（信号与信息处理专业论文）多模式无线视频通信系统中的视频传输与差错控制技术的研究.pdf

南京邮电大学顾b 研究生学位论文 摘叠 摘要 随着无线移动业务的增加，无线视频传输成为无线通信的新需求。然而存：现有的 几种无线网络中，无线局域网w l a n 虽然传输速率高但覆盖区域小，而公共无线移 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，两者互相补充，为无线视 频传输提供了必要的网络通信基础。 本系统采用了多模式的传输通信方式，即在w l a n 、c d m a 和g p r s 网络切换 下进行视频传输。本文实现了多模式无线视频通信系统中的码流传输控制，以及对无 线信道中的视频传输过程采用了一定的抗误码技术，以得到更好的图像质量。 本文首先研究了无线i p 网络上的视频传输特性，并通过详细阐述r t p 协c 义，完 成多模式无线网络( w l a n 、c d m a 和g p r s ) 在r t p u d p i p 方式下的视频码流传 输，针对低码率传输时的传输效率问题，采用了将r t c p 协议嵌入在本系统通信协议 框架中实现。然后介绍i p q o s 的概念以及q o s 的解决策略，并结合本系统实现的网 络通信结构与实际应用条件，针对不同无线网络模式的特性，选取适当的q o s 参数 进行测试并反馈控制，并且实现了基于网络传输误码测量值，动态调整传输速率的控 制策略。最后，在解码端实现了一种相对简单而有效的空间域和时间域相结合的白适 应实时误码掩盏方法。实际系统测试表明，基于以上传输和控制方法实现的多模式无 线通信系统工作稳定、可靠，传输图像的显示质量有明显的改进，从而验证了本文研 究工作的有效性。 关键词：无线通信、视频传输、u d p 、r t p r t c p 、q o s 、误码掩盖 南京邮电大学硕】：研究生学位论空 a b s t r a c t c u r r e n tp r o g r e s si nw i r e l e s sn e t w o r kp r o v i d e sn e c e s s a r ys u p p o r tf o rw i r e l e s s m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s w i r e l e s sl a nh 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 g hb i t r a t e o nt h ec o n t r a r y ，p u b l i cw i r e l e s sn e t w o r k , s u c ha sc d m aa n dg p r s ，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 ，t h e s et w oc o m b i n e dc a n p r o v i d en e c e s s a r yc 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 t h et a r g e ts y s t e mr e a l i z e 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 ， c d m aa n dg p r sn e t w o r k t h em a i n w o r ko ft h i st h e s i si sc o n c e n t r a t e do nv i d e o t r a n s m i s s i o na n de l t o rr e s i l i e n tw i t l lm u l t i m o d ei nw i r e l e s sv i d e oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rf i r s td i s c u s s e st h ev i d e ot r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r so f w i r e l e s si pn e t w o r ka n d t h ei m p l e m e n t a t i o no ft 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 fr t p n j d p f po v e r t h r e ew i r e l e s sn e t w o r k s c o n s i d e r i n gt h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo fl o wb i tr a t e t r a n s m i s s i o n ，i ti m p l e m e n t st h ep r o t o c o lo fr t c pe m b e d d e di n t h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lo ft h i ss y s t e m t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p to fq o sa n dt h em e t h o do f e r r o rr e s i l i e n c es c h e m ei nw i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o n a i m i n ga tt h ed i f f e r e n tw i r e l e s s n e t w o r k ，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 o c o n t r o lt r a n s m i s s i o nq u a l i t y f u r t h e r m o r et h i sp a p e ra l s ob r i n g sf o r w a r ds e l f - a d a p t i v ee r r o rc o n c e a l m e n tt e c h n o l o g y a g a i n s th i 曲b i t se r r o rr a t eo fw i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l t h ef i e l ds y s t e mt e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h ev i d e ol 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 sn e t w o r kc a l lb r i n go u ts a t i s f a c t o r y i m a g ei nv i d e od i s p l a yt e r m i n a l k e y w o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，v i d e ot r a n s m i s s i o n ，u d p ，r ，r p r t c p ，q o s 、e r r o r c o n c e a l m e n t i l 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向： 图像处理与多媒体通信 作 者：! ! ! 堕级研究生 张殷希 指导教师堂一篓 题目：多模式无线视频通信系统中的视频传输与差错控制 技术的研究 英文题目：t h es t u d yo nv i d e ot r a n s m i s s i o na n de r r o rc o n t r o l f o rm 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 ns y s t e m 主题词：无线通信视频传输u d p r t p r t c p q o s 误码掩盖 k e y w o r d s ： w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nv i d e ot r a n s m i s s i o n u d pr t p r t c p q o s e r r o rc o n c e a l m e n t 南京邮电大学硕j 研究生学位论文 第一章绪硷 第一章绪论 1 1 无线视频通信的发展以及面临的问题 近年来，无线通信技术的发展进入了空前活跃的历史时期。呼之欲出的第二代移 动通信( 3 g ) 不仅能提供现有的各种移动电话业务，还能提供高速率的宽带多媒体_ k 务，支持高质量的话音、分组数据业务以及实时的视频传输。人们对无线视频应用的 市场前景普遍看好。3 g 网络技术和移动终端的不断发展，为无线视频业务的出现和 推广提供了必要的条件，市场需求为无线视频业务的发展提供了广阔空问。同时，无 线视频业务也是未来通信市场发展的重要推动力量，是未来无线通信新的市场增长 点。真正使用户享受到无线视频赋予生活的精彩。 在无线视频传输过程中，由于图像和视频业务的数掂量大、对误码比特率要求商， 无线信道又具有易错、时变和带限的特点，因此信道的误码率要比有线环境大得多， 并且随着基站、终端位置和方向的改变而变化很大。基于无线信道不太稳定和易受下 扰的特性，在考虑压缩算法的同时，也要考虑容错和纠错技术。为了适应带有更多便 携无线终端的下一代无线网络进行信息传输，在满足q o s 需求的同时必须使功率的 消耗最小化。由于上述原因，无线视频系统在实用化进程中面临着许多问题，如：其 时性要求高；缺乏q o s 保证；无线信道的不可靠性和带宽波动；用户的异构性等。 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问 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 ，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 1 0 ，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。 由此可以看出，视频信号对传输的需要和无线环境的特点存在尖锐的矛盾，因此 无线视频传输面临着巨大的挑战。网络视频和图像传输除了要解决编码效率和误码控 制外，最大的挑战在于如何处理网络带宽的时变性。传输网络本身的特性和异构性造 南京邮电大学硕 ，研究生学位论文 鹕一幸绍论 成了网络实际传输吞吐量的波动，数据包的丢失或时延以及网络堵塞等问题：另外由 于现在的大多数网络尚不能提供资源预留一类的协议保障，当网络拥塞发生时，多媒 体视频数据流的有效传输带宽会突然降低，影响用户接收信息的质量和速度，罄至造 成无法观看。如何合理地利用有限的带宽资源自适应地根据信道状况控制视频编码比 特率，使得编码压缩流在解码端实现晟佳的质量，已经成为无线网络视频业务中急需 解决的关键同题。 3 g 开创了无线通信与因特网、多媒体融合的新时代，由此产生的无线多媒体和 无线i p 业务必将成为未来无线移动通信业务新的增长点，传送有一定的q o s ( 服务 质量) 保证的实时视频流是多媒体应用的主要内容。无线通信环境( 无线信道、移动 终端等) 中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。 1 2 课题背景及系统组成 无线移动网络g s m 、g p r s 、c d m a l x 以及无线局域网w l a n 等技术在最近儿 年来取得了令人瞩目的进展。公共移动网络从2 g 到2 5 g ( g p r s 、c d m a 等) 、正 朝着3 g 发展，并且已作为接入网接入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 1 v l b p s ，成为无线接入i n t e r o e r 的另 外一个重要的手段。目前的现状是，公共无线移动网络g s m 、g p r s 、c d m a i 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 a c 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。然而在实际应用中，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。因此，单一网络模式下的无线视频传输或者传 输图像质量良好但移动范围有限，或者能在大范围内移动但出于码率较低，图像质量 不尽满意，在应用中受到很大的限制。 多模式无线视频传输系统项目就是在此背景下提出的一种在多种网络模式下无 缝切换的无线视频通信解决方案。移动终端自由切换于各个无线网络间，自适应各种 无线通信模式。针对目前主流的无线通信方式( w l a n 、c d m a 、g p r s ) ，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。课题所研制的实验终端系统以p h i l i p s 公司的高性能多媒体d s pt m l 3 0 0 为硬 件核心，采用h 2 6 3 视频压缩标准，结合p s o s 实时多任务机制，在多种通信接口并 南京邮电大学硕士研究生学位论文 蚺一章绪论 存的情况下，实现了w l a n 和c d m a 、w l a n 和g p r s 双模式下的网络切换与视频 通信。 本系统由t m l 3 0 0 视频移动终端、视频转发服务器( 包括公网视频转发服务器和 内羽视频转发服务器) 以及视频显示终端等三个模块组成，采用c d m a 、g p r s 或 w l a n 三种方式实现无线按入整个多模式无线视频传输系统构成如图1 一l 所示。 圈1 - 1 多模式无线视频传输系统 t m l 3 0 0 视频移动终端主要完成视频采集、h2 6 3 压缩编码和码流发送过程，可 以工作于w l a n 、c d m a 和g p r s 网络的任一、二者的组合，通过软件的控制，根 据所处位置的网络状况在多种无线网络中进行自动切换，并采用相应的打包发送策略 传输码流数据。 视频转发服务器在整个传输通信过程中非常重要，是整个通信系统的列关服务 器，用于移动终端和视频显示端的注册请求控制以及视频流转发服务，其中包括公蝌 视频转发服务器和内网视频转发服务器两类视频转发服务器。公网视频转发服务器设 立在一台具有公网i p 地址的p c 机上，提供无线视频终端自移动公网，经 n t e r n e l ， 到达内网视频转发服务器或者直接到达视频显示端的视频流和控制流转发功能。而内 阿视频转发服务器设立在内网( 局域网) 且可以连接到公网的一台p c 机上，提供公 网视频转发服务器到显示终端的视频流和控制流转发功能。两类视频转发服务器都保 存着无线视频终端l d 、l p 地址、端口号以及所有请求的显示终端i p 地址等相关信 南京邮电大学硕上研究生学位论文船一市绪论 息。基于这些信息，服务器为视频码流和指令信息提供转发通道。 视频显示端为内网中( 如校园网内) 的任何一台p c 机，主要是接收码流数据解 码显示图像，并可以实现硬盘存储与回放。同一网段中，第一个与内网视频转发服务 器连接的显示终端同时成为本网段的组播源。具有超级用户密码的p c 机通过人机接 口接收用户的指令，控制无线视频终端的图像格式( c i f 或q c f ) 、量化步长参数( q p ) 以及目标发送码率等质量参数。 整个多模式传输通信过程为：当t m l3 0 0 移动终端检测到w l a n 网络时即启 动w l a n 传输通信机制，通过内网视频转发服务器建立与视频显示端的码流传输链 路，即移动终端将视频码流发送到服务器上，进而转发到视频显示端。当移动终端检 测到w l a n 网络已断而c d m a 或g p r s 网络存在时，t m l 3 0 0 移动终端即切换到 该网络进行视频通信通过公网视频转发服务器建立与视频显示端或内网视频转发服 务器的传输链路，移动终端经过视频转发服务器( 单公网或公网、内网均有) 的转发 将视频码流发送到视频显示端解码显示图像信息。视频显示端可以通过发送歼启关闭 命令来控制移动终端的发送码流过程，使移动终端的编码发送做到人为可控。 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 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 i p 方式来实现q o s 保证。但是对于低码率的无线网络( 如g p 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，如果仍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。基于这种情 况，我们在解码端对接收到豹受损图像做误码掩盖处理，使显示图像的质量得到一定 程度的改善。此外，考虑到无线网络的状况不稳定，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 传输时延要大些，但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达到展佳。 1 3 本文的主要工作以及内容安排 本系统实现的多模式无线视频传输为了在无线网络上有效、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码流的压缩、编码技术 4 南京邮电大学碗j 研究生学位论文 鹕一章结论 q o s 控制技术、视频流传输中采用的协议以及基于解码端的抗误码研究处理等。本课 题研究的是无线i p 网络中多模式无线视频通信系统的码流传输控制和抗误码投术， 主要是结合本系统实现的网络通信结构与实际应用条件，研究传输可靠性的方法以及 在解码端对接收到的误码做掩盖处理，以得到较好的图像质量。本文的工作主要足： 1 、针对无线视频传输，研究无线m 信道传输特性； 2 、实现多模式无线通信( w l a n 、c d m a 、g p r s ) 在r t p u d p i p 传输方式f 的2 6 3 码流传输，包括r t p 固定头的封装，码流扣包发送及接收解码过程等： 3 、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i p 网络q o s 参数进行测试并控制： 4 、在w l a n 模式下，提出一种m a i m d 算法来对移动终端的发送速率进行反 馈控制： 5 、在c d m a g p r s 模式下，简化r t c p 控制协议，根据接收端测得的丢包率， 实时检测当前网络状况； 6 、对无线信道视频传输过程中的抗误码方法研究，针对本系统实现了一种相列 简单而有效的空间域和时问域相结合的误码掩盖方法。 本文的内容安排如下； 第一章本文的课题背景和内容安排。 第二章介绍无线i p 网络的传输特性，并简单介绍数据流传输协议，包括u d p 、 r t p 0 t t c p 以及t c p 协议。接着详细说明本系统视频流实时通信的具体过程。 第三章详细介绍无线视频码流实时传输的q o s 技术，并具体阐述本系统q o s 的实现方式。 第四章主要介绍无线视频传输系统中的抗误码研究内容，包括抗误码技术的简 介以及h 2 6 3 码流的分析，最后详细阐述本文实现的误码掩盖方法。 第五章实验测试部分，对实际系统的参数以及图像质量性能等进行测试与分析。 第六章总结与展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论义 第二章：无线视频传输特性段毒= 系统的宴毗过程 第二章无线视频传输特性及本系统的实现过程 2 1 无线i p 赝络上视频通信的特点 近年来，随着3 g 的兴起以及无线网络带宽的增加激起了在无线i p 网络上进行 实时视频通信的极大兴趣。i n t e r n e t 、无线刚络、多媒体的融合使得多媒体能在因特 网与无线移动网络之间无缝连接。随着无线刚络带宽的增加新的应用诸如移动视颧 会议，视频流将走进人们的日常生活中去。这些应用与e m a i l ，移动网站服务起， 将使得人们能够在任何时间、任何地点，通过任何设备访问i n t e r n e t 。 然而，由于无线网络系统的信道、网络环境不稳定，受外界因索影响大，在无线 网络上实时传输高质量的视频是一个富有挑战性的任务。图像质量的降级主要有以f 三方伺引起： 1 ) 带宽波动：首先，无线通道的吞吐量会因为传输的多径衰落、l 司频干扰和噪 声扰动等因素的影响丽降低。其次，无线通道的容量会随着基站与移动主机之间距离 的变化丽波动。第三，当移动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，当发生基站交接时，基站可能没有足够的 无线电资源去满足新加入的移动主机的需求。阂此带宽波动对于无线网络r 的实时 视频传输是一个严重的问题。 2 ) 高误码率：和有线通信相比，无线信道般具有大得多的噪声，而目因为多 径和未覆盖的区域的影响，无线信道的误码通常比较高，在第三代无线通信系统中应 是1 0 _ 。1 0 ，这对视频接收质量造成破坏性的影响。因此迫切需要视频在无线信道 上有一种鲁棒性的传输方法。 3 ) 接收的异种性：在开展组播业务时，各个接收终端可能具有不同的要求和特 性，如要求的时延、视频流的质量、处理能力、带宽限制等都不一样。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相当困难。 目前无线物理传输使用的是数字蜂窝电话( c d m a 、g p r s ) 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 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 6 南京邮电大学硕士研究生学位论义第二章无线视频传输特性及率系统的实现过程 第二章无线视频传输特性及本系统的实现过程 2 1 无线l p 网络上视频通信的特点 近年来，随着3 g 的起以及无线网络带宽的增加激起了在无线i p 网络进行 实时视频通信的极大兴趣。i n t e m e t 、无线网络、多媒体的融合使得多媒体能在因特 网与无线移动网络之间无缝连接。随着无线网络带宽的增加，新的应用诸如移动视频 会议，视频流将走进人们的日常生活中去。这些应用与e m a i l ，移动网站服务起， 将使得人们能够在任何时间、任何地点，通过任何设备访问i n t e m e t 。 然而，由于无线网络系统的信道、网络环境不稳定，受外界因素影响大，在无线 网络上实时传输高质量的视频是一个富有挑战性的任务。图像质量的降级二e 要有以下 三方面引起： 1 ) 带宽波动：首先，无线通道的吞吐量会因为传输的多径衰落、同频干扰和噪 声扰动等因素的影响而降低。其次，无线通道的容量会随着基站与移动主机之问距离 的变化而波动。第三，当移动终端在不同网络问运动时( 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。虽后，当发生基站交接时，基站可能没有足够的 无线电资源去满足新加入的移动主机的需求。因此，带宽波动对于无线网络上的实时 视频传输是一个严重的问题。 2 ) 高误码率：和有线通信相比，无线信道一般具有大得多的噪声，而且因为多 径和未覆盖的区域的影响，无线信道的误码通常比较高在第三代无线通信系统中应 是1 0 1 0 ，这对视频接收质量造成破坏性的影响。因此迫切需要视频在无线信道 上有一种鲁棒性的传输方法。 3 ) 接收的异种性：在开展组播业务时，各个接收终端可能具有不同的要求和特 性，如要求的时延、视频流的质量、处理能力、带宽限制等都不一样。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相当困难。 目前无线物理传输使用的是数字蜂窝电话( c d m a 、g p r s ) 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 南京邮电人学顾士研究生学位论文 第二章无线税频传输特忡及奉系统的凄聪过程 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，因此以上三方丽的 原因是无线传输相比有线链路最显著的特点。 网络很少由于错误而丢失的假设在无线i n t e r n e t 链路上是不能成立的。在个典 型的无线局域网w h 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 ，这些错误丰要是由于主机 间的障碍物及帧的大小影响的口j 。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。以上结论在本系统 的多次实验中也得到了验证，但一味将封包的字节数打小，在网络上的传输效率势必 就降低了，因此需要在丢包率和传输效率上达到最好的平衡。 本系统实现的多模式无线视频传输，其应用前景就是在移动中实现多种无线网络 模式下视频传输的平稳切换，此时带宽波动、移动影响等都在所难免。因此如何 克服无线移动传输中的误码影响，提高传输质量便成为本课题研究的重点。 2 2 无线i p 网络的传输协议 利用i p 进行传输的协议主要有两种：基于传输控制协议t c p 和用户数据报 力、议 u d p ”。其中，t c p 传输协议提供交互式的纠错能力，通信是面向连接的，自身保证 传送质量，但其代价是重传数据会带来较长的时延，因而传统t c p 并不适用于实时 视频信号的传输。而u d p 是尽力发送，不能保证通信质量( 数据包会乱序、丢失) ， 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捌塞。斟 此，首先简单介绍t c p 传输协议，然后重点说明本系统采用的u d p 传输协议的优劣 所在。 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，和其它可靠协议一 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，并在定时器超时而确认信息还没有到的情况f 重发刚 才的分组。 南京邮电大学硕士研宄生学位论文 第一帝无线桃频传输特性厦奉系统的实脱过程 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。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。t c p 传输协议是以时问换取了传输的可靠性造成较长的时延，日不能觅 分利用网络带宽的资源，不适合多媒体数据传输实时性的要求。 在t c p 疽p 协议族中，用户数据报协议u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 是传输层 的一个重要协议，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i p 报文的数据区，以及检查 数据校验* u ( 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，数掘 报丢失现象也时常发生。另外，出于i p 报文在传输过程中可能经过不问的路虬使 得到达的顺序与发送的顺序不同。 2 ) u d p 缺乏流量控制，也就是说在用u d p 传送数据时，当通信双方的处理能 力不等时，如发送端速率比接收端速率大许多的情况下，会造成严重的数据包丢失。 因此，应用层必须考虑这个问题，一般要求发送端降低发送速率。 u d p 协议软件提供了多路复用和多路分解的功能，它接收多个应用程序送来的 数据包，把它们送给i p 层进行传输，同时它接收从i p 层送来的u d p 数据包，并把 它们送给适当的应用程序。概念上，u d p 软件与应用程序员之间所有的多路复用和 多路分解都要通过端口机制来实现。实际上，每个应用程序在发送数据之前必须与操 作系统进行协商，以获得协议端日和相应的端口号。利用这个端口的应用程序都要把 端口号放入u d p 报文的源端口( s o u r c ep o r t ) 字段中。在处理输入时，u d p 从 i p 层接收传入的数据包，根据u d p 的目的端日号进行多路分解操作。 从以上分析可知，u d p 的延时虽然很小，但它是一个典型的“即发即忘”的底 8 南京邮电夫学颂寸1 研究生学位论文第二章无线视额传输特性及本系统的实虮过程 层协议，所以可将更高级别的协议与u d p 一同使用以提供视频数据的有效传输和 保护。实时传送协议r t p 就是位于u d p 之上针对多媒体数据流的传输协议。因而存 本系统中采用了r t p u d p i p 协议完成视频码流的无线实时传输1 4 i 。下面详细介绍 r t p r t c p 协议的特点与应用。 2 3 实时传输协议r t p 与r t c p r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 是针对多媒体数据流的种应用型的传输层 协议，它被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的是提供时间信息以实 现友好的流式数据传送。实时传输控制协议r t c p 是r t p 的伴随协议，用于发送方 和接收方之间相互传递q o s 反馈信息，包括已发送的数据包数量、包丢失率、往返 时延等，并利用这些信息进行流量控制和拥塞控制等服务。当应用程序丌始一个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。r t p 本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量 控制或拥塞控制，它依靠r t c p 提供这些服务。r t p 和r t c p 配合使用，以有效的反 馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而特别适用于传输基于i p 的网络实时多媒体 数据。 2 3 1r t p 协议的特点 r t p 协议被设计成能够为某种特定的应用提供服务的一种协议。实际上，r t p 抽、 议的实现已经被融合到应用程序中来。r t p 没有连接的概念，它既可以建立在面向连 接的底层协议上，也可以建立在酝向无连接的底层协议上因此r t p 协议对传输层 是独立的【”。 ( 1 ) 轻型的传输协议 r t p 协议提供端到端的实时媒体传输功能，但并不提供机制来确保实时传输和服 务质量保证，协议本身相对轻型、快捷。由于r t p 协议没有像t c p i p 协议那样完整 的体系框架，只是一个轻型的传输协议，主要是与具体应用结合在一起束实现。 ( 2 ) 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 量的任何机制。数据包也是依靠下层协议提供长度标识和长度限制。因此协议规定棚 9 南京邮电大学碰士研究生学位论文 第二章无线视频传输特性段木系统的实蜣过枉 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f - 提供传输效 率。灵活性则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内 用环境，选择实现效率较高的算法与合适的控制策略。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 同步机制 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，必须山应用程序参 与完成。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 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。 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 1 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i p 网络 层封装为l 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胁 义。 1 0 南京邮电大学砸j 研究生学位论文 第一章无线视频传输特性及奉系统的实现过程 数据( r t p 载荷) i 匝卫戛画甄 臣匠臣互耍匝 匝巫工亟工堕三匝 2 3 2r t p 协议的报文格式 0 r t p 包的固定头格式如图2 - 2 所示。 l2 w 2p xc cmp t s e q u e n c en u m b e r t l m e s t a m p s y n e 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 - 2r 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 ) , 1 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 ) ：l 比特，扩展位。如果扩展位x 置为1 ，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。 南京邮电大学硬j 研咒生学位论文 第二章无线视频传输特性及本系统的实现过程 m ( m a k e r ) ：1 比特，标志位。一般由框架说明文件定义，用于标志些重要事 件，如标识分组流的一个数据帧的边界等。 p t ( p a y l o a dt y p e ) ：7 比特，载荷类型。p t 标志r t p 载荷类型如是音频还是 视频信息，是h 2 6 3 编码的视频流还是m e p g 一4 编码的码流，详细说明可参考 r f c l 8 9 0 。 s e q u e n c er l l t m b e r ：1 6 比特，序列号。每发送一个r t p 包，序列号增加j ，可以 用于收方估计包丢失数和恢复报文顺序。序列号的初值是一个随机数。 t i m e s t a m p ：3 2 比特，时间戳。标志r t p 包的数据载荷的第一个字节的采样时刻， 主要用于同步或者计算延时，其初值也是个随机值。如果r t p 的数据包是周期性 产生的，那么采样频率就可以作为计算时间戳的时钟频率。例如，对于以固定频率聚 样的音频信号，时间戳时钟可以在一个采样周期中增加一个值。如果个音频r t p 包含有1 6 0 个采样周期的数据，每个r t p 包的时间戳就增加1 6 0 。有时如果几个连续 的r t p 数据包是同时产生的，例如这几个包都属于m e p g 视频流的同一帻，那么这 几个r t p 包应该具有相同的时间戳。 s s r c ：3 2 比特，同步源标识。这个标志是随机选取的3 2 位整数，在同一个r t p 会话中任何两个同步源的s s r c 标志都不同。尽管多个源选取相同的s s r c 的概率很 小，但每个r t p 应用程序都应具有检测和解决冲突的能力。如果一个源改变了传输 地址，其s s r c 标志就应该相应地改变。 c s r c ：0 到l5 项，每项3 2 比特。c s r c 列出了对复合包的净荷有贡献的源。其个 数由c c 确定。如果贡献源多于1 5 个，则只列出1 5 个，其它的省略掉。c s r c b 混 合器( m i x e r ) 插入。 从r t p 数据分组格式可以看出，它包含了传输媒体的类型、格式、序列号、时 间戳以及是否有附加数据等重要信息，这为r t c p 进行相应监测和控制提供了基础。 2 3 3r t c p 协议的应用 r t c p 控制协议是r t p 数据传输协议的伴随协议，具体定义了各种包类型，片j 以 传送不同的控制信息。每个r t c p 包都以一个与r t p 数据包头部相似的固定结构丌 始，随后是根据各类控制信息而不同的结构化单元，但通常都以3 2 位边界结尾。可 以多个r t c p 包连接起来形成一个复合r t c p 包，并作为下层协议的一个包柬发送。 南京邮电大学硕士研究生学位论主 第二章无线视频传输特性搜奉系统的实现过程 在复合r t c p 包中，每个r t c p 包均被独立地处理。 r t c p 报文共有5 类：s r ：发送报告，用于发送数据流的成员发送和接收情况 的统计信息；r r ：接收报告，用于非发送成员接收情况的统计信息；s d e s ：游 描述项，用于报告和站点相关的信息：b y e ：结束报告，指示退出会议； f p p ： 特殊应用报告。r t c p 的基本做法是周期性地向会话的所有参加者进行通信，采用和 数据包分配传送的相同机制来发送控制包。r t c p 的主要功能如下： ( 1 ) 提供数据传输的质量反馈，并进行q o s 的监督 这是r t c p 的基本功能，反馈功能通过r t c p 的发送报告s r 和接收报告r r 柬 实现。所有接收方把它最近的接收情况报告给所有发送者，这些信息包括所接收到数 据包的最大顺序号、丢失的包数、乱序包的数量以及用于估计传输时延的时问戳的信 息。而这些信息反映了当前的网络状况，发送方在接收到这些信息后自动地调整它们 的发送速率。 ( 2 ) 提供不同媒体间的同步 r t c p 为每个r t p 源分配一个固定的识别符，称为c n a m e 。因为存发送冲突或 程序重启时，s s r c 会改变，接收者需要利用c n a m e 而非s s r c 跟踪每个会话参 与者。借助于c n a m e ，接收者可以关联来自于同个用户，经由不同r t p 会话传 来的码流以完成特定的任务，如音频流和视频流问的同步。 ( 3 ) 实现带宽控制 前面两个功能要求所有会话参与者都发送r t c p 包，为了接纳更多的用户，w f c p 给出了关于调整控制报文发送速率的方法。一个r t p 用户可以通过接收来自于其它 用户的r t c p 包，独立了解会话参与者的数目，r t c p 利用该数值参数为每个会话参 与者计算控制报文的发送结构，以达到r t c p 所占用通信带宽不超过会活5 。 ( 4 ) 在会话的用户界面上显示会话参与者的标识 r t p 报文中提供了s s r c 字段来进行源标识，然而，进一步的会话参与者的描