以适应数据流量的变化。如果移动主机频繁地移动切换，则它与s e r v e r 问的连接状态 传递相关的数据流量增大，从而增加延迟，引起分组丢弃。对于需要无数个s e r v e r 的系统 来说，使用复杂的s e r v e r 代价是巨大的。但是当需要s e r v e r 很少的情况下，这种方法还是值 得借鉴的，因为这样不仅可以增加系统的负载能力，减轻发送方压力，而且只需要采用适 当的传输控制技术，就可以极大地提高系统的整体性能。例如，在基于混合网络的实时视 频应用中，一般采用u d p 作为传输协议，为了获得更好的性能，在增强u d p 协议功能的基 础上，可以采用分段连接技术，引入视频转发服务器，这样就可以针对不同网络的特点， 采取不同的控制策略。 m t c p 5 】与i t c p 类似将连接分成两个部分，在有线网络中使用t c p 连接，在无线链路 中使用m t c p 协议降低由于频繁切换和长切换延迟对于t c p 性能的影响，这是因为s e r v e r 通常与移动主机( r e c e i v e r ) 只有一跳的距离，因而可以提供对丢包的更好的控制，延迟 短，能迅速地对移动主机环境的变化作出响应。m t c p 通过s e r v e r 检测发往移动主机的分 组以及反向确认分组来判断移动主机的连接状态。如果移动主机处于断开状态就通过发送 声明窗口大小为零的分组使固定主机s e n d e r 进入保持状态：当移动主机和s e r v e r 建立新的链 接，s e r v e r 发送分组通知固定主机退出保持状态，返回原来状态，避免了发送端在切换前 后不必要的速率降低，提高了网络利用率。m t c p 虽然保持了t c p 端到端的语义，对于跳 数较少的网络，m t c p 是比较适用的，但是协议的性能依赖s e r v e r 对移动主机状态的正确 判断，其算法复杂且容易误判。相比之下，对于小型应用系统而言，如果需要分段连接技 术的话，i - t c p 才是最佳选择。 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线i p 视频传输中的相关技术 2 2 3 基于ip 的视频传输o o s 控制技术 q o s 即服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，在r f c 2 3 8 6 7 】中描述为：q o s 是网络在传输数 据流时要求满足的一系列服务请求，具体量化为带宽、延迟、延迟抖动、吞吐量等性能指 标。此处的服务具体是指数据包( 流) 经过若干网络节点所接收的传输服务，强调端到端 的整体性。q o s 反映了网络元素( 例如，应用程序、主机或者路由器) 在保证信息传输和 满足服务要求方面的能力【8 】。 国内外有许多针对基于i p 的多媒体通信中的q o s 研究，提出的解决策略可以分为两 类：基于网络的方法和基于终端的方法。在基于网络的方法中，i e t f 提出了两种典型的体 系结构模型：综合服务模型( i n t s e r v ) 和区分服务模型，理论上都可以取得很好的质量保 证效果，但是它们需要网络中所有节点( 如路由器和交换机) 的参与，因此技术实现涉及 到对网络基础设施的更新和扩充，在实际应用中受到很大限制。在基于终端的方法中，主 要包括端到端的拥塞控制和差错控制，这种方法不需要网络节点的参与，只需要在发送端 和接收端交互媒体流q o s 信息，通过应用层涉及对多媒体传输进行控制，与现有的i n t e m e t 兼容，能够达到一定的q o s 要求，因此具有更强的可实现性和可操作性。 2 2 3 1 拥塞控制技术 多媒体音视频流通常以u d p 来传输的：但u d p 包没有提供拥塞控制和质量保证的机制， 所以需要在u d p 的上层加上拥塞控制的机制。通常采用基于速率的三类解决方案：基于接收 端、基于发送端和混合控制的速率控制【9 1 。 1 基于发送端的速率控制 通过调整发端的编码速率来适应网络的传输，这是基于如果传输码率和网络带宽相匹 配则包丢失率会大大下降的原理。实现时通常需要有一个反向信道，从接收端监测网络的 状态，把网络的状态信息反馈给发送端，发送端根据网络状态信息进行编码速率调整，可 以采用试探的方法和模型法。 2 基于接收端的速率控制 接收端根据网络状态增加或减少信道，主要用于分级的图像编码。在这种控制方法中， 编码部分本身并不作调整，只是在发送层参与调整。这种控制策略用在组播系统中。基于 接收端的速率控制也采用试探的方法和基于模型的方法。 3 混合的速率调整 编码器的发端根据反向信道的信息调整速率的同时接收端增加或减少信道，其目的是 南京邮电大学硕研究生学位论文第二章无线i p 视频传输中的相关技术 在组播时传送分级或不分级的图像。与基于发送端的方法不一样的是，混合方法采用了多 信道而且每一个信道的速率不是固定的而是可以根据网络的拥塞状况调整。 4 速率整形 速率整形的目的是将压缩后的码流适应网络的带宽限制。工作在编码器和网络接口之 间，不需要与编码器交互，所以适应任何类型的编码器。实现时通常有两种方法：一是面向 传输策略，二是面向压缩策略。 面向传输的整形是发送码流在发送端选择性丢帧，主要是对网络带宽和接收端l 拘q o s 进行智能判断。这样做有两个好处：一是全局的q o s 得到改善、节约带宽资源：二是可以保 留重要信息包。面向传输是根据人眼对高频的信息不很敏感的特性，可以丢弃d c t 的高频 系数。 2 2 3 2 差错控制技术 对于基于i p 的多媒体实时传输而言，传输错误主要表现为丢包【1 0 】。导致丢包的主要原 因有： ( 1 ) 通信链路不稳定。主要是采用无线i p 网络传输多媒体时，终端频繁越区切换或者 信号受外界干扰时，都会严重影响通信质量，造成丢包。 ( 2 ) 流量具有突发性。i n t e m e t 共享带宽的工作模式使突发流量的出现不可避免，当 路由器和网关发生拥塞时，会导致丢包。 ( 3 ) 存储转发机制引发了排队延时和延时抖动问题，对于具有严格时间要求的音视 频流，过大的延时会导致数据包在播放时刻后到达而无效，最终表现为丢包。 ( 4 ) 在网络带宽不断增长的同时，应用的带宽需求也相应地不断增加。它们之间的 矛盾将继续存在，致使丢包不可避免。 ( 5 ) 由于i p 网络终端设备的异构性，发送接收设备的速度、c p u 计算能力、存储容 量等存在不匹配问题，在应用层依然会出现丢包现象。 差错控制的目的在于丢包的情况下恢复质量。虽然拥塞控制尽可能地防止在传输过程 中丢包，然而在无线i p 或者有线i p 网络传输中，丢包是不可避免，而且各个包之间的关系 会扩大丢包的影响范围。因此，丢包会严重影响音视频的质量，后果往往是占用了各种资 源传输的数据，在接收端却无法播放或者效果很差。所以采取差错控制是非常有必要的。 目前常用的差错控制方法分为四类：前向纠错( f e c ，f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 、重传 ( r e t m n s m i s s i o n ) 、错误恢复( e r r o rr e s