（信号与信息处理专业论文）多模式无线视频通信系统中的码流传输技术研究.pdf

南京邮电学院硕士研究生学位论文 中文摘要 摘要 随着移动通信业务的增加，无线通信己获得非常广泛的应用。无线通信环境的 特性以及移动多媒体应用业务的特点对视频图像的编码与传输技术提出了新的要 求。 公共无线移动网络g s m 、g p r s 、c d m a l x 等提供了大范围低码率的无线移动 接入通信网络手段，而无线局域网提供了在较小范围内的高速无线接入h t e m e t ，两 者相互补充，为无线多媒体视频流的传输提供了必要的网络通信基础。针对目前主 流的无线通信方式，系统采用了多模式的传输通信方式，即在w l a n 、g p r s 和 c d m a 网络切换下的传输通信。本文实现多模式无线通信系统中的码流传输部分。 由于传输时存在公网、私网地址通信问题，系统采用转发服务器来建立移动终端和 视频显示端的传输链路控制。 本文首先研究了无线d 网络的传输特性，简单介绍了口q o s 的概念和应用层 上两种质量控制方法，针对无线链路的特性，选取了适当的q o s 参数反馈控制传输 质量。接着通过深入研究r t p 协议，完成多模式无线网络( w l a n 、g p r s 、c d m a ) 采用r t p u d p i p 传输下的码流传输，包含发送和接收码流两方面，并完成无线通 信下的r t c p 双向控制信息链路。最后，针对无线网络的不稳定性，完成了三种无 线网络采用t c p 传输下的可靠码流传输。实验测试表明，本文多模式无线通信系统 下的码流传输在接收端都取得了比较好的图像显示效果。 关键词：无线网络，视频传输，转发服务器，r t p r t c p ，u d p ，t c p ，q o s 南京邮电学院硕士研究生学位论文英文摘要 a b s t r a c t f u t u r ew i r e l e s s a p p l i c a t i o n s ，s u c ha sv i d e oc e l l u l a rt e l e p h o n y , w i r e l e s si n t e m e t a c c e s sa n dw i r e l e s s l a n s ，h a v eo p e n e d an e wf i e l df o rw i r e l e s sm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n d m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sh a v eb r o u g h tf o r w a r dn e wd e m a n dt ov i d e oc o d i n ga n d t r a n s m i s s i o n p u b l i cw i r e l e s sn e t w o r k ，s u c ha sg s m ，g p r s ，c d m a ，h a sp r o v i d e dt h e m e a n so fw i d er a n g ea n dl o wb i tr a t et ow i r e l e s si n t e m e ta c c e s s o nt h ec o n t r a r y , w l a n h a sp r o v i d e dt h em e a n so f s m a l lr a n g ea n dh i 曲b i tr a t e t h e s et w oc o m b i n e dc a np r o v i d e n e c e s s a r yn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb a s e sf o rw i r e l e s sv i d e oc o m m u n i c a t i o n s ot h et a r g e t s y s t e mi nt h i ss t u d yi m p l e m e n t st h em u l t i m o d ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no v e rw l a n ， g p r sa n dc d m an e t w o r k t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si sc o n c e n t r a t e dt od a t a p a c k e t i z a t i o n a n dt r a n s m i s s i o n t e c h n i q u e s w i t hm u l t i m o d ei nw i r e l e s sv i d e o c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t os o l v et h ep r o b l e mo nd a t at r a n s m i s s i o na c r o s sp u b l i ca n d p r i v a t en e t w o r k ，t h es y s t e ma d o p t st h et r a n s m i ts e r v e rt oe s t a b l i s h t h et r a n s m i s s i o nl i n k c o n t r o lb e t w e e nt h em o b i l ea n dv i d e od i s p l a yt e r m i n a l s t h i st h e s i sf i r s td i s c u s s e st h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r so fw i r e l e s si pn e t w o r ka n dt h e c o n c e p to fq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) a i m i n ga tt h ew i r e l e s si pn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c ， s o m er e l a t i v eq o sp a r a m e t e r sa r ea d o p t e dt oc o n t r o lt r a n s m i s s i o nq u a l i t y t h e nt h et h e s i s c o n c e n t r a t e so nt h ei m p l e m e n t i o no nt h ev i d e ot r a n s m i s s i o nb yu s i n gt h ep r o t o c o lo f r t p u d p i po v e rt h r e ew i r e l e s sn e t w o r k s ( w l a n ，g p r s ，c d m a ) a n de s t a b l i s h m e n to f t h eg t c pc o n t r o li n f o r m a t i o n f u r t h e r m o r ei ta l s od e s c r i b e st h ei m p l e m e n t a t i o no nt h e v i d e ot r a n s m i s s i o nb yu s i n gt h ep r o t o c o lo ft c p i pt oe n s u r ew i r e l e s sco m m u n i c a t i o n q u a l i t y e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ev i d e ot r a n s m i s s i o no v e rm u l t i m o d ew i r e l e s s n e t w o r kc a n b r i n go u ts a t i s f a c t o r yi m a g ei nv i d e od i s p l a yt e r m i n a l k e yw o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r k ，v i d e ot r a n s m i s s i o n ，t r a n s m i ts e r v e r , r t p r t c p , u d p , t c p , q o s i i 南京邮电学院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 含为获得南京邮电学院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：么风 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：i 至f 塑 导师签名： 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线视频通信技术的发展 随着i n t e m e t 技术和计算机技术的迅猛发展，现代视频通信、语音通信以及实 时数据通信已经成为目前通信和网络发展的大趋势。其中视频通信是以人类视觉为 基础，目前实时视频通信技术已广泛应用在i pp h o n e 、i pt v 、v i d e oc o n f e r e n c e 、 手机视频等通信中。在未来数年内，可以预计视频通信技术将被广泛应用于i n t e m e t 远程教育、分布仿真、分布式工作等领域。随着移动通信业务的增加，无线通信已 获得非常广泛的应用。无线网络除了提供语音服务之外，还提供多媒体、高速数据 和视频图像业务。无线通信环境的特性以及移动多媒体业务应用的特点对视频图像 的编码与传输技术提出了新的要求。面向无线通信的视频图像编码与传输技术已成 为当今信息科学与技术的前沿课题。 众所周知，在处理视频图像时首先遇到的问题就是庞大的数据信息量，这使得 存储和传输这些信息极为麻烦。因此，必须通过信源编码对这些信息进行压缩，即 尽可能多地消除信息中的冗余。实际上，对于视频序列图像来说，图像数据是高度 相关的，存在着大量的冗余信息。首先，图像序列中的每帧图像与静止图像一样， 存在着象素之间的相关性；其次，由于画面物体在大多数情况下的运动总是连贯的， 而且背景也有一定的稳定性，这决定了图像序列的帧与帧之间具有更强的相关性。 序列图像的这些特性，都为压缩图像数据并获得比较大的压缩比提供了可能。 由于传输的数据不是图像的原始数据，而是经过了压缩编码后得到的数据，因 此它们对信道的噪声干扰非常敏感。如果差错发生在一些比较关键的部位，即使是 很少的差错量，也会造成接收端恢复出来的图像质量严重下降。而本课题中所涉及 到的传输信道却又恰恰是噪声干扰比较严重的无线信道，存在着多径效应、衰落等 多种干扰，所以对通信系统的可靠性要求比较高。 与有线传输相比，当信息数据在无线信道中传送时，更容易被无线信道所具有 的噪声所影响而发生差错。因此必须对信息数据进行纠错编码，即在要传输的数据 序列中，按一定规律加上若干个冗余位或监督码元，使序列按满足一定规律的码字 传输，在接收端则利用这种规律性对接收序列进行译码，从而纠正传输中的错误。 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章绪论 另外，由于视频图像通信具有实时性的特点，接收端进行译码的过程不能太耗时间。 无线通信中视频系统应至少满足三个要求：低功率消耗( 限于移动终端) ，高压 缩率和较好的信道误差弹性 1 。由于无线视频系统往往是便携式系统，其供能系统 的容量受到较大限制，因而减少功率消耗是能限系统正常工作的关键。低能耗系统 设计一般着眼于减小工作电压，优化硬件结构，减少每次采样中的操作次数，并根 据各种操作功率消耗顺序( 内存操作 乘法操作 加法操作) 来优化算法。无线系统 又是带限系统，而视频业务是甚高比特率业务，要实现无线视频通信。必须实现高 效压缩，并且压缩算法的设计要结合低能耗、高容错性来综合考虑；同时无线信道 是易错、时交和带限的，为了克服远近效应等问题，获得无线信道的高系统容量和 低的s n r ( 信噪比) 值是必要的，这可能导致更高的误比特率；视频信号对误比特 率有更严格的要求，因此提高信道误差弹性具有重要意义。一般通过增强信源编码 算法的容错性、用强有力的信道编码方式来提高抗误码能力。而增强信源编码的容 错性常利用以下几个特点：能生成较大码间距离的编码方法具有较强容错性；分层 编码技术使得比特分配灵活，在编码和传输方面都很有优势；帧内编码方式比帧间 方式容错性强；定比特率可防止误差传播。 视频图像的压缩编码可以有效地减少图像的数据量，从而降低对网络带宽的要 求，但经压缩过的图像数据对于误码是相当敏感的，并且误码可能会在空间域和时 间域上扩散，这将引起图像质量的急剧下降。统计资料显示，对于不压缩的视频数 据，用户可以接受的误码率约为1 0 _ ，而对于压缩编码视频通信，用户可以接受的 误码率约为1 0 一，而且压缩倍数越高，其对于误码率的要求就越高，同时码流速率 越高，错误平均时间间隔越短。对于无线网络，其信道误码率一般在1 0 - 5 以上，有 时可高达l o _ 。，在这样的信道传送视频信号，如果没有有效的容错措施，恢复的视 频图像质量是无法接受的。 无线通信业务的发展逐步聚焦于可靠的数据业务和实时的视频业务而达到“可 靠”和“实时”这两个要求就需要对压缩技术、编解码技术、物理传输以及传输控 制技术进行深入研究。 1 2 多模式无线视频传输系统的提出 无线移动网络g s m 、g p r s 、c d m a l x 、无线局域网w l a n 等技术在最近几年 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章绪论 来取得了令人瞩目的进展。公共移动网络( g s m 、c d m a 等) 已经发展到第三代移 动通信系统( 即3 g ) ，已作为接入网接入i n t e r n e t ；无线局域网标准化已经相继完成 了i e e e8 0 2 1 l a 、b 、g 等规范，速率从2 m b p s 到5 4 m b p s ，成为无线接入i n t e m e t 的另外一个重要的手段。公共无线移动网络g s m 、g p r s 、c d m a l x 等提供了大范 围低码率的无线移动接入通信网络手段，而无线局域网提供了在较小范围内的高速 无线接入i n t e r n e t ，两者相互补充，为无线多媒体视频流的传输提供了必要的网络通 信基础。但在实际应用中，公共移动网络和无线局域网覆盖的范围不同，不同的区 域采用的无线方式可能不同。移动终端自由切换于各个无线网络间，为了能够让移 动终端在不同无线网络模式下无缝切换，需要让移动终端能够自适应各种无线通信 模式，如图1 1 。针对目前主流的无线通信方式( w l a n 、g p r s 、c d m a ) ，采用多 模式的传输通信方式，当移动终端切换到某种无线网络时，即采用该网络内的传输 通信模式。 圈1 1 移动终端切换网络通信图 本系统中，多模式通信系统选择了三种无线接入方式：w l a n 、g p r s 和c d m a ， 即实现三种方式切换下的视频可靠通信。由于视频接收端为位于内网( 校园网内) 的p c 机，所以移动终端在g p r s 或c d m a 网络下通信时，不能直接与接收端建立 连接，即存在公网、私网地址通信问题。为了解决这些通信问题，系统中加入了视 频转发服务器来实现移动终端和视频接收端的传输通信。其中g p r s 和c d m a 网络 通信采用外网转发方式，即转发服务器挂在公网上；而w l a n 网络通信采用了内网 转发的方式，转发服务器直接放在局域网内。 对于无线口网络来说，由于无线媒质的物理特性使得信道误码率高，信道的可 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 用带宽、传输速率具有时变的特性。要实现大数据量的视频信号的传输，特别是在 面向大众的无线可视应用中，无线信道的资源尤其紧张。无线通信网络难虬提供可 靠的服务质量( q o s ) 保证。 鉴于无线网络的信道状况，系统要实现实时视频流的通信，需使用实时传输协 议r t p r t c p 2 来对视频码流进行传输控制。r t p r t c p 运行在u d p 协议之上，即 传输采用r t p u d p p 方式来实现q o s 保证。但是对于无线网络( 如g v r s ) 带宽比较 窄，如果网络状况突然很差，信道中丢包很多时，接收端的图像显示会出现大量方 块和马赛克效应，在这样的网络中，对于大量丢包情况，如果通过反馈机制到发送 端进行重传是基本不可能的，所以这时r t p r t c p 就很难保证图像质量。考虑到无 线网络的丢包比较严重，而且移动终端与视频接收端的通信可能经过多个网络的路 由通信，对传输质量影响较大，系统同时实现了视频流在t c p i p 方式下的可靠传输。 使用t c p 传输可能时延要大些，但是图像质量可以得到保证。系统可以根据网络状 况选择应用何种传输方式，使当前网络传输质量最佳。 1 3 本文工作概述和内容安排 为了在无线p 网络上有效、高质量地传输视频流，需要多种技术的支持，其中 的关键技术主要包括视频的压缩、编码技术，q o s 控制技术以及视频流传输中采用 的协议等。本课题研究的是无线口网络中多模式无线视频通信系统中的码流传输， 主要是结合网络与实际应用条件，研究传输可靠性的方法。本文的工作主要是： 1 、针对无线视频传输，研究无线口信道传输特性： 2 、分析网络q o s 参数，结合本课题无线网络链路特性，提取无线d 网络q o s 参数进行测试； 3 、实现多模式无线通信( w l a n 、g p r s 、c d m a ) 在r t p u d p i p 传输方式 下的2 6 3 码流传输，包括转发服务器传输链路的建立过程，r t p 固定头的 封装，码流打包发送过程等： 4 、实现多模式无线通信采用t c p i p 传输方式下的可靠码流传输； 5 、实现视频显示端的三种无线通信下码流数据接收解码显示，同时通过视频显 示端发送开启关闭命令对移动终端的码流发送进行自动控制。 6 、建立服务器和客户机( 即移动终端和视频显示端) 之间的r t c p 双向控制信 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章绪论 息链路，两端周期传送r t c p 简单复合包，客户机反馈q o s 参数给服务器。 本文后面的内容安排如下： 第二章介绍了无线d 网络的传输特性，并介绍了数据流传输协议，包括t c p 、 u d p 、r t p r t c p 协议，说明了t c p 和r t p r t c p 对视频质量的控制。第三章简单 介绍了q o s 概念，阐述了两种应用层控制技术：拥塞控制和差错控制。第四章是论 文中的重点，详细讲述了转发通信传输链路的建立，移动终端分别采用r t p u d p i p 和t c p 坤方式下的码流传输过程，视频显示端的收包过程以及r t c p 控制包的发送 接收。第五章是实验测试部分，对系统参数进行测试与分析。第六章是总结与展望。 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章无线i p 网络的传输特性与数据流传输协议 第二章无线i p 网络的传输特性与数据流传输协议 2 1 无线传输方式 2 1 1w l a n w l a n ( 无线局域网：w i r e l e s sl o c a l - - a r e an e t w o r k ) 是计算机网络与无线通信 技术相结合的产物。通俗地讲，无线局域网就是在不采用传统电缆线的同时，提供 传统有线局域网的所有功能，网络所需的基础设施不需要再埋在地下或隐藏在墙里， 网络却能够随着实际需要移动或变化 3 】。 无线局域网作为有线的延伸，因其具有移动性、灵活性高、建网迅速、管理方 便、网络造价低、扩展能力强等特点，可更好地弥补有线的不足。w l a n 初期受外 界影响严重，传输距离近、传输速率低：但随着无线技术的发展，现在w l a n 的传 输距离可达几百米，传输速率最高可达1 0 8 m ，已与有线的1 0 0 m 相媲美。 此外，无线局域网的抗干扰性强、网络保密性好。对于有线局域网中的诸多安 全问题，在无线局域网中基本上可以避免。而且相对于有线网络，无线局域网的组 建、配置和维护较为容易，一般计算机工作人员都可以胜任网络的管理工作。 目前无线局域网标准主要是i e e e8 0 2 工作组制定的i e e e8 0 2 1 1 协议族，包括 8 0 2 1 l 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 1 e 和8 0 2 1 1 9 。 8 0 2 1 l 是1 9 9 7 年i e e e 最初制订的一个无线局域网标准，速率最高只能达到 2 m b p s 。由于8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，i e e e 小组又相继 推出了8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 l a 两个新标准，三者之间的主要差别在于m a c 子层和物理 层。 8 0 2 1 l a 工作在5 g h z u n i i 频带，物理层速率可达5 4 m b p s ，传输层可达2 5 m h p s 。 它采用j 下交频分复用( 0 f d m ) 的独特扩频技术：可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口和 1 0 m b p s 的以太网无线帧结构接口，以及t d d t d m a 的空中接1 3 ；支持语音、数据、 图像业务；一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。8 0 2 1 l a 工作在 5 g 频段。 8 0 2 1 1 b ( w i - f i ) 物理层支持5 5 m b p s 和l l m b p s 两个新速率。8 0 2 1 1 标准在扩频 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章无线i p 网络的传输特性与数据流传输协议 时是一个1 1 位调制芯片，而8 0 2 1 l b 标准采用一种新的调制技术c c k ( 丰f 偿编码键 控) 完成。8 0 2 1 l b 使用动态速率漂移，可因环境变化，在l l m b p s 、5 5 m b p s 、2 m b p s 、 1 m b p s 之间切换，且在2 m b p s 、1 m b p s 速率时与8 0 2 1 1 兼容。 无线局域网采用的传输媒体主要有两种，即微波与红外线。在采用微波作为传 输媒体的无线局域网依调制方式不同，又可分为扩展频谱方式与窄带调制方式。 无线局域网的拓扑机构可归结为两类：无中心或叫对等式( p e e r t o p e e r ) 拓扑和有中心( h u b - - b a s e d ) 拓扑： 1 、无中心拓扑 无中心拓扑的网络要求网中任意两个站点均可直接通信。采用这种拓扑结构的 网络一般使用公用广播信道，各站点都可竞争公用信道，而媒体访问控制( m a c ) 协议大多采用c s m a c a ( 载波侦听多址接入冲突避免) 类型的多址接入协议。这 种结构的优点是网络抗毁性好、建网容易、且费用较低。但当网中用户数( 站点数) 过多时，信道竞争成为限制网络性能的要害。因此这种拓扑结构适用于用户数相对 较少的工作群规模。 2 、有中心拓扑 在有中心拓扑结构中，要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访问 均由其控制。这样，当网络业务量增大时网络吞吐性能及网络时延性能的恶化并不 剧烈。由于每个站点只需在中心站覆盖范围内就可与其它站点通信，故网络中心点 布局受环境限制很小。此外，中心站为接入有线主干网提供了一个逻辑接入点。有 中心网络拓扑结构的弱点是抗毁性差，中心站点的故障容易导致整个网络瘫痪，并 且中心站点的引入增加了网络成本。 在实际应用中，无线局域网往往与有线主干网络结合起来使用。这时，中一t l , 站 点充当无线局域网与有线主干网的转接器。 2 1 2g p r s g p r s ( 通用无线分组业务：g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是一种基于g s m 系 统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线i p 连接 4 】。简单地说，g p r s 是一项无线数据传输技术，它以分组交换技术为基础，用户通过g p r s 可以在移动 状态下使用各种高速数据业务，包括收发e m a i l 、进行i n t e m e t 浏览、即时聊天等。 7 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章无线i p 网络的传输特性与数据流传输协议 g p r s 网络容量只在所需时分配，不要时就释放，这种发送方式称为统计复用。g p r s 的特点是用户始终保持与网络的连接，但只有传递数据的时候才占用无线资源。即 根据用户的需要动态地分配物理信道，从而提高了数据传送率和带宽利用率。g p r s 采用分组交换机制，实现了按流量计费。但采用g p r s 提供数据业务并没有真正增 加物理信道，另外还存在着与话音业务争抢信道资源的问题。理论上g p r s 最多可 以同时捆绑8 个物理信道，提供速率为1 1 5 2 k b i t s 的移动数据业务。但实际运营中 运营商为保证话音用户的使用，一般只允许一个g p r s 用户同时捆绑3 个物理信道， 最高数据速率只能达到4 3 2 k b i t s 。g p r s 属于2 5 g 通信，可直接升级到3 g 即 w c d m a 制式。中国移动为用户提供的无线上网服务就是采用g p r s 模式。 2 1 3c d m a c d m a 是码分多址的英文缩写( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，它是在数字技术 上的分支扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术【5 1 。c d m a 技术的 原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大 于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制 并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把 宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现数据传输。 c d m a 技术的标准化经历了几个阶段。i s 9 5 是c d m a o n e 系列标准中最先发 布的标准，真正在全球得到广泛应用的第一个c d m a 标准是i s 9 5 a ，这一标准支持 8 k 编码话音服务。c d m a 网已经升级到c d m a l x ，c d m a l x 网络接入速度快，提 供了与现有数据网的无缝连接。由于c d m a l x 网本身就是一个分组型数据网，支持 t c p 口、x 2 5 协议，因此无需经过p s t n 等网络的转接，直接与分组数据网( i p 网 或义2 5 网) 互通，接入速度仅几秒钟，快于电路型数据业务。采用t c p i p 协议， 较以前的无线数据网络( 集群、双向传呼、g s m 短信息) 而言，网络接入更加直接 方便。采用c d m a l x 无线上网最高速率可达1 5 3 6 k b p s ，稳定状态下的速率可在 7 0 k 8 0 k 左右，是普通拨号上网的3 倍以上。 中国联通公司提供无线上网服务采用的就是c d m a i x 模式，c d m a 也是2 5 g 移动通信，可直接升级到3 g 即c d m a 2 0 0 0 制式。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章无线i p 网络的传输特性与数据流传输协议 2 2 无线i p 网络的传输特性 无线p 网络一般分为无线邛接入部分和有线p 核心网络传输部分，结构如图 2 1 所示。 图2 1 无线i p 网络结构 无线p 标准针对的是“( 由) 无线( 到) 互联”的实现方式，它是在固定h l t e m e t 的基础上，利用宽带无线接入( b w a ) ( 无线城域网、无线局域网、无线个人区域 网) 技术、移动婵技术以及相关的安全技术等，提供宽带的、可移动的、广域的四 服务 6 。一般情况下无线接入部分使用i p 机制，即移动节点与移动基站之间在物 理传输层上叠加了一层网络处理( 内嵌完整t c p i p 协议栈) ，可以将数据封装成i p 包，实现无线d 两端有效连接。由于具有t c p i p 协议栈，o s l 的应用层可以引用 有线网络的处理模式，屏蔽了无线网络和有线网络传输模式的差异。在应用层来增 加对q o s 的描述，可依此来调整无线物理传输的参数、无线信号传送的优先级达到 对q o s 的支持。 目前无线物理传输使用的是数字蜂窝电话( g p r s 、c d m a ) 和无线局域网 w l a n ，这两种系统都必须与同类型的相邻系统共享频谱资源。为了获得更好的传 输质量，无线传输中采用“多址方式、均衡与分集技术、调制解调技术、信号编码、 信道交织、加密和跳频、切换技术、功率控制技术”等基本物理技术来达到最佳的通 信质量。无线通信中最明显特点就是通信端的移动和信号易受干扰：与有线链路相 比，无线传输有其明显的特性：高误码率、可用带宽低、延时( 抖动) 比较突出。 在t c p i p 通信中，t c p 的通信是面向连接的，u d p 的通信是无连接。由于无 线物理传输的本身不稳定性，采用t c p 或u d p 通信会有很大差别。t c p 自身保证 9 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章无线i p 网络的传输特性与数据流传输协议 传送质量，但由于采用握手机制和重传机制会加大无线通信的拥塞。而u d p 是尽力 发送，不能保证通信质量( 会乱序、丢包) ，需要上层的应用层来保证通信质量，但 是其实时性好且不会对无线通信造成拥塞。处理无线d 业务中需要对业务和无线网 络进行合理分析选择合适的通信方式。如果无线网络比较可靠且应用层对通信质量 很难控制，t c p 比较合适，否则u d p 比较合适。 网络很少由于错误而丢失的假设在无线i n t e m e t 链路上是不能成立的。在一个 典型的无线局域网w a v e l a n ( 由朗讯科技的贝尔实验室开发) 系统中，在相距 8 5 英尺传输1 4 0 0 字节的u d p 分组时，平均误码率为1 5 5 ，这些错误主要是由于 主机间的障碍物及帧的大小影响的 7 】。当分组大小减为3 0 0 字节时，平均误码率就 降低一半。在没有切换的情况下，主机移动性增加误码率约为3 0 。无线网络中的 包长和丢包率有一定关系，包比较小其丢包率也比较低。误码率也比较低。 在无线网络上传输视频图像时，无线信道独有的特性会使图像质量下降 8 ： ( 1 ) 带宽波动：首先，无线通道的吞吐量会因为多径衰落、同频道干扰和噪声 的扰动而降低。其次，无线通道的容量会随着基站与移动主机之间距离的变化而波 动。第三，当移动的终端在不同网络间运动时( 如从无线局域网到g p r s 网络) ， 通道带宽会发生剧烈的变化。最后，当小区切换时，另外一个小区可能不能提供频 带资源。因此，带宽波动对于无线网络上的实时传输是一个严重的问题。要实现大 数据量的视频信号的传输，尤其在面向大众的无线可视应用中，无线信道的资源尤 其紧张。 ( 2 ) 高误码率：和有线通信相比，因为多径和未覆盖的区域的影响，信道的误 码率较高，在第三代无线通信网中应是1 0 _ 3 1 0 ，这对图像的质量影响很大，因 此需要一种鲁棒性的传输方法。 ( 3 ) 接收的异类性：在组播情况时，接收端可能具有不同的要求和特性，如对 待时间表，视觉质量，处理能力，功率限制( 无线和有线) 和带宽限制。接收端的 要求和特性的异类性使得设计一个高效的组播机制非常困难。 2 3 数据传输协议t c p 与u d p i n t e m e t 是当前最为成功的基于分组交换的网络，它采用t c p i p 协议，t c p i p 是使用最为广泛的协议体系，事实上已经成为网络通信公认的标准。对于基于网络 1 0 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章无线i p 网络的传输特性与数据流传输坍议 的应用而言，对网络的访问是通过传输层协议实现的。t c p i p 网络协议栈中有两类 传输层协议，即t c p 和u d p 协议【9 】。 t c p 协议是一种面向连接的提供可靠的数据流传输的协议，和其它可靠协议 样，t c p 使用一个名为“带重传的肯定确认”的技术作为提高可靠性的基础。这项 技术要求接收方收到数据之后向源站回送确认a c k ( a c k n o w l e d g e m e n t ) 报文。发 送方对发出的每个分组都保存一份记录，在发送下一个分组之前等待确认信息。发 送方还在送出分组时启动一个定时器，并在定时器超时时而确认信息还没有到的情 况下重发刚才的分组。 t c p 协议使用序号对数据在流中的位置进行确认，接收方把到达的报文段中的 八位组重组为发送数据流的副本。因为报文段是封装在p 数据报中传输的，它们可 能丢失或乱序，接收方使用序号将报文段重新排序，在任何时候，接收方会重组从 数据流起点开始的零个或多个连续的八位组，但是也会因报文段的乱序到达而得到 附加的块。接收方应对已正确收到的数据流中最后收到的八位组进行确认。每个确 认给出一个序号，其值比最后收到的八位组的序号大1 ，这样发送方就能在不断发 送数据流的同时，从接收方得到连续的反馈信息。因此t c p 的确认信息指出了接收 方期望收到的下一个八位组的序号。 为了能保证数据到达目的地，t c p 协议还配合使用超时机制，每发出一个报文 段，t c p 就设定一个定时器并等待确认信息。如果在报文段中的数据未确认之前定 时器已超时，t c p 就认为该报文段已经丢失或出现损坏，从而重传这一报文段。这 样通过确认、超时、重传等机制，就完全保证了t c p 传输信息的可靠性。 在t c p i p 协议族中用户数据报协议u d p ( u s e r d a t a g r a m p r o t o c 0 1 ) 是传输层上 另一个重要的协议，它为应用程序之间提供面向无连接的、不可靠的数据报的传输 服务。u d p 的功能只是简单地将在主机之间交换的报文封装到报文的数据区， 以及检查数据校验和( c h e c k s u m ) 。而报文丢失、次序颠倒、流量控制和拥塞控制等 都需要在高层协议中解决。u d p 的简单和高效使得其实时性比t c p 要好，多媒体 数据传输一般通过u d p 传输。尤其是u d p 无连接特性可以方便地实施多播，对节 约带宽有非常重要的作用。但同样因为它是无连接的协议，对于多媒体数据传输所 需要的q o s 保证不利，主要表现在以下两点： 1 ) u d p 提供的是不可靠的数据报服务。这就意味着在用u d p 进行数据传送的 过程中，有可能发生数据报丢失。事实上，即便是在传输条件较好的局域网中，数 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章无线i p 网络的传输特性与数据流传输协议 弋，王。尸 iu d p 基于端口的i i多路分解i 圭 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章无线i p 刑络的传输特性与数据流传输协议 2 4 r t p 协议 1 9 9 6 年1 月i e t f ( i n t e r a c te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 提出了适合于实时数据传输 的r t p 协议，也就是r f c l 8 8 9 1 2 。r t p 用于在点到点通信( u n i c a s t ) 或多点广播 ( m u l t i c a s t ) 网络上传输音频、视频等具有实时特征的数据。它是一个独立于应用 程序的协议规范，在具体应用中有不同的独立规范。r t p 协议由两个紧密相关的部 分组成：r t p 数据协议和r t c p 控制协议。其中r t p 负责传输实时数据，而r t c p 协议则负责接收方和发送方交换控制信息以实现q o s 监测、会话中成员信息的交换 等功能。 2 4 1r t p 协议特性 当应用程序开始一个r t p 会话时将使用两个端口：一个给r t p 进行数据流的 传递，另一个给r t c p 进行控制流的传递。一个只管传递有效数据，另一个帮助监 视网络流量和阻塞情况为有效数据传递提供可靠保障。r t p 和r t c p 就像一对姐妹， 两者配合能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，特别适合于在i n t e m e t 及无线网络上传输实时数据。 ( 1 ) 协议简单灵活 r t p 协议是建立在u d p 协议上的，其本身不支持资源预留，不提供保证传输 质量任何机制。数据包也是依靠下层协议提供长度标识和长度限制。因此协议规定 相对简单得多，比如它的包头固定部分只有1 2 字节，所以开销小，有利于提供传输 效率。灵活性则是体现在把协议机制与控制策略的具体算法分开。协议本身只提供 完成实时传输的机制，对控制策略的有关算法实现不作具体规定。开发者可以根据 不同的应用环境，选择实现效率较高的算法与合适的控制策略。 ( 2 ) 协议独立性 r t p 的最初设计目标是i n t e m e t ，但它更倾向于发展成为独立于底层协议的传输 机制。r t p 协议一般建立在u d p 协议上，充分利用了u d p 协议的多路复用服务， 它也可以建立在其它的传输协议上，像a t m 、i p v 6 、a a l 5 等，所以r t p 具有很好 的独立性。 ( 3 ) 同步机制 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章无线i p 网络的传输特性与数据流传输协议 r t p 采用时间戳( t i m e s t a m p ) 来控制单一媒体数据流的同步，但它本身并不能 控制不同媒体数据流间的同步。若要实现不同数据流之间的同步，必须由应用程序 参与完成。 ( 4 ) 包传输路径回溯 r t p 中使用了混合器( 把多个视频流混合成一个视频流) 和翻译器( 网关或传 输路径上编码格式转换器) ，因此它提供了当分组到达信宿后进行包传输路径回溯的 机制，这种机制主要通过r t p 包头中的s s r c 和c s r c 域来完成。 ( 5 ) 可靠性和安全性 由于r t p 的设计目的是传输实时数据流，而不是可靠的数据流，因此它不提供 有关错误检测和包顺序监控的机制。r t p 协议在设计上考虑到安全功能，支持对数 据加密和身份鉴别认证功能。 2 4 2r t p 在协议层所处的位置 从实时传输协议r t p 名字来看，实时传输协议r t p 应该是传输层上的一层协 议。但实际上并不是这样，r t p 是一个轻型协议，它本身不提供数据传输的功能， 而是由底层的传输协议完成数据传输，一般情况下，利用u d p 进行，这样可以利用 u d p 的多路技术和数据校验服务，而多路技术对于控制报文的传输是非常必要的。 这表明r t p 的数据传输是面向无连接、无差错控制的报文传输，两个协议共同完成 了运输层协议的功能，如图2 3 所示，很好地说明了r t p 在协议层中所处的位置。 首先以r t p 协议标准把数据封装，再用u d p 协议进行对r t p 数据包进行封装，最 后由p 网络层封装为i p 数据包，进行传输。所以可以说r t p 协议是面向应用的一 个协议。 l 数据( r t p 载荷) l 【一 r t 映l 数据( r t p 载荷) l 1【一 图2 3r t p 数据的封装结构 1 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章无线i p 网络的传输特性与数据流传输协议 2 4 3r t p 协议的报文格式 r t p 包的固定头格式如图2 4 所示。 o123 v = 2p x c cmp t s e q u e n c en u m b e r t i m e s t a m p s y n c h r o n i z a t i o ns o u r c e ( s s r c ) i d e n t i f i e r 图2 4r t p 包头域格式 在r t p 数据包中，前1 2 字节存在于所有r t p 包中，c s r c 标志列表只在有混 合器( m i x e r ) 时才存在。各个字段的含义如下： v ( v e r s i o n ) 2 比特，版本号。目前定义其值为2 。 p ( p a d d i n g ) ：l 比特，填充位。如果置为1 ，表示净荷数据后面有填充字节， 填充字节的最后一个字节表示填充的字节数。当使用加密算法或将多个r t p 包封装 在低层协议时可能用到填充。 x ( e x t e n s i o n ) ：1 比特，扩展位。如果扩展位x 置为i ，表示在r t p 固定头 之后有一个头扩展。 c c ( c s r cc o u n t ) ：4 比特，贡献源数目。表示跟在r t p 固定头之后的贡献源 c s r c 的数目。 m ( m a k e r ) ：1 比特，标志位。一般由框