（通信与信息系统专业论文）移动广播组播系统中视频分层传输的带宽分配方案研究.pdf

摘要 摘要 随着3 g 无线网络技术的发展，用户希望通过无线网络获取的信息不再是简单的文 本或者语音信息，而是要包括高质量的视频信息。由于多媒体尤其是视频数据，传输时 所需的带宽往往大于网络所能提供的容量，同时无线网络的带宽资源又会随无线信道的 不稳定而波动。分层组播是异构网络无线环境下视频通信的有效手段，本文以广播组播 系统( b c m c s ) 为背景，对无线网络中的视频分层传输的带宽分配方案进行了研究和 仿真，主要工作如下： 归纳和总结了适合无线网络传输的视频编码方法、基于分层编码的视频组播技 术和不同的视频分层策略。 根据c d m a 2 0 0 0l x e v - d v 系统的协议和3 g p p 2 建议的系统仿真方案，利用o p n e t 仿真工具搭建了c d m a 2 0 0 01 x e v d v 广播组播系统的仿真平台，并建立了视频流 的业务模型。 在移动通信广播组播的视频分层传输中，无线带宽资源是有限的，因此迫切地 需要一种合理的带宽分配机制来分配带宽。本文结合用户接收带宽的限制 即接收机所能达到的最大接收速率、实际接收带宽和分层开销等因素，引入了 一个效用函数来反映用户的满意度，并用所有用户效用之和来表示系统的总效 用。从而，系统的带宽分配问题就转化为一个系统总效用的优化问题。本文在 前人提出的最优解法的基础上，提出了一个低复杂度的贪心算法。最后，通过 仿真对系统性能进行了分析比较 关键词：广播组播，分层视频组播，累积分层传输，可扩展分层编码，效用函数， 带宽分配。 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f3 gw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g i e s ，t h em e s s a g e sr e c e i v e db y u s e r st h r o u g hn e t w o r ka r en o to n l yi nt h es i m p l ef o r mo ft e x to rv o i c e ，b u ta l s oi n c l u d eh i 曲 q u a l i t yv i d e oi n f o r m a t i o n w h e nm u l t i m e d i a , e s p e c i a l l yt h ev i d e od a t a ，a r et r a n s m i t t e d ，t h e r e q u i r e db a n d w i d t hi sa l w a y sl a r g e rt h a nt h ec a p a c i t yp r o v i d e db yt h en e t w o r k m e a n w h i l e ， t h et o t a lb a n d w i d t hr e s o u r c ei nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa l w a y sf l u c t u a t e sw i t h t h e i n s t a b i l i t y o fw i r e l e s sc h a n n e l s l a y e r e dm u l t i c a s ti sa l le f f i c i e n tw a yf o rv i d e o c o m m u n i c a t i o ni nt h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ，a n dt h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ha n d s i m u l a t i o no fb a n d w i d t ha l l o c a t i o ns c h e m e sf o rt h ev i d e ol a y e r e dt r a n s m i s s i o ni nt h ew i r e l e s s n e t w o r k so nt h eb a s i so f t h eb c m c s s y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： s u m m a r i z et h ec o d i n gs c h e m e ss u i t a b l ef o rt h ev i d e ot r a n s m i s s i o ni nt h ew i r e l e s s n e t w o r k ，t h ev i d e om u l t i c a s tt e c h n o l o g i e sb a s e do nt h el a y e r e dc o d i n ga n dd i f f e r e n t l a y e r i n gs c h e m e s b ye m p l o y i n gt h es i m u l a t i o nt o o lo p n e t , t h es i m u l a t i o np l a t f o r mo ft h ec d m a 2 0 0 0 l x e v - d vb r o a d c a s ta n dm u l t i c a s ts e r v i c e si sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ep r o t o c o l so f c d m a 2 0 0 0l x e v - d vs y s t e ma n dt h es y s t e ms i m u l a t i o nm e t h o d o l o g yp r o p o s e db y 3 g p p 2 i nt h ew i r e l e s sv i d e ob r o a d c a s t i n gs y s t e mf o rt h ev i d e ol a y e r e dt r a n s m i s s i o n t h e b a n d w i d t hr e s o u r c ei sl i m i t e d ；t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h eb a n d w i d t h a l l o c a t i o ns c h e m e s t h i sp a p e ri n t r o d u c e sau t i l i t yf u n c t i o nf o re a c hr e c e i v e r , w h i c h r e f l e c t st h e i rd e g r e eo fs a t i s f a c t i o n t h e r e f o r e ，t h eb a n d w i d t ha l l o c a t i o np r o b l e m ( a m o n gs e s s i o n sa n dl a y e r s ) c a nb ef o r m u l a t e di n t oa no p t i m i z a t i o np r o b l e mo f m a x i m i z i n gt h et o t a ls y s t e mu t i l i z a t i o n f i r s t l y , t h eo p t i m a ls o l u t i o ni sg i v e n , a n d t h e nag r e e d ya l g o r i t h mi sp r o p o s e dt os o l v et h i sb a n d w i d t ha l l o c a t i o np r o b l e mw i t h l o wc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t y f i n a l l y , t h r o u g hs i m u l a t i o n , w ea n a l y z ea n dc o m p a r e t 1 1 es y s t e mp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：b r o a d c a s ta n dm u l t i c a s t , l a y e r e dv i d e om u l t i c a s t ，c u m u l a t i v el a y e r i n g t r a n s m i s s i o n ，l a y e r e dm u l t i c a s t ，s c a l a b l el a y e r e dc o d i n g ，u t i l i t yf u n c t i o n , b a n d w i d t h a l l o c a t i o n 插图目录 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图4 1 插图目录 视频编码端 视频解码端 分层视频编码 时域可扩展性分层编码 空域可扩展性分层编码示意图。 m p e g - 4 中的质量可扩展性编码 单播方式框图 组播方式框图 单视频流组播原理图 分层组播模型 网络参考模型 广播协议栈 仿真系统中的基本网络实体的交互 b c m c s 仿真平台的网络模型。 b c m c sc o n t e n ts e r v e r 节点模型 b c m c sc o n t r o l l e r 节点模型 b s n 节点模型 b s c 节点模型 m s 节点模型 分为三个层次的业务模型。 近似实时视频业务模型 生成近似实时视频业务模型数据包的流程图 各类应用的效用函数曲线一 9 1 0 1 3 1 3 1 5 1 7 3 1 3 6 3 8 3 9 4 0 4 2 。4 2 4 3 东南大学硕士学位论文 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 m p e g 2 应用的满意度曲线4 9 从有线终端向移动终端传送可分级视频的结构5 1 视频会话带宽与用户接收带宽的关系示意图5 1 不同分层开销下最优算法随最大带宽变化的会话效用6 3 不同分层开销下贪心算法随最大带宽变化的会话效用6 3 不同分层开销下最优算法随层数变化的会话效用6 4 不同分层开销下贪心算法随层数变化的会话效用6 5 不同会话带宽下最优算法随层数变化的会话效用( h = i ) 6 5 用户带宽服从1 ，3 0 1 的均匀分布，各层的分配带宽分布6 6 用户带宽服从f 1 5 ，5 2 1 的正态分布，各层的带宽分布6 7 用户带宽服从均匀分布，贪心算法下接收用户的效用。6 7 用户带宽服从( 1 5 ，5 2 ) 正态分布，贪心算法下接收用户的效用 6 8 不同分层开销下指数法随最大带宽变化的会话效用6 9 三种算法下会话效用随层数变化的比较( 会话带宽为3 0 ) 6 9 三种算法下会话效用随层数变化的比较( 会话带宽为2 0 ) 7 0 三种算法下会话效用随层数变化的比较( 会话带宽为1 0 ) 7 0 三种算法下，会话效用随会话分配到的带宽变化的比较( h = 0 ，l = 5 ) 7 1 三种算法下，会话效用随会话分配到的带宽变化的比较( 危= 1 。五= 5 ) 7 1 四种方案的系统效用比较7 2 表格目录 表格目录 表3 i b c m c s _ s o u r c e _ f l o w 各包域的含义 表3 2b c m c s _ s u b s c r i b e - h 哟各包域的含义 表3 3b c m c s _ a u t h o r i z c _ i n f o 各包域的含义 表3 4 表3 5 表3 6 表3 7 b c m c s _ r e g i s t c r _ i n f o 各包域的含义 b c m c sb u i l t _ _ b e a t e r 各包域的含义 b c m c s _ l a y e r _ f l o w d 各包域的含义 b c m c s _ d e r e g i s t e r _ i n f o 包各域的含义 表3 g b c m c s _ r e l e a s e b e a 耐各包域的含义 表3 9 仿真基本参数设置 表3 1 0 近似实时视频业务模型的参数 3 2 3 3 3 4 3 4 3 5 3 5 表4 1 效用函数不同情况下最优算法和贪心算法的每层带宽分配6 2 表格目录 3 g 3 g p p a a a b a k b c m c s b s b s c b s n b s p m b t s c d m a d c t f c s f g s h a l m h d l c ) c t m i q l c m m a c m b m s 旺，d a 口e g 缩略语 田1 e3 r dg e n e r a t i o n 啊1 e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e rp r o j e c t a u t h e n t i c a t i o n , a u t h o r i z a t i o na n da c c o u n t i n g b r o a d c a s ta c e s sk e y b r o a d c a s ta n dm u l t i c a s ts e r v i c e s b a s es t a t i o n b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r b r o a d c a s ts e r v i n gn o d e b r o a d c a s ts e r v i c ep a r a m e t e rm e s s a g e b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r l l l f r a m ec h e c ks e q u e n c e f i n e g r a n u l a rs c a l a b i l i t y h y b r i da d a p t a t i o nl a y e r e dm u l t i c a s t h i g h - l e v e ld a t al i n kc o n t r o l i n v e r s ed i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m i n t e r a c tp r o t o c o l i n v e r s eq u a n t i z a t i o n l o n gc o d em a s k m e d i aa c c e s sc o n t r o l m u l t i m e d i ab r o a d c a s t m u l t i c a s ts e r v i c e m u l t i c a s t l o s s - d e l a y b a s e d a d a p t a t i o n a l g o r i t h m m o v i n gp i c t u r ee x p e r tg r o u p 第三代移动通信 第三代合作组织 鉴权、授权和计费 广播存取键 广播多播业务 基站 基站控制器 广播服务节点 广播业务参数消息 基站收发子系统 码分多址 离散余弦变换 帧校验序列 精细分级 混合自适应分层组播 高级数据链路控制协议 离散余弦反变换 网际协议 逆量化 长码掩码 媒体接入控制 多媒体广播组播业务 基于丢失延迟的自适应算 法 活动图像专家小组 查童查兰璺主兰垡垒茎 m rm u k i c a s tr o u t e r多播路由器 m sm o b i l es t a t i o n 移动台 m s c m o b i l es w i t hc e n t e r移动交换中心 o t ao v e rt h ea i r无线方式 p c f p a c k e tc o n t r o lf u n c t i o n分组数据控制功能 p d s np a c k e td a t as e r v i n gn o d e分组数据服务节点 p f g s p r o g r e s s i v ef i n eg r a n u l a r i t ys c a l a b l e 渐进式精细分级 p p p p o i n t - t o p o i n tp r o t o c o l 点到点协议 p s n r p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o 峰值信噪比 q o sq u a l 毋o fs e r v i c e 服务质量 r a nr a d i oa c c e s sn e t w o r k 无线接入网 r l cr e c e i v e 卜d r i v e nl a y e r e dc o n g e s t i o nc o n t r o l接收方驱动分层拥塞控制 r l mr e c e i v e r - d r i v e nl a y e r e dm u h i c a s t 接收方驱动分层组播 r k r e g i s t r a t i o nk e y 注册密钥 s m ss h o r tm e s s a g es e r v i c e 短消息业务 s k s h o r t - t e r mk e y 短密钥 s v cs c a l a b l ev i d e oc o d i n g 可扩展性视频编码 u d p u s e rd a 协笋锄p r o t o c o l 用户数据包协议 u i mu s e ri d e m i t ym o d u l e用户识别模块 u f u t i l i t yf u n c t i o n 效用函数 v l c v a r i a b l el e n g t hc o d i n g可变长编码 v l dv a r i a b l el e n g t hd e c o d i n g可变长解码 w a p w i r e l e s sa c e s sp r o t o c o l无线接入协议 w c d m aw i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s宽带码分多址接入 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，也不包含为获得东南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。 签名虹 关于学位论文使用授权的声明 东南大学、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稻一致。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) 授权东南大学研究生院办理。 签名 第1 章绪论 第1 章绪论 近年来，随着信息技术的发展、社会的进步以及人类对信息的需求水平越来越高， 传统无线通信业务已不能满足人们对信息的需要，人们希望无论何时何地，都能够方便、 快捷、灵活地通过声音、图像和数据等多种方式进行通信。以数据和多媒体业务为主， 在无线终端上向用户提供多种具有不同服务质量和内容的服务，正是未来无线通信发展 的方向。 本章首先简要地介绍了移动通信广播组播系统，相关的视频传输技术背景以及无线 网络中分层视频传输带宽分配面临的问题和主要解决方案，最后总结了本论文的主要工 作。 1 1 移动通信广播组播系统概述 随着多媒体业务的不断涌现，有些移动多媒体业务要求多个用户能同时接收相同的 数据或要求多方同时进行多媒体信息交流，如视频点播、电视广播、视频会议、网上教 育和互动游戏等，这些业务都具有多对多的特征。为了有效地利用宝贵的无线网络资源， 这就需要在移动网络中提供一个数据源向多个用户发送数据的点到多点服务，实现网络 资源的共享，提高网络资源( 尤其是空口接口资源) 利用率。 为了充分利用带宽，使得类似电视节目的视频广播服务能够更有效地在移动通信网 络中传输，3 g p p 提出了多媒体广播和组播业务( m u 城m e d i a b r o a d c a s t m u l f i c a s ts e r v i c e ， m b m s ) ，3 0 p p 2 则提出了广播和组播业务( b r o a d c a s ta n dm u l t i c a s ts e r v i c e ，b c m c s ) 。 虽然英文缩写不同，但对用户来说是同一种业务。 广播业务是指在预定的业务区内为多个用户发送信息，目标小区中的所有用户都可 以接收广播的信息。组播业务，也称多播业务，指为一个特定的用户群组发送信息，这 些用户可以处于同一小区内，也可以处于不同的区域，只要是群组中的成员都可以接收 组播的信息。 组播技术在有线m 网中已经很成熟。由于移动网络在无线侧具有特定的网络结构、 功能实体和无线接口，要实现组播功能就要解决无线终端群组的管理和维护、无线寻址 问题，就必须在现有的网络结构中增加新的网络单元，对原有的功能实体和接口协议进 东南大学硕士学位论文 行修改，实现空口资源的共享，这些都是与有线网不同的。最核心的区别在于有线网络 终端是固定的；而无线网络终端是移动的，关键是要根据不断移动终端的位置，准确地 将要广播的内容发送给终端。 3 g p p 对m b m s 的标准化工作基本完成，这项业务是w c d m ar 6 版本中的可选业务。 标准包括：m b m s 的业务需求、结构和功能描述；接入网和核心网的各个接口协议和消 息流程；m b m s 的业务流程等。 3 g p p 2 对b c m c s 的研究也很活跃，但标准化工作相对滞后，b c m c s 功能可以应用 于e v - d o 网络和e v - d v 网络，现在人们也在研究将其应用在c d m a 2 0 0 0l x 网络。2 0 0 4 年1 月形成了一个基本框架，主要对业务功能、业务需求和计费需求进行了框架性定义，目 前正在对其完善。同时对核心网、接入网的各个接口协议和消息流程也在进行定义和完 善，对各个网络实体的相关功能实现进行定义，对安全性进行最后的修订。 1 2 移动通信广播组播系统中的视频传输技术 视频业务是多媒体数据业务的重要组成部分，也是第三代移动通信( 3 g ) 的核心技术 之一以及超越2 6 2 5 g 移动通信服务的主要增长点。随着更多的网络带宽可以被利用和 数字压缩技术的进步，人们很自然想到把这两种新兴的技术融合在一起，因此无线视频 的编码与传输技术也成为当前多媒体通信领域的主要研究内容。 视频文件数据量极大，要求服务器具备海量存储的能力和高效的数据处理能力。网 上视音频广播所需的高数据传输率和大量并发性访问还要求网络具有高的带宽，因此高 效的压缩算法成为推动多媒体业务快速发展的直接动力。同时随着近几年面向网络应用 的视频服务的飞速增长，视频编码的目标由单纯的追求高压缩率转向了使视频流能够更 好地适应各种不同的网络环境和用户终端，并具有一定的容错性和可扩展性。目前，解 决这一问题的最好方法就是利用可扩展性视频编码( s v c ，s c a l a b l e v i d e o c o d i n g ) 。 m p e g 4 提供了灵活的视频编码策略，这些策略包括对编码图像时间分辨率、空间 分辨率和解码图像信噪比的控制，通过分级编码方式，单独的基本层可以获得基本的视 频服务，加入增强层的信息来获得更高或者完全的视频服务质量。分级编码主要是为了 适应不同的传输和存储媒体带宽的需要，为信号传输提供了灵活性，以期对信道资源的 合理利用。 另一方面，实现视频广播组播最急需解决的问题就是带宽问题，包括无线网络的带 宽、用户端的接收带宽限制以及服务器的处理速度。带宽限制造成用户收看网上视频广 2 第1 章绪论 播的图像质量急剧下降，画面马赛克现象明显，图像时断时续，有时甚至令人难以忍受。 带宽也限制了同一时间内点播的用户数，影响视频广播组播的推广和使用。因此，如何 在无线网络环境中利用有限的带宽资源来高效地传输视频业务成为人们的研究热点。 在移动广播组播系统中，终端的处理能力和用户的要求是有区别的，所以还存在网 络的异构性问题。用户可能要求接收不同帧速率的视频，也可能要求接收不同帧大小的 视频。因此，在这种情况下，要满足尽量多的在线用户要求，必须针对用户的具体能力， 分别传送具有一定质量( 视频窗口大小、帧速率、数据量) 的视频信号。 在有人提出利用组播方式分别传送分层的编码数据流之后，分层组播传送引起了人 们广泛的注意，成为解决视频广播中异构问题的有效方法。分层组播是以视频的分层编 码为基础，而分层编码则是可扩展性编码的一种实现。视频的可扩展性是将编码数据分 成几层，每层对应于不同分辨率的相应信息。解码器根据网络带宽能力或应用的不同， 选择其中的一层或几层进行解码，从而重建不同分辨率的图像。这一特性对于许多视频 应用是可取的，尤其是在多点传输环境中更显重要。 分层组播是在发送端将要传输的数据进行分级编码，将其分为一个基础层和一个或 多个增强层。其中，基础层为每个接收者必需接收的数据，增强层则用来提高接收者所 接接收的媒体质量，基础层和增强层的数据都通过不同的组播组传输，接收者根据自己 与发送端之间的路径的可用带宽情况，选择加入或离开一些增强层。用户可以收到的视 频流层数越多，得到的视频数据量就越大，从而恢复出来的视频质量也越高。因此分层 组播的思想能在各种不同的网络路径之间灵活的利用可用带宽，在视频传输中得到广泛 的应用。 分层组播同时满足了用户端和网络端的要求。从用户端来看，只有自己需要( 或自 已有能力处理) 的数据发送到本地，不会出现大量数据阻塞网络的情况；而如果自己有 更多的带宽资源，就可以加入更多的通道，并得到更高质量的视频。从网络传输系统来 看，只有一路逻辑视频流( 所有视频层次的组合) 在网络的各个部分传输，且所有用户 接收到的数据都是有用的，因此这又满足了网络传输对效率的要求。 1 3 分层视频传输中的带宽分配 宽带无线网络的出现使得人们对在无线网络上进行视频传输产生了极大的兴趣。但 是，在无线环境中实时传输高质量的视频面临着巨大的挑战，主要原因如下： 3 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 带宽波动 无线信道的吞吐量会因为多径衰落、时延扩展、噪声影响和多址干扰等原因而降低， 而无线信道的容量也会随着基站与移动主机之间距离的变化而波动。当移动终端在不同 两络间移动时，信道带宽往往会发生剧烈的变化。 ( 2 ) 信道带宽资源有限 无线网络的信道带宽资源非常有限，而视频业务对实时性有严格的要求，需要网络 为视频流传输提供足够的带宽。为了能在有限的网络带宽中传输海量的视频数据，必须 对其进行高效的压缩。因此，面向无线通信环境的视频编码方法不仅应该具有高效的压 缩能力，还需要进行码率控制，使得编码输出的码率能与信道带宽有效匹配。 ( 3 ) 信道误码率高 与有线网络相比，无线信道的噪声很大。无线网络的时变特性与噪声影响常常使传 输的可靠性大为降低，所以在无线传输中经常会出现连续的、突发性的传输错误，导致 较高的无线信道误码率。而高度压缩后的视频码流之间存在很强的相关性，因此对传输 时所产生的误码非常敏感，一旦发生了误码，不仅影响该误码数据的恢复，还会影响与 之相关的其它数据的恢复，造成“误码扩散”，使恢复出来的信号面目全非，从而对重 建的视频质量有着破坏性的影响。因此，为了提高视频传输的可靠性，必须设计可以有 效抗信道误码的差错控制机制。 ( 4 ) 用户终端设备简单 手持无线终端( 手机、无线p d a 等) 是无线移动接入中使用的主要终端设备。对于 这类简易终端来说，由于追求移动性、方便性、低功耗和低成本，其处理与显示能力与 台式机、笔记本电脑相比均受到很大限制。因此，用户终端设备简单的特点对视频压缩 编码算法的复杂度提出了严格的要求。 ( 5 ) 用户的异构性 用户的异构性分为两种情况：用户接收设备的异构性和用户对服务质量、内容需求 的异构性。受到个人兴趣爱好、显示设备等各种因素的影响，每个用户对视频的显示尺 寸、质量、帧率等有着不同的需求，而不同移动终端的功率、带宽的受限程度也不尽相 同。用户的异构性使得设计一个高效的视频传输系统变得非常困难。 解决以上问题的关键技术之一就是基于分层编码的组播技术。分层编码是通过编解 码器和视频分层传输机制具体表现出来。分层视频编码器是将完整的视频信息编码为基 本层视频流和增强层视频流。在传输过程中，基本层视频数据流被分配到高优先级的传 4 第1 章绪论 输信道进行发送，而增强层视频数据流贝采用优先级相对基本层较低的传输信道进行发 送；网络力图发送所有高优先级的基本层视频数据包。在网络资源波动较大，出现拥塞 的情况下，网络会首先丢弃那些优先级相对较低的增强层数据包，以确保基本层数据包 的正常发送。对于分层视频解码器优先解码基本层视频信息这一特性来说，当用户对视 频质量要求不高的情况下，完全可以不对增强层数据包进行解码，因此可以满足不同用 户的需求。 如果系统能够提供更多的视频流层次，且用户可以根据自己的带宽资源和计算资源 等，自由选择这些层次的组合，并恢复成为时间或者空间可选的分辨率，这样系统就能 够同时适应更多用户的需求。 尽管分层编码是在无线环境下传输广播视频业务的有效方法，但仍然存在一些重要 的问题需要解决。首先，在不同的视频节目即视频会话之间迫切地需要一种合理有效的 带宽分配杌制。在无线网络中，不同视频节目之间共享的总带宽资源是有限的。最直接 明了的一种方法就是将总带宽资源平均分配给所有的视频节目。但这样的方法并不合 理，因为不同的视频会话的重要程度是不同的，所以必须区别对待。比如，一个受欢迎 程度比较高的视频会话，订阅的用户也就比较多，因此必须比订阅用户较少的会话分配 到更多的带宽资源，这样才能获取更好的视频质量。 其次，对于带宽预算已经给定的单个视频会话而言，还需要确定该会话的分层结构。 例如，该会话应该生成的视频层次数目以及每层应该分配多少带宽资源，这些问题都有 待解决。在解决上述问题的同时，还需要考虑一些实际问题。首先是分层开销，在单个 会话分配的带宽确定后，层数越多意味着每层分配到的带宽越少，因而接收端就能获得 更精细的自适应视频质量。但随着层次的增加也会带来一个问题，那就是更多的分层意 味着较大的分层开销，这些开销是由视频编码和传输引起的。所以盲目增加层数反而会 抵消提高的精细度。另一方面，在一个典型的无线广播组播系统中，用户的接收能力通 常不是服从均匀分布的。这是由于接收用户一般都是使用遵循某种标准的无线接口。所 以，如果层次与层次之间的带宽分配可以利用这个特性，接受用户自身的处理能力与分 配到的带宽之间的不匹配程度就会大大减小，从而提高接收端的性能。 总之，一个好的带宽分配方法，可以大大提高系统中接收端、发送端和网络传输的 工作效率，从而为无线视频广播的发展打下良好的基础。 5 东南大学硕士学位论文 1 4 论文的主要工作和内容安排 本文结合无线网络中视频传输技术中的分层编码技术和组播技术，根据移动广播组 播系统( b c m c s ) 的网络构架和工作原理搭建了相应的仿真平台，进一步研究了无线 环境下能够同时适应更多用户需求的视频传输的带宽分配问题。概括而言，本文进行了 以下几个方面的研究： 归纳和总结了适合无线网络视频传输编码方法，包括传统编码技术，可分级视频编 码的基本概念、特性和分类。在视频组播技术部分介绍了视频通信的播放模式，常见的 视频组播技术和无线视频的分层和资源分配，这方面的工作具有一定的理论意义。 为了评估各类无线资源管理算法的性能，必须建立一个和实际无线环境相符的仿真 环境以及对业务模型进行合理的建模。本文首先归纳和整理了c d m a 2 0 0 0l x e v - d v 广播 组播系统的理论知识，包括其网络结构、基本的工作原理、信令设计和协议栈。然后根 据c d m a 2 0 0 0l x e v - d v 系统的协议和3 g p p 2 建议的系统仿真方案，利用0 嘲仿真工具 搭建了b c m c s 的仿真平台和视频流的业务模型。本文将其应用于无线视频传输算法的 仿真，并通过实例验证了该仿真平台的有效性。 在无线视频广播组播系统中，分层传输不仅能有效利用带宽，而且针对网络的异构 性，能够同时满足众多接收方的不同服务质量要求，不同接收方还具有不同的处理能力。 除此以外，在同一视频组播会话的接收方之间存在公平性问题外，不同会话之间也存在 公平性问题。该问题是由某特定组播视频会话与网络中其它会话流的相互作用引起的。 为实现网络资源在不同会话问的公平共享，需要在网络中和视频组播协议中实现一定的 共享机制。本文系统研究了视频广播组播系统中的视频会话之间和层次之间的带宽分配 问题，充分利用了视频编码器的灵活性和动态性来满足接收端各种各样的要求，重点研 究了如何评价系统的资源分配的有效性并对其进行优化的问题。特别地引入了一种衡量 尺度“效用”对应用的满意度进行度量，提出了一种效用最优的层带宽分配算法。并通 过推理证明得出了一个求解途径，接着根据求解途径在最优算法的基础上提出了一个复 杂度较低的贪心算法，最后对这两种算法在特定的网络环境中进行了实验仿真，并对仿 真结果进行了比较分析。 本文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章绪论，概括介绍了移动通信中广播组播系统以及视频传输技术，论文的主要 工作和内容安排，为后续章节的研究作了必要的铺垫。 6 第1 章绪论 第二章归纳和总结了无线广播组播系统中的分层视频传输技术及其带宽资源的分 配，主要对论文涉及的各种技术发展状况作简要的介绍。其中包括视频传输的编码方法、 视频组播技术和在视频分层的资源分配机制，为阐述后面的论文主要工作打下理论基 础。 第三章简要介绍了移动广播组播系统的网络构架，工作原理和信令设计，然后介绍 了c d m a 2 0 0 0l x e v - d v 广播组播系统的仿真平台的基本流程设计，网络和节点模型以及 视频流业务的模型。 第四章在前人研究工作的基础上，根据已有的分层传输机制，针对无线网络的特点， 本文为每个用户引入了一个反映其满意度的效用函数而解决了如何对系统的带宽资源 进行最优分配的问题。在此基础上，还另外提出了一个降低计算复杂度的贪心算法。最 后通过仿真对实验结果进行了比较和分析。 第五章对论文的全部工作进行了总结，并讨论了今后需深入研究的方向。 7 第2 章分层视频传输技术及其带宽资源分配 第2 章分层视频传输技术及其带宽资源分配 本章首先简单介绍了视频流传输的传统编码方法和具有适应性的可分级编码方法。 接着讨论了视频通信中的播放模式和常见的视频组播技术。最后在此基础上，讨论了移 动广播组播系统中视频业务的分层策略和相应的带宽分配。 2 1 视频传输的编码方法 作为视频传输系统的最前端，视频编码的研究非常关键。如果传输的码流本身就具 有一定的适应带宽交化的能力，有一定的抗错误能力，那么系统的实现将变得相对简单。 这节主要介绍了以压缩数据率为目标的传统视频编码方式和适应网络传输的可分级 视频编码的特点和分类。 2 1 1 传统视频编码 视频编码的一个主要目的是在保证一定重构质量的前提下，以尽量少的比特数来表 征信息。在传统视频编码方案中，编码端只产生单一的压缩比特流，解码端对该比特流 进行解码就可以获得原始视频流。 图2 1 和图2 ，2 和别是传统视频编码方案中的编码、解码端框架： 原始视频一 二三三 - 二三二二 _ _ - 二至卜压缩比特流 d c t ：离散余弦变换 q ：量化 v l c ：变长编码 图2 1 视频编码端 9 东南大学硕士学位论文 压缩比特流， 二至三 l ( 二至二 一- 二垂i ! 一解码后比特流 v l d ：可变长解码 i q ：逆量化 d c t ：离散余弦反交换 图2 2 视频解码端 传统视频编码技术并未考虑信息接收者的主观特性，也不关心视频信息的具体含义 和重要程度等，只是力图去除数据冗余，所以这是一种低层次的编码技术。由于需要解 码完整的比特流，因此就不具备可扩展性，从而编码后的视频流就不能适应网络的动态 变化。比如，当带宽波动出现捅塞时，视频接收质量可能急剧下降，甚至无法接受；当 信道噪声干扰，衰落增强时，出现大量的数据丢弃，导致视频质量严重损失。所以说， 传统的视频编码是面向存储的，主要以提高压缩效率为目的，因此并不适合传输。 2 1 2 可分级视频编码 为了在时变、带宽受限的无线网络中高效地传输视频，视频编码需要对算法的复杂 度、压缩效率、容错能力、可扩展能力等方面做综合的考虑。适合网络传输的视频编码 方法具有以下特点：一、必须能适应网络带宽的动态变化，实现码率可扩展；二、能满 足终端在处理能力、显示尺寸等方面存在异构性的要求，实现复杂度可扩展；三、能根 据用户在显示尺寸、帧率、质量等方面的个性化要求，实现空间、时间、质量等可扩展。 由此可见，传统的视频编码并不是面向传输的，所以需要发展一种面向传输的视频 编码，这就是可分级编码。可分级性的定义是指“通过仅解码一部分压缩比特流物理地 恢复有意义的图像或视频信息的能力”。这种能力使得可分级码流能提供对交化带宽的 适应性，对变化信道误差特征的适应性，以及对接收终端能力的适应性。编码器产生一 个部分可解码的压缩比特流。与解码全部比特流相比，压缩比特流的部分解码会产生降 质的图像，或较小的图像尺寸，或较小的帧率。与此相对照，不可分级视频对带宽波动 更为敏感，因为它不能令视频表示适应带宽的变化。因此，可分级视频更适合在无线环 境下应付无线信道的波动。 可分级编码主要包括多描述编码和可扩展分层编码。本文主要讨论可扩展分层编码 ( s c a l a b l el a y e r e dc o d i n g ) 。 1 0 第2 章分层视频传输技术及其带宽资豫分配 在可扩展分层编码方案中，原始视频流被压缩至多个压缩层码流( s u b s t r e a m s ) ，其中 一层是基本层码流( b a s es u b s t r e a m ) ，可以被独立解码，提供基本的视频质量保证。另 外的是增强层码流，必须和基本层一起解码，提供增强的细节上的视频质量。所有的层 会聚起来提供高质量的视频。如果我们要得到最佳的视频解码效果，必须对所有比特流 ( 基本层和增强层) 进行解码还原，当视频信息在网络传输过程中出现比特流丢失，那 么解码效果将根据比特流的丢失程度，引起相应的视频质量劣化。 这样当采用可扩展分层编码时，传输视频流就可以通过增加或者减少层的数量( 每 一层代表一定的码率范围) 来实时调整码率，以适应不同网络环境下网络带宽所发生的 变化，避免拥塞，特别适用于网络传输。所以说可扩展分层编码在一定程度上( 带宽波 动范围在码率可调整范围之内时) 具有抗网络带宽波动的能力，有效地为我们提供了一 个在异构网络环境中，在出现网络拥塞的情况下，动态实现视频有效编码与传输的解决 途径。 图2 3 简要描述了分层视频编码的工作原理，假定将原始视频输入信息进行两层编 码，每一层所能提供的视频清晰度不同，以使解码器可以根据需要实现多级别视频清晰 度的显示。 。 增强层比增强层比 特流 特流 图2 3 分屡视频编码 出 出 可扩展分层编码按照调整码率方法的不同主要分为三种：时域可扩展性、空域可扩 展性和质量可扩展性。其中质量可扩展性的视频质量也是用峰值信噪比( p s n r ) 来衡 量的。 东南大学硕士学位论文 ( 一) 时域可扩展性( t e m p o r a ls c a l a