（通信与信息系统专业论文）用于提高视频qos的视频流处理技术研究.pdf

摘要 视频是未来网络上的重要应用之一，它具有流量大、突发度高，需要严格 的q o s 保障等特性。有效的流量管理使得网络技术过于复杂( 如a t m 网络) ， 简单的网络协议却很难同时保证视频业务q o s 和网络资源有效利用率。因此， 研究提高网络的视频业务服务质量的视频流处理技术。具有重要的理论意义和 实际应用价值。 视频流处理技术将复杂的流量处理和控制功能移动到网络边缘或移动到终 端系统去实现，降低流量突发性，保证进入网络的业务流具有一定的确定性， 以优化网络的整体服务质量。网络边缘或终端系统的视频流平滑技术是减少视 频带宽变化性的一个很自然的途径，可明显改善网络利用率。 本文第一章阐述视频业务q o s 技术的各个方面，给出本文研究重点。 第二章研究m p e g 视频业务特性着重对m p e g 压缩视频的复用方式进行 分类，并研究各种复用方式下m p e g 视频统计复用的性能，揭示了m p e g 视频 g o p 同步复用增益最小，而使同类型帧重叠最少的复用方式增益最大帧内和 g o p 内速率平滑技术对统计复用育明显的影响。【本章还特别阐述了视频业务的 自相似性，检验了通用自相似模型对m p e g 视频业务的有效带宽计算的偏差尸“ 第三章对实时性v b rm p e g 视频业务平滑作了深入研究提出实时性 m p e g 视频在图片组( g o p ) 内平滑已接近最佳平滑的观点，并推导了图片组 内平滑的上限速率和下限速率公式，设计了选择厩佳速率的算法。仿真实验表 明，在业务预测误差较小时，本文算法与同类算法性能相同，而在业务预测不 十分准确时( 实际应用环境) ，本文算法的性能优于同类算法，更接近理想算法 的性能。 第四章对存储视频业务平滑作了研究对文献上的典型平滑算法进行了对 比，提出了一种改进算法p c r t + ，以达到运算复杂度低、满足缓冲器容量限 制而平滑效果较好的目的。f 总的来讲，存储类视频数据特点已知并且允许有一 l 定的起始延迟，其平滑算法可以取得比实时性视频好得多的平滑效果，但大多 数平滑算法运算复杂度高，不利于应用。p c r t t 和p c r t t + 算法，在能取得较 p 好平滑效果的同时，是所有算法中运算复杂度最低的算法，有更好的应用前景百 第五章中，我们对聚台视频流在广域网( w a n ) 上共享信道传输平滑闯题， 提出了共享缓冲器平滑方案，并给出十分简单有效的在共享缓冲器平滑方案下 视频流的分配算法，与文献上其他方案比较，聚合流的共享缓冲器平滑方案有 效并计算简单，满足实时计算的要求。作为聚合流共享缓冲器平滑方案应用的 一个实例，本章设计了它在v o d 系统中的应用，通过在v o d 系统中增加代理 服务器的方法，实现聚台流平滑传输，该方案整体代价低。 r 【无线接入网由于容量、功率等限制，和信道高误码、终端移动性等特点， 对业务提供的带宽有限和误码率较高，视频编码方案中必须使用差错控制技术。 本文第六章，对将在第三代( 3 g ) 移动通信系统中使用的视频编码方案进行了 介绍，并分析和仿真评估了方案中各种差错控制技术的性能，确定了适合3 g 、 系统多媒体移动终端的视频编码方案。、d 关键词：视频业务，服务质量( 母视频流处理流量平滑，差错恢复 a b s t r a c t v i d e os i 誓 v i c p sa 糟e x p e c t e dt ob eo n eo ft h ei m p o r t a n t a l p p l i e a t i o n ss u p p o r t e db y t h el r l c ：x t g e n e r a t i o nn e t w o r k s t h ev i d e ot 捌畸ci sh i g l lb u r s t y 8 0t h a te f f i c i e n tv i d e o 倘c m a n a g e m e n t m a d en e t w o r k l f l l o l 七c o m p l i c a t e ds u c h a sa t mn e t w o r kd o e s b u t s i m p l ep r o t o c o lc a l ln o tp r o v i d eg u a r a n t e e dq o sa n de f f i c i e n tn e t w o r ku t i l i z a t i o n s i m u l t a n e o u s l y s oc o s t - e f f i c i e n tv i d e os t r p i m ap r o c e s s i n gt e c h n i q u e sf o ri m p r o v i n g n e t w o 口r ku d l i z a d o nw i t hg u a r a n t e e dq o si sv e r yi m p o r t a n ta n d w o r t h y v i d e o - s t r e a mp r o c e s s i n gt e c h n i q u e si r l o y t ! t h ec o m p l e xl i a 伍cs h a p i n gf u n c t i o n s t ob o u n d a r yn e t w o r ko r e n d - s y s t e m t h a tb r i n g , 1 tm o l ts m o o t ht i a l - 匝ct oc ：o l en e t w o r k s t h ev i d e os m o o t h i n gt e c h n i q u e sc a l lr e d u c et h eb a n d w i d t hv a r i a n c e ，i m p r o v et h e n e t w o r ku t i l i z a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n m yf i r s ts t u d yi sf o c u s0 1 1t h ef e a t u r e so fm p e gv i d e o 姐m c w e c l a s s i f yt h em p e g v i d e om u l t i p l e xm o d e a n df o u n dt h eo v e r l a po f l e $ a l l t y p e f l a 2 l l = ，s u c h a si o fp - f r a m e ，c o u l dc a 嘴s e r i o u sd e g r a d a t i o n si nm t f l t i p l i ! x e l r r 耐o r m a n e e t h er a t es m o o t h i n gi ng o pp a t t e r no fm p e gs e x l u e n e ei m p r o v e st h e e f f i c i e n c yo fm u l t i p l e x h e r ew e a l s oc h e e kt h ef b ms e l f - s i m i l a rm o d e l 衙m p f _ , g v i d e o i nc h a p t e rt h r e e 8 f t e l a n a l y z i n gt h ee l a 鲫 a c t e r i s t i e so fm p e gv i d e o m l r c e sa n d t h ed e l a yc o n s t r a i no fr e a l - t i m ev b rs e r v i c e ，a l li d e ai sp r o p o s e dw h i c ht h em p e g v i d e os o u r c es m o o t h i n gw i t h i ng o p p a t m ni sv e a - yn c l rw i t ht h eb e s ts m o o t h i n g f o r r e a l t i m ev i d e oa p p l i c a t i o n s at l l e o 衄a b o u tt h es m o o t h e ds o , t r i c e - r a t eu p p e ra n d l o w e rc o n s t r a i ni sc o n d u c t e d a n do n es c h e m eo f c h o i c eo ft h es m o o t h e d - r a t eb c t w c 捌l l t h eu p p e ra n dl o w e rc o n s t r a i ni sd e , s i g n e d w ec o n c l u d et h em p e gv i d e os o u i c c s m o o t h i n gw i t h i nc o pp a t t e r ni sg o o da tn o to n l yt h es m o o t h i n gc f f e e t i v e r t e s s ，b u t a l s ot h e i m p l e m e n 吐n gs i m p l e n e s s i n c h a p t e rf o u r , a f t e rc o m p a r i n gs o m et y p i c a ls m o o t h i n ga l g o r i t h mo fs t o r e d t n v i d e oi x a n s m i s s i o n ，p c r t t + ，a i li m p r o v e dp c r t t a l g o r i t h m ，i sp r o p o s e d p c r t f + c a l la c h i e v el o w c o m p u t a t i o n ，s a t i s f yb u f f e rl i m i t a t i o n ，a n da l s os m o o t h i n ge f f i c i e n c y i nc h a p t e rf i v e s h a r e d - b u f f e rs m o o t h i n g a l g o r i t h mw 淞p r o p o s e d t os m o o t ha l l a g g r e g a t e dv i d e os 舡e a m w i t ht h es h a r e db u f f e r , av e r ys i m p l e v i d e od i s 砸b u t i o n s c h e m eo b t a i n e d w ei n t r o d u c eal l e wc o n c e p tc a l l e dv i d e op r o x ys c l w c rf b rt i l e t r a n s m i s s i o no fa g g r e g a t e dv i d e os t r e a mo v e r 耐d em - o nn e t w o r k s ( w a t 叼t h en e w v i d e o - o n d e m a n d ( v o d ) s y s t e m s t r u c t u r ei sp s e n t e da n dt h e o p e r a t i o n a lm e c h a n i s m h a sb e e ni n t r o d u c e db a s e d0 1 1t h ei n t r o d u c i n go fv o dv i d e op r o x yg o l y e r ow i t ha l l a d d i t i o n a lp l a i nc o m p u t i n gp o w e rv o d p r o x y , t h e c ! o s t so fd e l i v e r yv i d e oo v e rw a n r e d u c e d t h em o b i l en e t w o r k sc a n n o tp r o v i d eg u a r a n t e e dq u a l i t yo fs e r v i c ef o rv i d e o t r a n s n l i s s i o nb e c a u s eh i g hb i te r r o rr a t c so c c l 1 rd u r i n gf a d i n gp e r i o d s e r r o rr e 面l i e n c e t o o l sm u s tb eu s e di nv i d e oc o d e c i nc h a p t e rs i x ，w ed e t e r m i n et h ee r r o rr e s i l i e n c e t o o l sa p p l i c a b l et ot h et i l i r d g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n de v a l u a t e t h ep e r f o r m a n c eo fe a c h k e y w o r d s ：v i d e os e r v i c e ，q u a l i t y o fs e r v i c e ，v i d e o - s t r e a mp r o c e s s i n g ，t r a f f i c s m o o t h i n g ，e r r o r r e s i l i e n c e 。 i v 第一章视频业务q o s 技术综述 在过去数年中，全球通信网络结构发生着深刻的变化，特别是因特舟迅猛 增长，通信网络已经是多种网络技术和传输技术构成的异构网络。同时各种网 络业务量和用户数也爆炸式增长。然而，在这样的网络结构中要实现多媒体业 务并非易事，这主要是因为在异构网络中，特别是因特网，无法保证多媒体业 务的服务质量( q o s ) 。近来多媒体业务的q o s 保证技术，得到大量关注【1 2 j 。 视频是多媒体通信中的一个主要媒体，在宽带弼络上，最大比例的业务量 将来自于视频业务。这是囡为一方面，视频包含着巨大的信息量，符合人对信 息的接受习惯，因此视频类的应用非常广泛，如可视电话、视频会议、远程学 习、远程医疗、远程监视、点播电视、网络电视、视频邮件、电子出版和网络 谫戏等，将在未来通信业务中占据重要地位。另一方面，传输数字视频需要比 其它业务大得多的带宽，即使采用了压缩编码方法它所需带宽也比其它业务 高得多。视频除业务量大以外，还具有另外一些特点，如对网络传输时延很敏 感等，困此未来呵络对视频业务的支持能力成为隧络性能的重要指标。 视频应用被称为未来网络的k i l l e ra p p l i c a t i o n 。一方面，预期它将在宽带网 络中迅猛发展，同时它本身比其它媒体占用更大的带宽，所以它是未来碍络资 源的最大消耗者，另一方面因为它的特殊流量特性，造成有效的资源管理极其 困难，网络很难同时提供q o s 和资源效率的保证。 q o s 需求一般由四个参数指定，即 带宽 端到端延迟 延迟抖动 差错或丢失率 概言之，只要提供业务所需的带宽、低的延迟、小的延迟抖动和在延迟允 许范围内( 如重传或某些纠错技术) 提供可接受的差错或丢失率，就保证了业 务的q o s 。 不同的应用对q o s 需求是不同的。根据视频应用对时间延迟的要求和媒体 交互特性，我们可以将视频业务分为三类。 第一类，实时交互式( 会话型) 视频应用，包括视频电话、视频会议，该 类视频应用对延迟有严格的要求。按照r r u tg 1 1 4 建议音频的单向端到端 延迟小于1 5 0 m s 较好，在1 5 0 - - 4 0 0 m s 范围内延迟可以接受但听觉质量下降，一 般人们不能接受大于4 0 0 r n s 的延迟。人的视觉稍稍低于听觉对延迟的敏感，但 在会话型应用中要求保持与音频同步所以会话型视频应用的延迟要求和音频 一样。视频延迟包括视频采集、数字化、编码、传输、解码和显示过程的时间 总和。 第二类，实况广播类视频应用，与会话型应用的主要区别在于，它是单向 的并且延迟限制不太严格，如远程监视、电视转播。以医院对熏危病房的监视 为例，医生可以下班后在家通过网络，接受来自病房的监视画面这里i 也s 的 延迟是允许的。 第三类，存储类( 检索类) 视频，存储视频内容的服务器，将用户请求的 视频内容通过网络传递给用户终端，典型应用如视频点播( v o d ) 。与前两类 应用区别，视频数据是预先存储的而非实时生成，因而视频数据的特性是可预 先研究得知的。这类应用也允许比会话型应用有更大的延迟。 视频类媒体，相对于其它媒体，所需要的网络带宽和吞吐量大得多。对各 类视频应用要确定倒底需要多大的带宽是一件非常棘手的工作，这在很大程 度上取决于所期望的信号质量。数字视频如果不采用压缩编码，几乎就不可应 用，如采用c c i r6 0 1 建议对彩色电视信号进行数字编码时，大约需要2 1 6 m b s 的数据速率。视频的压缩是有损压缩，从压缩效率和运算量折衷产生的成熟的 压缩标准是m p e g 系列的m p e g - 1 、m p e g 2 、m p e g - 4 和r r u t 的i - l 2 6 1 、i - l 2 6 3 ， 以及p c 广泛使用的微软的a v i 和r e a ln e t w o r k s 的r e a l v i d e o 格式。 对m p e g - 2 广播，带宽必须在1 5 2 0 m h s 以上；而对会议电视，速率最好 在1 m b s 以上：如果采用极低的帧速率对r e a l v i d e o 这样的格式，6 4 k b s 带宽 都已足够；画面极小、帧速率较低的视频电话应用，采用更低速率都是可能的。 视频压缩编码产生的数据速率有恒定速率( c b r ) 和可变速率( v b r ) 两种视 频压缩的效率很大程度上依赖于图像活动性。为维持恒定的图像质量，编码器 对高活动性场景视频比对低活动性场景，编码产生更多的数据量，因此视频压 缩编码后的数据速率是变化的。为了维持输出速率的恒定，就只有损失图像质 量，如调整量化步长。从流量管理和带宽分配的角度讲，c b r 更易于处理，但 v b r 编码提供了更高图像质量。 各种视频应用对传递中产生的视频数据的差错，有不同的容错性，这与使 用的编码方法有关。如m p e g - i 视频流有一般的容错性，差错率不能高于1 0 5 ， 而增加了差错恢复编码的t - l 2 6 3 有较高的差错恢复能力，差错率高达1 0 - 3 仍能 提供可接受的图像质量。 用户要求的q o s 保证并不一致，这与资费有很大的关系，一般可由用户指 明是以下三种中的哪一种： 硬保证( 完全保证) ：用户指定的q o s 要求百分之百的得到保证，如以 流量的峰值速率预留网络资源。 软保证( 统计保证) ：用户指定的q o s 要求在一定百分比上得到保证， 如连续媒体媒体流在播放过程中不要求百分之百的糖确在这种情况 下，一般使用统计复用技术更充分地利用网络资源。 尽力传送( b e s te f f o r t ) ：无保证，应用的运行，不管网络资源有多大。 传统计算机网络运行在这种模式下。 在多样化的视频应用中，这三种类型的保证都有需要，并与不同的费率相 联系，显然硬保证最昂贵而尽力传送最便宜。用户对q o s 保证的多样化需求 是实际存在的，如用户对某一视频应用，要求完全保证误码率，而延迟要求9 0 的保证。 用户的q o s 保证的多样性，增加了网络管理的灵活性要求。 单向的视频传递过程是，信源实时采集视频图像，经信源编码和信道编码 ( 包括视频数据的分割等) 、递交给网络传送到信宿，经信宿解码、显示。 在此过程中每个模块都会引起视频q o $ 的破坏，如编码的延迟、信道的 噪声、网络的拥塞等。通信网络提供业务保障的主要途径可以概括为： 增加网络带宽 网络q o s 保障机制 终端设各效率 容错与差错处理 延迟抖动於偿等。 每种途径都涉及了复杂的理论和技术。 为满足视频业务对带宽的巨大需求，增加网络带宽是解决问题的根本途径， 可分为三方面的努力。 首先，是网络提速，提高通信链路和路由器，交换机的速度，网络速度的极 大提高，自然降低了网络拥塞发生的概率，自动保证了业务q o s 。这方面的发 展主要是光纤波分复用( w d m ) 技术【3 l 和线速路由器，它的全面布署尚需时日。 其次，是视频压缩，降低视频业务需要的带宽，从而相对增加网络系统容 量。视频压缩一直是近二十多年来不衰的研究熟点，从变换编码、基于视频对 象的编码，从小渡变换和人工神经罔络模式识别等技术，视频压缩取得了惊人 的成就， 另外，采用统计复用、时域平滑和组播( m u l t i e m ) 技术【4 】，可以减少带宽需 求。组播技术将从一个源到多个目的地的相同视频流的传送，在端点进行分配。 从而有效她减少骨干网的视频流量。 然而用户业务的需求是无止境的，光靠提高网络带宽还解决不了q o s 保障 问题。 1 3 2 终端系统的q o s 保证 连续媒体端到端实时性、同步性等时序约束，不仅要求网络各节点与路由 有足够的通信资源，终端和应用也需要有足够的运算和控制能力( 如a 哪时间、 缓存空间) 以提供媒体数据的实时处理能力，才能真正满足端到端q o s 要求。 终端包括服务器端( 如演播中心、视频服务器) 和客户机( 如可视电话机、 电视机顶盒、p c 机等) 。终端系统包括两个主要部分：硬件结构和操作系统， 两者的有机结合提供应用所需服务。对视频应用来说，要求终端系统确保透信 协议欺件的执行时间，以实现实时通信；要求确保视频数据的处理时间( 包括 压缩和解压缩) ，以保证播放的正常进行。 硬件要求高处理能力和高数据传送吞吐量，因为视频数据量庞太；倾向于 并行结构，因为同时需要访问几个输入输出设备：硬件结构应该可扩充，以适 应新的输入输出设备和应用；硬件结构应具通用性和灵活性( 可编程) ，以支持 不同视频应用( 如不同的编码方案) 。 操作系统应高效率地使用硬件资源；通过使用适当的资源管理和进程调度， 保证视频应用的q o s ( 操作系统级主要的q o s 要求之一，是保证每个任务的处 5 理时间) 。 服务器是一类特殊的终端系统，它存储了大量视频数据，同时服务许多客 户。视频数据量大且有时间约束，对视频服务器引入了一些要求。首先，存储 容量和数据传输速率应足够高以同时支持大量客户，使系统经济。 其次，视频服务器应对客户请求的流提供q d s 保证。要达到此要求，服务 器应实现接纳控制和实时调度。 第三，服务器使用的结构和技术应可扩充，支持潜在的大量用户。 第四，许多视频应用需要用户交互，所以要求服务器应能支持各种用户交 互，如暂停、快进和倒回。 1 3 3 网络技术对q o s 的保征 增加系统容量，增强交换能力可以解决多媒体应用的一些问题，但不是全 部。相对于终端和应用来说，网络最有可能发生资源冲突而引起端到端q o s 下 降，因而网络q o s 仍然是多媒体通信系统考虑的重点。 a t m 允许在两点之间协商会话参数，并设置一些度量标准，如信元的丢失 率、最小吞吐量、最大时延和抖动等。在总体容量的限制下，经过调整，a t m 网络可以满足各种不同流量类型的需要。传统i n t e r n e t 是无法提供q o s 的，因 此嘲络结构和瞰瞎技术的改造势在必行。改造i n t e r a c t 有三种主要模型或结构， 分别是h l s 肛日、d i 髓c n 肛羽和m p l s l 9 4 2 。 1 3 3 1 盯m 的s 技术 a t m 网络的优点，如较高的中继速度、较低的传输误码、灵活的业务类型 和高复用容量，使它非常适合传输有q o s 保证的视频媒体。a t m 网络对突发 的视频源的统计复用改善了网络带宽利用率、降低了服务成本，而且视频流的 复用减少了叠加流的带宽需求和突发。然而许多视频流的蜂的同步会导致网络 拥塞，降低视频质量，拥塞控制是保证视频质量的重要保证。另外，在复用的 传输方式下，在多个媒体流之间的高效带宽分配将改善网络资源利用率。如果 进入网络的流量是平滑的，则网络可以被更有效的管理，因此在发送视频时使 用流量整形技术，消除视频的突发性。流量控制技术用于在发端和收端之间调 节业务量速率，避免导致接收端的上溢( o v e r f l o w ) 和下溢( u n d e r f l o w ) ，无论上溢 或下溢都降低了视频回放质量。 当视频通过动态变化带宽的通道传送时，如a b r 业务方式。依赖于网络拥 塞的程度，视频业务可获得的网络带宽是随时间变化的。视频源比特率能分级 下降，可帮助网络从拥塞状态恢复过来。 因此，a i m 网络上视频业务量的管理任务可调节业务量以获得较高的罔络 利用率避免网络拥塞，以较低的服务代价向用户提供可接受的q o s 。业务量 整形和速率控制、拥塞控制、带宽分配、流量控制、和视频可分级性，是 i m 网络视频业务量管理的技术焦点。 然而，到目前为止，利用a t m 优势的应用并不多见，因此，近期内还很 难说a t m 将是媒体应用的有效解决方案。 i n t s e r v 模型的基本思想是将网络资源，包括带宽和存储器，保留给应用或 通信会话。 i n t s e r v 模型的运作模式是：应用指定它的q o s 要求，并递交给系统，系统 决定它是否有足够的资源来满足该应用的需求；如果是，则接纳该应用，并分 配给它必要的资源以满足它的需求；如果系统没有足够的资源，则要么拒绝该 应用，要么与应用协商一个系统可提供的较低的q o s 需求。若协商成功，则系 统就接纳该应用，并保证它承诺的q o s 需求。否则，应用被拒绝，它只有以后 再试，以希望有别的应用退出系统，从而使系统有足够资源满足它的q o s 要求， 从而接纳它。基于此运作模式，有以下部分提供q o s 保证： q o s 规格方法，应用用它来详细说明业务要求 准入控制，用于确定接纳一应用会不会破坏其它已接纳的应用的服务 质量 q o s 协商过程和再协商，使尽可能多的应用被接纳和服务 资源分配和调度，以满足已接纳的应用的q o s 流量管制用于确保每个应用产生的流量在协商好的规格内 i n t s c r v 是基于资源预留的概念，每个应用在进入网络之前，都要经过接入 允许控制和，或q o s 协商过程，预留相应的资源，系统对应用流进行流量管制 从而保证接入网络的流的q o s 。由此可见，它与a t m 技术中的c a c 、u p c 相 似。 它的主要优点是一旦应用所需资源预约成功，它的q o s 就有保障。 挑战在于如果不按业务的峰值速率预留资源，如何保证q o s ，从而更有效 地利用有限资源。对此有两个解决途径，一是使用统计复甩技术，提供q o s 软 保证，二是恰当刻画流量特性，提供q o s 硬保证。文献 1 3 ，1 4 】提出了针对v b r 业务的d - b i n d 流量模型文献【1 5 】针对可知流量特性的存储媒体设计了硬保 证方法是加大起始延迟。 i n t s c r v 的主要不足在于路由上的每个路由器都要维护大量状态信息。这些 信息要求标识每个流，跟踪每个流的资源消耗情况，基于预约管制和调度流量。 状态信息的数量与连接数成正比，因此i n t s c r v 在连接相对较少的网络边缘是可 行的在有数百万连接的核心网则行不通。也是因为这个原因，i n t s c r v 模型不 可扩充( s c a l a b l e ) 。另外n t s c r v 不能逐步配置实现，必须一步到位，因为该模 型中所有的路由器都要更新为有预留资源功能的路由器，才能实现i n t s c r v 以维 持端到端q o s 。 在尽力而为的传统i n t e r a c t 服务模型中，同等对待所有数据包。而d i f f s e r v 服务模型中定义了一组固定的业务类型，各种流量或数据包分别归入这些类型， 网络路由器对不同的业务类型提供不同的服务，从而实现优先级控制。 d i 妇f s e v 服务模型中边缘路由器对入网的流量进行流量管制，核心网路由 器根据业务类型进行调度。由于定义的业务类型是固定的并且数量很少，核心 路由器需要存储和处理的信息相对较少，因此d i f f s e r v 服务模型可扩充。 它的优点是，一易于扩容升级：二易于实现和布署，这是因为一些复杂 的操作如业务分类、流量整形和管制只需在边缘路由器中执行：三可逐步实现 有保障业务，非d i f j f s e l v 路由器仍提供尽力而为服务，而d i f f s e r v 路由器提供 有保障服务，总体性能优于尽力而为模型。 但是，d i ：f f s c r v 使用了流量聚合( t r a f f i ca g g r e g a d o n ) ，增加了一些不可预 知性。没有明确的预留机制和流量整形，网络业务量动态变化幅度很大。在任 一时间，网络一部分比另一部分可能承受更大的流量，某一业务类型或几个业 务流仍会发生拥塞，保证一个特定服务水平就变得困难得多。因此d i 丘s e r v 并 不能保证对某一业务类型提供固定水平的服务质量，而只是根据其优先级提供 比其它业务类型好或差的服务。 在p 网络中，路由器分析数据包头并运行网络层路由算法，然后根据分析 和计算结果，每个路由器独立地选择数据包的下一跳。选择数据包的下一跳分 两步进行，第一步将所有数据包分类到一组转发等价类( f e c ：f o r w a r d i n g e q u i v a l e n c ec l a s s e s ) ，第二步将f e c 映射到下一跳。在整个转发过程中，映射 到相同h 三c 的不同的数据包是无法区别的，并在f 司样的路由通路上传递。 在m p l s 结构，一个特定r 配只在入口路由器上分配一次，f 日= 编码为一 个短的固定长度值，被称作标签( 1 a n e ) 。标签由入口路由器插入到数据包中- 在随后的各级跳中，不再分析数据包的网络层包头，而把标签作为路由表的索 引，指定下一跳和新标签。新标签替代旧标签，数据包被转发到下一跳。数据 包走的路径，由标签顺序指定，称为标签交换路径( u p ) ，支持m p l s 的路由 器叫标签变换路由器( l s r ) 。 m p l s 采用转发机制，比d 寻路更快。另外，标签能表示f e c 和优先权 或业务分类的结合。路由器对不同标签的数据包区别处理，以提供不同的q d s 。 m p l s 可认为是i n t s t a w 和i x f f s e r v 的结合一方面，象i n t s e r v 一样，完 整的黯径可以协商和预留以提供q o s 保证另一方面，象d i f f s e r v 一样许多 流可以聚合共享相同的标签，增强可扩充性。总之，m p l s 有以下优越： 它提供了快速数据包转发，基于标签的包交换比使用一些路由算法寻 路更快。 m p l s 结构比i n t s c r v 更易于扩充，因为多个流可聚合共享相同的标签。 m p l s 结构比a t m 更具一般性，尽管标签的概念与v c i 和v p i 相似。 v c i 和v p l 只能用于交换a r m 信元，而m p l s 结构，l s r 可以有多 个连接不同网络( 包括a t m ) 的接口进入的数据包根据其标签类型 可以转发到有相应标签的另一网络。象在a t m 网络中，标签是v c i 和 v p i 的结合。 m p l s 可用于提供d i f f s e r v 。 m p l s 使用c r - l d p ( 册制订的基于约束寻路的标签分配协议) 可 提供类似于i n t s e r v 的q o s 保证。使用c r - l d p ，使得复杂的负载平衡、 q o s 和基于m p l s 的虚拟专用网( v p n ) 可以由服务提供商和大型企 业布署。 1 3 4 视频编码舶容错技术和差错恢复技术 目前因特网是一个传输很不稳定的系统，无线网络的噪声干扰和信道衰落 严重。视频数据在传递过程中可能因干扰面误码、因缓冲器溢出或延迟太大而 丢失，终端要获得可接受的服务质量，需要使用差错控制技术。根据差错控制 技术设计于编码器、解码器或网络层而分为三类： 差错恢复( e r ：e x r o rp 也s i l i e n c e ) 编码 编码器按照这样的目的进行编码，即编码比特流中的传输差错不会对解码 有害而引起重建图像的失真。e r 编码器使用了较多的冗余比特来控制差错对图 像质量的损害，其压缩效率略低于纯压缩编码器。e r 编码器的设计日标是以最 小的冗余获得最大的差错恢复能力。如鲁棒性熵编码( 包括插入再同步标记， 可逆变长编码r v i c 0 丘1 7 】和提供基于编码流数据结构的修复等) 、e r 预测编码 ( 包括插入帧内编码的帧或宏块，独立段编码【1 8 , 1 9 等) 、分层编码 2 0 2 1 】和多子 流描述编码 2 2 - 2 7 j 等。 差错隐藏( e r r o rc o n c e a l m e n t ) 技术 解码器对传输差错引起的信息丢失进行估计或恢复，隐藏差错对人视觉的 影响。如比特流结构信息的恢复( 包括丢失宏块的时域插值，像素的空问插值 口8 洲，导致最平滑图像效果的时间空间插值【3 0 j 和使用频域投影技术的空间插值 1 3 l 3 2 1 等) ，运动矢量和编码模式的恢复【3 0 3 3 。3 5 1 。 编码器和解码器间交互差错控制 解码器通过反馈信道通知编码器发生差错的部分，使编码嚣调节编码操作t 以抑制甚至消除这些差错对重建图像质量的影响。如根据反馈信息选择图像参 考帧和根据反馈信息跟踪差错区域删。 延迟抖动由许多因素造成，如视频数据包处理时间的差异、网络传递时间 的差异( 如通信中路由的改变) 、掉队时廷差异等，终端在播放视频图像之前， 需要消除延迟抖动。延迟抖动可在播放前由一先进先出( f i f o ) 缓冲器来消除。 视频数据以变化速率到来被放入该f i f o 缓冲器，以固定速率被取走，显示 出来。其原理是使用f i f o 缓冲器，对所有的视频数据补偿不同的延迟，使从 源到端的视频数据的总体延迟一样大，从而消除延迟抖动，使播放的视频以固 。l j 定帧速率播放。 实际上为了达到尽可能有效地保证q o s ，以上各种方法都需要有效地实捕。 视频是未来网络上的重要应用之一，它具有流量大、突发度高，需要严格 的q o s 保障等特性。有效的流量管理使得网络技术过于复杂( 如a t m 网络) ， 简单的照络协议却很难同时保证视频业务q o s 和网络资源有效利用率。因此， 研究提高网络的视频业务服务质量的视频流处理技术，具有重要的理论意义和 实际应用价值。 视频流处理技术将复杂的流量处理和控制功能移动到网络边缘或移动到终 端系统去实现，降低流量突发性，保证进入网络的业务流具有一定的确定性， 以优化网络的整体服务质量。 为保证所需q o s 和尽可能地提高网络资源利用率，必须分别针对不同的视 频应用特性来设计和实现。因此研究视频业务的特性和视频业务建模是多年来 学术研究的热点，并取得了相当大的成就如视频业务自相似性和长时相关性 的揭示等。视频业务除1 1 所述三种类型以外，不同压缩编码方案产生的视频 也有不同的特点，主要表现在业务码率的波动上。由于视频图像本身所含信息 量不一样，以及采用压缩编码方案的特点，造成编码后的码流数据量波动很大。 本文第二章对变码率m p e g 视频业务特性做了研究，对统计复用效率作了 分析，并检验了通用视频业务模型的准确性。 从网络的角度讲，进入网络的业务流越具有确定性越好、越突发越难以控 制网络整体服务质量。视频传输之所以对网络设计提出挑战，多是因为它的高 带宽需求、q o s 需求和严重的速率变化性，而且视频的突发性通常跨跃了多个 时间比倒并在某些情况下表现为自相似性嗍这使得提供o o s 保证变得更难 和更昂贵。视频平滑是减少视频带宽变化性的一个很自然的途径。并显示出有 1 2 效地改善了网络利用率f 4 1 4 2 】。视频业务的平滑，在学术界的研究也很多，并且 针对不同类型的视频应用有不同的平滑方法。 本文第三章对实时性v b rm p e g 视频业务平滑作了深入研究，提出实时 视频的图像组内平滑算法，第四章对存储视频业务平滑作了研究，给出约束条 件下算法复杂度低的p c r r r + 平滑方案。 业务运行的代价是一种业务能否广泛开展的关键因素，利用一些技术复杂 性小的方案，可以降低业务的代价，则该方案即是有价值的。 第五章中，我们分析聚合流平滑技术，设计了共享缓冲器的聚合视频流平 滑传输方案和视频分配方案，并设计了它在视频点播( v o d ) 系统中的应用， 通过在v o d 系统中增加代理服务器的方法提供共享缓冲器达到聚合流平滑 传输和技术实现整体代价低的目的。 j 无线接入网由于容量、功率等限制和信道高误码、终端移动性等特点， 对业务提供的带宽有限和误码率较高视频编码方案中必须使用差错控制技术。 本文第六章中，对将在第三代( 3 g ) 移动通信系统中使用的视频编码方案 进行了介绍，并分析和仿真评估了方案中各种差错控制技术的性能，确定了适 合3 g 系统多媒体移动终端的视频编码方案。 本文主要贡就是： 论文对m p e g 视频特性进行了模拟试验，丰富了该领域的研究成果， 特别是对m p f , g 视频的复用方式进行了分类，并揭示各类复用方式对 m p e g 视频复用性能的影响； 论文提出了一个新的实时性m p e g 视频流平滑算法，以计算复杂度低 的算法取得接近理想的平滑效果： 论文提出了一种存储类视频平滑的改进算法p c r t t + ，达到运算复杂 度低、满足缓冲器容量限制而乎滑效果较好的目的； 论文对聚合视频流平滑问题，提出了共享缓冲器平滑方案，并给出十 1 3 _ _ _ _ _ _ _ 。_ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - 。i 。- 。一一 分简单有效的在共享缓冲器平滑方案下视频流的分配算法，还设计了 该技术在v o d 系统中的应用方案； 论文评估了第三代移动通信系统中视频编码方案的性能，初步确定了 方案中使用的差错恢复技术。 第二章视频业务的特性与模型 c 2 , c 8 业务特性研究是业务q o s 技术研究的先导，因为流量控制的成功极大地依 赖于对输入业务量的深刻了解，因此视频业务量特性和对视频业务量的建模引 起了学术研究的极大兴趣。 用于传输和存储的视频都是经过压缩的，压缩视频从编码器输出来看，表 现为两种情况。一种是压缩后视频为恒定速率而图像质量不保持始终一致：另 一种保证图像质量的恒定，尽量消除信息冗余，然而由于每帧视频图像的信息 冗余量不一样，这种压缩视频表现为可变比特率( r ) 。 目前，在现有各类业务中，人们对v b r 视频类业务的业务量特征的理解度 最低。一些研究者揭示了v b r 视频的一些特性，但因所采用的压缩算法不一样， v b r 视频还表现有不同的特性，人们对此的理解就更不充分。 m p e g 是最常用的多媒体标准【4 h 4 叼，定义了用于多媒体应用的视频和音频 编码方案。m p e g 编码算法原先主要是为在数字存储媒体上存储压缩视频而设 计的，然而这一编码标准非常灵活，具有广阔的应用颁域。近来出现在如数字 广播系统( d b s ) 、数字高清晰度电视( i i d t v ) 、多媒体工作站和一些其他应 用f 4 7 ，4 8 1 现已制订了三种m p e g 编码标准，即m p e g - 1 4 3 ，m p f _ x 3 - 2 c 和m p e g - 4 1 4 5 l ( 草案) 。m p e g _ 7 4 6 1 不是视频压缩编码方案而是多媒体内容描述接口标准。 m p e g - i 2 是把视颓序列按时间先后分为一系列的帧，每一帧又分成1 6 x 1 6 的 宏块来进行运动补偿和编码。m p e g - i 功能上是m p e g - 2 的子集，两者的主要 区别是m p e g - 2 允许进行分层分级编码。而m p e g - 4 编码是基于图像的内容进 行编码，根据内容将图像分割成各种视频对象，有利于实现互联网的图像检索、 基于内容的图像数据库检索和交互式多媒体通信等新业务。m p e g - i 编码针对 的速率约为1 5 m b p s ，m p e g 2 为2 - 3 m b p s ，而m p e g - 4 在性能和效率上既支 1 5 一一_ _ _ _ - _ - _