（通信与信息系统专业论文）3g网络中流媒体编解码和视频检索的研究.pdf

韭塞銮适盍堂亟堂僮论塞主塞掬翌 中文摘要 摘要：第三代( 3 g ) 网络的出现为流媒体的传输提供了一种新的网络环境，在另 一个方面也推动了流媒体技术的发展。近年来，对于3 g 无线网络中的流媒体，不 论是学术界还是工业界都在此领域展开了广泛而深入的研究。 基于3 g 网络的流媒体平台可以为视频会议、视频监控、以及娱乐方面提供 视频点播和视频直播等服务。由于3 g 网络对于数据传输而言，网络带宽是难以保 证的恒定的，而且经常收到噪声，同信道等因素的干扰。流媒体就是使用流式传 输技术的连续时基媒体。流媒体可以边下载边播放，大大减少了客户端的启动延 时，而且通常流应用并不保存接收的数据，这大大减少了需要的存储空间。h 2 6 4 是国际化标准组织t 和m p e g 联合制定的一套压缩标准，它具有高压缩比，高 图像质量的特点，所以非常适合在3 g 网络中那个传输流媒体。 本文针对于3 g 网络中的流媒体应用问题进行了深入研究，对流媒体平台进行 综合设计。设计了主控模块，分控模块，编，解码模块和视频检索模块。本论文将 重点放在编解码模块和视频检索模块。从上述两个方面出发，一是提出了一种适 合3 g 网络传输的h 2 6 4 编解码流程，并在实验室环境下进行实现：另一方面是基于 关键字查询，设计了视频检索系统，可以在系统内检索需要的视频文件。 本实验室模拟3 g 网络的基本特性，并在模拟的实验环境下运行了流媒体平台， 实现设计上的基本功能。对于本实验平台，还需要进一步实验和改进。 关键词：3 g ；流媒体；视频检索；h 2 6 4 。 分类号：t p 3 1 9 ：t p 2 7 4 业塞窒垣厶堂亟堂包论塞旦! 基g 芏 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h et h i r dg e n e r a t i o n ( 3 g ) n e t w o r k sf o rt h et r a n s m i s s i o no f s t r e a m i n gm e d i ae m e r g e d 嬲an e wn e t w o r ke n v i r o n m e n t o na n o t h e ra s p e c t t h e3 g n e t w o r k si sp r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ， w h e t h e ra c a d e m i co ri n d u s t r i a ls e c t o ri nt h es t r e a m i n gm e d i af o rt h e3 gn e t w o r k sh a s h a de x t e n s i v ea n di n - d e p t hs t u d y s t r e a m i n g m e d i ap l a t f o r mb a s e do nt h e3 gn e t w o r k sw o u l d p r o v i d e v i d e o o n - d e m a n da n dv i d e ob r o a d c a s ts e r v i c e sf o rv i d e o c o n f e r e n c i n g , v i d e o s u r v e i l l a n c ea n de n t e r t a i n m e n t a sd a t at r a n s m i s s i o nb a s e do nt h e3 gn e t w o r k s ， n e t w o r kb a n d w i d t hi sv e r yd i f f i c u l tt og u a r a n t e ea n do f t e nr e c e i v e dm a n yi n t e r f e r e n c e s w h i c hc a m ef r o mn o i s ea n dt h es a m ec h a n n e la n ds oo n s t r e a m i n gm e d i ai st h e c o n t i n u o u s f l o wm e d i aw h i c hi si nt h eu s eo ft r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y w h i l e s t r e a m i n gm e d i ai sd w o n l a o d i n g ，i t i sb r o a d c a s t i n g t h ed e l a yb e f o r es t a r t i n gi sg r e a t l y r e d u c e do nt h ec l i e n t a n da p p l i c a t i o nf l o wi sn o tu s u a l l yk e p tr e c e i v i n gd a t a ，w h i c h g r e a t l yr e d u c et h en e e df o rs t o r a g es p a c e h 2 6 4i sac o m p r e s s i o ns t a n d a r dw h i c hi ss e t u pb yi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n s ，j o i n tj 、，ta n dm p e g i th a sah i g h c o m p r e s s i o nr a t i oa n dh i g hi m a g eq u a l i t yf e a t u r e s s oi ti sv e r ys u i t a b l ef o rt h e t r a n s m i s s i o no f s t r e a m i n gm e d i af o rt h e3 gn e t w o r k s t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa p p l i c a t i o n so ns t r e a m i n gm e d i af o rt h e3 gn e t w o r k sa n d d e s i g n sp l a t f o r mf o rs t r e a m i n gm e d i ac o m p r e h e n s i v e l y w ed e s i g nt h em a i nc o n t r o l m o d u l e ，t h es u bc o n t r o lm o d u l e ，t h ee n c o d i n g d e c o d i n gm o d u l ea n dt h ev i d e or e t r i e v a l m o d u l e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ee n c o d i n g d e c o d i n gm o d u l ea n dt h ev i d e or e t r i e v a l m o d u l ei ns y s t e mm a n a g e m e n tm o d u l e f r o mt h ea b o v et w oa r e a s ，o nt h eo n eh a n d p r o p o s e da ne n c o d i n ga n dd e c o d i n gp r o c e s sw h i c hi ss u i t a b l ef o rt r a n s m i s s i o nf o r3 g n e t w o r k sa n dr e a l i z e di nt h el a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t ；o nt h eo t h e rh a n dd e s i g n e dav i d e o r e t r i e v a ls y s t e mb a s e do n k e yw o r ds e a r c h ，w h i c hc a nr e t r i e v et h en e e d e dv i d e o d o c u m e n t si nt h es y s t e m o u rl a b o r a t o r ys i m u l a t e dt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e3 gn e t w o r k a n dw er a n s t r e a m i n gm e d i ap l a t f o r mi nt h eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n tw h i c hw a ss i m u l a t e d w e r e a l i z e dt h eb a s i cf u n c t i o n so ft h ed e s i g n f o rt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，w es t i l ln e e d t om a k ef u r t h e ri m p r o v e m e n t sa n de x p e r i m e n t s 业宝銮适厶堂亟堂位j 金塞壁工b ! k e y w o r d s ：3 g ；s t r e a m i n gm e d i a ；v i d e or e t r i e v a l ；h 2 6 4 c l a s s n o ：t p 3 1 9 ：t p 2 7 4 致谢 本论文的工作是在我的导师刘云教授的悉心指导下完成的，刘云教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来刘云 老师对我的关心和指导。 刘云教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向刘云老师表示衷心的谢意。 刘云教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张振江老师、穆海冰老师，还有袁尧、张建 功、王镔等同学对我论文中的3 g 无线网络中的流媒体研究工作给予了热情帮助， 在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 丝塞銮适厶堂亟翌焦途塞 序 针对于3 g 无线网络中的流媒体应用问题本文进行了研究，对流媒体平台进行 综合设计。设计了主控模块、分控模块、视频检索模块和编解码模块。本论文将 重点放在编解码模块和视频检索模块。从上述两个方面出发，一是提出了一种适 合3 g 无线网络传输的h 2 6 4 编解码流程，并在实验室环境下进行实现；另一方面 是基于关键字查询，设计了视频检索系统，可以在系统内检索需要的视频文件。 这项工作得到了刘云老师，张振江老师的指导，完成本文是与他们鲍悉心指 导分不开的。 韭立交堑厶堂 亟 堂熊丝塞l壹 1 引言 1 1 论文选题依据和主要研究工作 时代的发展，科技的进步，无线通信技术的发展进入了飞速发展的时期。我 国即将推出的第三代( 3 g ) 移动通信不但可以提供现有的移动电话和短信息等业务， 而且还能提供高速率的视频点播业务，支持高质量的话音、分组数据业务以及实 时的视频传输。 无线网络带宽迅速增加，移动终端将可以获得传统有线网络流媒体业务，这 将成为未来应用的热点之一但是电信业务运营模式是以用户的流量为收费标准， 再加上无线信道由于衰减、干扰等因索引起有不稳定性，这要求必须提供高压缩 率传输可靠的流媒体系统。另外，移动用户终端受到电池寿命、处理能力、缓 存能力的限制，因此客户端使用的算法复杂度也应尽量降低，实时播放，并提缓 存管理等的算法。 3 g 无线网络中，视频信息的庞大数据量给信息的存储和传输带来了极大的困 难。以常见的视频信号p a l 信号为例，分辨率7 2 0 x 5 7 6 ，3 字节，象素，视频图象 的数据量为6 0 秒x 2 5 帧秒x 7 2 0 x 5 7 6 像素帧3 字节，像素= 1 8 6 6 2 4 m 字节。这样， 一个l g 容量的硬盘也只能存放大约为t 5 0 0 帧这样的静止彩色图象，而移动终端 受体积的限制，不可能具有和计算机相同的存储空间。如果仍以2 5 帧秒的帧速率 传输，则视频信号的传输速率大约为1 3 2 7 m b s ，而3 g 无线网络信道的最大带宽 为2 m b s 。由此可见，视频数据量十分巨大，不便于在3 g 无线网络中直接存储和 传输。而数据压缩是一个行之有效的方法，通过数据压缩的手段把信息的数据量 降下来，以压缩编码豹形式存储和传输，即节约了存储空间，又提高了通信信道 的传输效率。 因为在视频数据中存在着极强的相关性，也就是存在着很大的冗余度。因此 可以通过去除冗余信息来实现压缩。静止图象压缩的一个主要目标，是在保持重 建图象质量可以被接受的同时，尽量去除图象本身存在的空间冗余信息。而视频 信号的压缩，是在去除空间冗余的同时，还可以通过去除时间冗余以达到较高的 压缩比。除时间和空间冗余外，在一般的图象和视频数掘中，还存在一些其他的 冗余信息。主要有：信息熵冗余、结构冗余、知识冗余、视觉冗余等。 本文的主要工作是提出了一种适合3 g 无线网络传输的h 2 6 4 编解码流程， 并且设计了图像视频检索系统。 e塞塞道筮翌亟堂位途塞 l亩 1 2 论文组织与安排 本论文共有7 章，安排如下： 第1 章引言。概括本论文主要工作和安排。 第2 章3 g 无线网络的特点及采用的技术。主要对3 g 无线网络的特点和采用 的技术作介绍，为阐述后面论文的主要工作做准备。 第3 章流媒体基本原理和关键技术。主要对流媒体的基本原理和采用的关键 技术作介绍，阐述流媒体压缩编码和q o s 控制等方面的问题。 第4 章基于3 g 的流媒体平台。主要细化的平台所具有的功能，并设计了模 块，同时对网络的拓扑进行说明。 第5 章图像视频检索的应用。主要开发了一种图像视频检索系统，以v c * 作为开发工具，以o r a c l e 数据库，基于关键字进行视频检索。 第6 章h 2 6 4 编码在系统中的实现。对现有的h 2 6 4 标准进行分柝，提出了 一种适合3 g 无线网络传输的h 2 6 4 编解码流程，并进行系统开发。 第7 章结论与展望。对本文研究的内容作出了总结，并指出了进一步研究的 方向。 2 些丞套垣厶主亟堂焦迨塞q 玉线旦缝的挂壶丞丞趔趋挂苤 23 g 无线网络的特点及采用的技术 2 13 g 网络的发展 随着科学技术、信息技术和半导体技术的高速发展，无线通信技术也在高速 发展着。从第一代的模拟技术到第二代的数字技术，以及现在的第三代移动通信 技术，只经历了短短2 0 年时问。现在，全世界的移动通信用户和市场每年以5 0 的 速度递增。当前的蜂窝移动通信系统已从a m p s 和t a c s 为代表的第一代模拟系统 进入了以g s m 与c d m a o n e 为代表的第二代数字系统。虽然第二代系统克服了第 一代系统的系统容量小、频谱利用率低等缺陷，但是业务种类主要局限于话音业 务和低速数据业务，很难满足未来发展的需要。因此，2 0 世纪9 0 年代初期，i t u 提 出了第三代( 3 g ) 移动通信的概念。这套系统工作在20 0 0m h z 频段，并希望于2 0 0 0 年后提供商用，i t u 将这套系统称为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r - n a t i o n a l m o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 ) 1 1 3 。 i m t - 2 0 0 0 的基本目标是提供世界范围的覆盖和在多网络之问进行无缝漫游。 在这方面，i m 1 - 2 0 0 0 要比现在第二代系统的改进版本强许多。显然，l t u 成员国 2 0 0 0 年在伊斯坦命尔做出的正式批准i m t - 2 0 0 0 标准和为3 g 系统确定附加频谱这两 项决定使整个移动工业能实现全球无线系统之梦。 i t u 最终确定t 3 g 无线电传输技术( r a n 3 标准：它分为c d m a 和t d m a 两大类 共5 种技术，其中主流技术为3 种c d m a 技术：1 ) i m t - 2 0 0 0c d m a d s ( 直接扩频) ， 即欧洲和日本共同提出的w c d m a 技术；2 ) i m t - 2 0 0 0c d m am c ( 多载波) ，即美 国提出的c d m a 2 0 0 0 技术：3 ) i m t - 2 0 0 0c d m at d d ，包括我国提出的t d s c d m a 和欧洲提出的u n 认t d d 。 2 0 0 0 年5 月在伊斯坦御尔举办的i t u 世界无线电通信会议( w r c 2 0 0 0 ) 批准了 关于i m t 2 0 0 0 的附加频谱要求。这样，就为在世界范围基础上确定在共用频谱上 运作3 g 系统的地面构成部分做了准备，以满足所有预期的增长。这一共用频谱包 括：8 0 0 9 0 0m h z ，1 7 g h z ，2 g h z 和2 5 g h z 。当前i t u r 正为有序地发展和进 行中的技术推广应用丌发框架。工作的重点将放在i m t - 2 0 0 0 系统增强和超出 i m t - 2 0 0 0 范围之外的系统开发上。预计系统某些增强将包括：更高的速度( 1 0 m b i t s 以上) 、更高的频谱效率、世界范围共用频带的使用和从电路交换向分组交换发展。 对于无线电接人来况，改进将包括：适合的天线、软件定义的无线电、多用户检 测、多接人技术以及更好的压缩技术、更好的业务质量、更好的编解码器、更高 的容量、减轻干扰的技术和创新性业务等。 j e 立銮道厶堂亟堂鱼盈塞2 鱼玉缮囹终鲍堑壶厘丞旦鳆遮盔 2 23 g 系统的特点 i t u 从全球系统、新业务和新功能、演进和过渡及灵活性等方面提出了 i m t - 2 0 0 0 应具备以下主要关键特征和指标1 1 4 j ： 1 ) 具备高速和多种速率传输能力，支持从话音分组数据到多媒体业务，包括低 速寻呼、话音以及与视像和文件传输有关的高速业务。最低无线传输要求是： 车辆通信1 4 4 k b s ： 步行通信3 8 4 k b s ； 室内通信2 m b s 。 2 1 全球覆盖及全球无缝漫游。全球共用一个频段，可在世界范围内使用一个小 型袖珍终端，但也可以容纳各种其他终端，虽不要求各系统在无线传输设备及网 络内部技术完全一致，但要求在网络接口、互通和业务能力方面统一与协调。 3 ) 具有较高的频谱利用率。 4 ) 高服务质量：要求各类移动通信的质量能与固定网业务质量相媲美。 5 ) 高度灵活性：按需分配带宽以支持大范围、可变速率信息的传送；具有支持 上行和下行速率不对称的能力，包括卫星移动通信系统。大范围的工作环境，包 括海、陆、空间的通信，能和有线网互连与兼容，适合发展中国家的需求。具有 从第二代系统演进、用户从第二代系统过渡以及i m t - 2 0 0 0 内部演进的灵活性。 6 1 进一步改善安全性。满足具有巨大需求的个人通信的安全性要求。 7 ) 个人化：用户可以用唯一的个人电信号码( p t n ) 在任何终端上获取所需要的 电信业务，超越了传统的终端移动性，真正实现个人移动性。 2 3高速数据处理能力 移动通信用户对高速数据处理能力的需求是推动第三代( 3 g ) 移动通信系统发 展的动力。近两年来移动通信市场所显现的增长趋势要求未来的移动通信系统能 够提供以下两种主要业务：一是发送和接收时需要同样带宽( 对称) 的低比特率语音 业务；二是发送和接收时需要不同带宽( 非对称) 的高比特率互联网业务。这两种不 同类型的业务对3 g 网络的要求是不同的，这是设计未来移动通信系统时需要特别 考虑的问题。 频分双工( f d d ) 是在对称、成对频带上的运行模式，即发送和接收分别在带宽 相同( 对称) 但频率不同的两个频带( 成对) 上进行，非常适合对称业务，而3 g t l e 对称 业务以及对称和非对称混合业务将导致系统频谱分配和频谱管理发生相当大的变 化。 4 些塞銮适厶堂亟堂位迨塞鱼玉缮旦缝丝链壶霆丞垲鳆拄丕 在3 g 系统中，对于对称语音业务和多媒体业务，由于不同的多媒体业务所要 求的业务信道的带宽不同，因此通常不是以每兆赫的语音信道数量来衡量系统的 效率，而一般是以每兆赫和每小区的数据吞吐量( 即频谱效率) 来衡量。对于非对称 包交换业务和互联网业务，由于其典型特征是上厂f 行链路中负载业务量的不对称 性，而f d d 是在一个固定的上下行链路进行频率分配，想运用f d d 理想地实现频 谱资源的有效利用是不可能的，其频谱综合利用率不能达到最佳。 在这种情况下，为克服f d d 模式的缺点进行了些研究。结果表明，在f d d 模 式下，自适应的频谱分享将导致系统自身干扰和引起电磁兼容性( e m c ) 等问题，增 加了系统的复杂性和整体费用。作为一种选择，利用时分双工( t d d ) 模式极容易设 立一个转换点，使下行链路获得大约8 0 的容量，而将上行链路的容量减至2 0 。因 此，t d s c d m a 的设计参照了t d d 在不成对频带上的时域模式，即发送和接收在 同一频带( 不成对) 的不同时隙内进行。其突出优势是，上，下行链路问的时隙分配 可以被一个灵活的转换点改变，以满足实现所有3 g 对称和非对称业务的要求。 2 4无线网络的不足 3 g 无线信道于其它通信信道相比，由于地形、温度、湿度等环境因素的影响， 是稳定性最差的一种。与在固定传输链路中的电波传输相比，电波在无线信道中 传输时在时域和空域上都会有较大的波动和起伏，因此要对无线信道进行控制和 预测是十分困难的忆 2 4 1 多径衰落 当无线电波在传输过程中遇到障碍物时，会受到反射和吸收。在市区环境中， 由于反射物的数目比农村地区多得多，因而反射波的影响也比农村大得多。电波 可以被各种物体反射，被反射的信号会沿着不同的路径到达接收端，这一现象被 称为多径效应；以不同路径、不同时间到达接收端的反射信号被称为多径波。由 于被反射的信号的强度、传播时间乃发射信号带宽等的不同，使合成后的接收信 号的幅度和相位，甚至波形有可能发生很大的变化，引起畸变或衰落，这种现象 就是多径衰落现象。 在无线信道中一些物理因素会影响多径衰落现象，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 移动台的速度 基站与移动台之间的相对运动会使每个多径分量产生不同的多普勒频移，从 而引起接收信号的随机频率调制。多普勒频移有可能为正，也有可能为负，这取 北塞銮适厶堂蘧堂位途塞3 鱼玉线塑鳖趁挂盛厘苤翘笪整苤 决于移动接收机与基站之间的传播路径是缩短还是加长。 ( 2 ) 周围物体的速度 如果倍道中的物体处于运动中，它们就会对多径分量产生按时间变化的多普 勒频移。若周围物体以明显快于移动台的速度运动，这种效应就会压倒小尺度衰 落；否则，周围物体的运动就可以忽略，只需要考虑移动台的速度。 ( 3 ) 发射信号带宽 如果发射的无线电信号带宽大于多径信道的“带宽”，即信号的自相关时间小 于多径信号的时延差，则接收信号会发生畸变，而小尺度衰落则不明显。若发射 信号相对于信道有一个窄的带宽，则信号的幅度将快速变化，但信号在时间上将 没有畸变。因此，小尺度信号强度的统计特性和小尺度距离范围内信号畸变的可 能性在很大程度上于多径信道的幅值特性、时延以及发射信号的带宽有关。 2 4 2 选择性衰落 ( 1 ) 时间选择性衰落 由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都会有一个明显的频率移动， 由运动引起的接收信号频率的移动称为多频率频移，它与移动用户的运动速度成 正比。多普勒扩展是一种由多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称为 时间选择性衰落或多普勒扩展。 假定一移动台在接收远程信号源s 发出的信号时，正在以恒定速度v 延长度为d 的路段x y 运动。来自信号源s 的电波到达位于点x 和y 的移动用户所经由的路径长 度之差为，zv a t c o s 0 ，其中f 是移动用户从点x 运动到y 需用的时间。 假定信号源离得很远，点x 和y 处的到达角护相同，则出路径长度差引起的信 号相位变化为 西：2 1 r a t ：2 n v a t ：c o s 口 五 五 ( 2 1 ) 式中五为波长。因此，接收频率的变化由下式给出： f ：上型：兰c o s 9 2 万a ta ( 2 2 ) 上式表明，多普勒频移的大小和正负由移动台的运动速度v 以及移动台运动方 向与电波到达方向之问的空鲥角z 度所决定。若移动台按如图方向运动，则多普勒 频移为j 下；若运动方向相反，则多普勒频移为负。利用公式( 2 2 ) 可以算出，当 地面移动通信系统的工作频率为9 0 0 m h z ，且移动用户向着基站以1 0 0 k m h 速度运 6 韭塞銮堑厶堂亟堂熊盈塞鱼歪缮塾堡丝盆盛丞墨基煎挂垄 动时，多普勒频移为+ 8 3 h z ；反之，若移动用户以相同速度离开基站运动。则多普 勒频移为8 3 h z 。 ( 2 ) 频率选择性衰落 反射传输的路径通常比直射的路经长，即反射路径传播的信号到达接收机要 比经过直射路径传输的信号晚。这样，从同一个发射天线发出的信号会经过不同 的时延而在不同的时刻到达接收机，并且在时域上造成信号波形的展宽。为了说 明这一现象，假定基站发射的是个时间宽度极窄的脉冲信号的波形信号w 。 经过传播后，由于各信号时延的不同，移动用户接收的信号为一串脉冲，即接收 信号的波形比原脉冲展宽了。由于信号波形的展宽是由信号的时延引起的，所以 称之为时延扩展( d e l a ys p r e a d ) 。 ( 3 ) 空间选择性衰落 接收端的角度扩展( a n g l es p r e a d ) 指的是多经信号到达天线阵列角度的展宽， 同样，发射的角度扩展指的是由多经反射和散射引起的发射角扩展。在某些情况 下，一路经的到达角( 或发射角) 与路径时延是统计相关的。 空间选择性衰落用相关距离描述。相关距离定义为两根天线上的信道相应保 持强相关时的最大空i 日j 距离。相干距离越短，角度扩展越大：反之，相关距离越 长，则角度扩展越小。 2 4 3 噪声与干扰 在无线信道中除了存在前面提到的衰落外，通信信号还要受到其他信号的干 扰，这种干扰广义上都称为噪声。从广义上讲，噪声包括接收机接收到的任何不 需要的信息。噪声是限制通信系统性能的主要因素之一，因此噪声的影响是必须 面对的一个重要问题。 ( 1 ) 噪声 噪声可分为两大类：一类是源于系统外部的噪声，另一类是源于系统内部， 与外部坏境无关的噪声。内部噪声分为两种：一种是有逻辑器件及其通断电流引 起的噪声：另一种是器材内部电子的热运动造成的噪声。前一种噪声的影响是可 以减少的，甚至可以被完全消除：而后一种噪声是无法消除的，这种噪声分为热 噪声；敖弹噪声；低频加性噪声。 ( 2 ) 干扰 在无线通信系统中，通信链路主要受到两类干扰的影响： i 同道干扰。由同频率的发射信号引起的的干扰。当频率为- ，的信号被同频 率的其他信号干扰时，就会发生同道干扰。 7 韭塞銮适叁堂亟堂位途塞鱼玉线囹鳖鲍堑壶巫丞旦笪焦丕 1 i 邻道干扰。为了充分利用系统所分配的频率资源，常把信道之间的频率间 隔设计的较窄，而这就成为了相邻信道之间干扰的主要原因。当相邻两个信道同 时传输信号时，信号频谱不可避免地要超出信道带宽的限制而扩散到相邻信道内， 而被相邻信道接收机接收到。当邻道干扰功率足够大时，可以引起通信质量下降， 甚至无法正常通信。 2 53 g 无线网络采用的关键技术 2 5 1 初始同步与r a k e 多径分集接收技术 c d m a 通信系统接收机的初始同步包括p n 码同步、符号同步、帧同步和扰码 同步等。c d m a 2 0 0 0 系统采用与i s 9 5 系统楣类似的初始同步技术，即通过对导频 信道的捕获建立p n 码同步和符号同步，通过同步信道的捕获建立帧同步和扰码同 步。w c d m a 系统的初始同步需要经过“三步捕获法”进行，即通过对基木同步 信道的捕获建立p n 码同步和符号同步，通过对辅助同步信道的不同扩频码的非相 干接收，确定扰码组号等，最后通过对可能的扰码进行穷举搜索，建立扰码同步i 4 1 。 同时，移动通信系统是在复杂的环境下进行的，如何克服电磁波传播所造成 的多径衰落问题是移动通信的另一基本问题。在w c d m a 系统中，对分辨出的多 径信号分别进行加权调整，使合成后的信号得以加强，从而在较大成度上降低多 径衰落信道所造成的负面影响。这种技术称为r a k e 多径分集接收技术。r a k e 多径 分集接收技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集和越区软切换技术。 w c d m a 系统和c d m a 2 0 0 0 系统均支持宏分集和越区软切换功能。 2 5 2 高效信道编译码技术 第三代移动通信系统的另外一项核心技术是高效的信道编译码技术，在第三 代移动通信系统主要提案中，除采用i s 9 5c d m a 系统相类似的卷积编码技术和交 织技术之外，还建议采用t u r b o 编码技术及r s 一卷积联码技术。 2 5 3 智能天线技术 从本质上讲，智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应用。 智能天线包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到 达角( d o a ) 估计，并进行空问滤波，抑制其它移动台的干扰。二是对基站发送信号 8 e 巫銮迪厶芏熊士堂位迨塞3 鱼玉线旦鳖盥堑盛盈墨坦的挂苤 进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动电波的到达方向发送回移动台，从 而降低发射功率，减少对其它移动台的干扰。其困难主要在于存在多径效应，每 7 个天线均需一个r a k e 接收机，从而使基带处理单元复杂程度明显提高。目前在第 三代移动通信系统的研制过程中，智能天线技术受到广泛的关注。在提交国际电 联0 t u ) 的3 g r t t 标准建议中，几乎都附加一条：如果有可能，本建议将采用智能天 线技术。 2 5 4 多用户检测技术 在传统的c d m a 接收机中，各个用户的接收是相互独立的。在多径衰落环境 下，由于各个用户之间的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用户之问的相 互干扰，并限制系统容量的提高。解决这个问题的一个有效方法是使用多用户检 测技术，通过测量各用户扩频码之间的非正交性，用矩阵求逆和迭代方法消除多 用户之间的相互干扰。从理论上讲，使用多用户检测技术能够在极大程度上改善 系统容量。目前它在理论上已经趋于成熟，但是由于实现很复杂，因此尚未正式 实用化。如何把多用户干扰抵消算法的复杂程度降低到可接受的程度是多用户检 测技术能否实用的关键。 2 5 5 功率控制技术 在c d m a 系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码之问存在着 非理想的相关特性，用户发射功率的大小直接影响系统的总容量，从而功率控制 技术成为c d m a 系统的最为重要的核心技术之一。 2 6小结 3 g 网络更高的带宽使流媒体在无线环境中的传输提供的环境，而且3 g 网络 可以进一步促进流媒体技术的发展。 9 些塞窑垣友堂亟堂焦鹭塞运攫佳基查厘堡煎! 羞毽兹苤 3 流媒体基本原理和关键技术 3 1流媒体基本原理 流媒体就是使用流式传输技术的连续时基媒体。流媒体可以一边下载一边播 放，这样减少了客户端的启动延时，而且通常流应用并不保存接收的数据，这也 减少了需要的存储空间。 3 1 1 单播与组播 从网络层技术上划分，流媒体传输可以划分成两类：单点对单点的流传输 ( u n i e a s ts t r e a m i n g ，单播) 和单点对多点的流传输( m u l t i e a s ts t r e a m i n g ，组播) 。 单播是指源i p 主机与目的驴主机之间点对点的传输方式。采用单播流媒体传 输，客户端和服务器之间需要建立一个单独的数据传输通道，从一台服务器送出 的每个数据包只能传送给一个客户机。每个用户必须分别对媒体服务器发送单独 的查询，而媒体服务器必须向每个用户发送所申请的数据包的拷贝。组播是指信 源将信息发向所有网络节点的某个确定子集的点到多点的通信形式。这个子集称 为组播组。i p 组播的基本思想是源i p 主机只发送一份数据，在组播组内一个或多个 接收者可接收相同数掘的拷贝，而网络中其它i p 主机不能收到该数据。组播技术实 现了i p 网络中点到多点的高效数据传送能够有效地节约网络带宽。降低网络负载。 单播传输的优点是能够提供较好的单个服务，每个接收端都能够单独与发送 端协商服务参数适用于点播服务。多播有较好的带宽利用率，但是不能够提供 业务灵活性和区别不同接入链路和客户端处理能力，适用于直播和广播服务例。 3 1 2 点播与广播 从服务器与用户之问的主被动关系来看，又可以分为点播和广播。 点播是客户端与服务器之问的主动连接。点播连接提供对流的最大控制。在 点播连接中。用户通过选择内容项目来初始化客户端连接。用户可以开始、快进、 后退、暂停、停止流。点播服务都是采用单播技术实现的。点播适用于视频点播 ( v o d ) 等交互性强的服务。 广播指的是用户被动接收流。在广播过程中。客户端接收流，但不能控制流。 o j e 立窒堑盘堂亟堂位垃塞逋丝焦基奎厦堡塑! 羞毽燕莶 用户不能快进、后退、暂停等。广播服务可以采用单播或组播技术实现。但广播 服务一般采用组播技术实现，只需将数据包的单一拷贝发送到网络上。所有加入 相应组播组的主机都可以接收到相同的数据拷贝。广播适用于直播、网络电视转 播和远程教育等服务。 3 1 3 流媒体传输方式 流式传输有两种方法：顺序流( p r o g r e s s i v es t r e a m i n g ) 传输和实时流( r e a lt i m e s t r e a m i n g ) 传输。 ( 1 ) 顺序流传输 顺序流传输是顺序下载。用户可以一边下载文件一边观看在线媒体。这种传 输，用户只能观看已下载的那部分，而不能跳到还未下载的部分。顺序流传输基 于h t r p 协议，也称为h t r p 流式传输。用标准的w e b 服务器就可以实现顺序流服务。 因为顺序流传输在播放前观看的部分是无损下载的，所以可以保证播放的最 终质量，但是用户在观看前必须经历延迟。顺序流传输比较适合高质量的短片段， 如片头、广告等。不适合长片段和有随机访问要求的视频。由于顺序流采用h t r p 协议，可以顺利穿透防火墙【9 】。 ( 2 ) 实时流传输 实时流传输基于实时流协议( r t s p ) 或微软公司专有的多媒体服务协议 ( m m s ) 。实时流传输需要专门的流媒体服务器支持。流媒体服务器与w 曲服务器发 送数据的方法是有区别的。w e b 服务器被设计为尽快、尽可能多的发送数据。而流 媒体数据需要以一定的速率持续传送。流媒体服务器限制了单个流的发送带宽， 所以支持更多的用户并发连接，并持续地接收流。另外流媒体服务器可以根据网 络状况，调整发送速率，实现智能流传输。 实时流传输支持用户的随机访问，用户可以快进或后退以观看前面和后面的 内容。实时流传输必须匹配连接带宽，因此在低速连接时图像质量较差，而且， 由于出错和丢失的数掘被忽略，当网络出现拥塞时会严重影响视频质量。另外， 实时流传输协议在通过防火墙时可能会出现问题。 3 2压缩编码技术 压缩编码的主要任务是通过压缩减少多媒体数据流的传输码率以适应网络传 输带宽，并通过流式编码处理，改善网络传输后的回放性能。例如通过多码率编 韭峦銮堙厶堂亟堂位论塞速班佳基奎厘堡垂! 苤毽撞查 码处理，可以根据网络带宽变化，动态地调整流的速率。 3 2 1 常用压缩编码方法 各种流媒体平台所采用的压缩编码技术各不相同，主要包括m p e g 1 、 m p e g 2 、m p e g 4 等，其中m p e g ，1 2 4 是公开标准。m p e g 1 和m p e g 2 的压缩率 大概在2 0 3 0 倍之间。这样的压缩率用于网络传输还是太低。于是m p e g 小组制定 了m p e g 4 标准。m p e g ，4 采用了对象的概念。引进了许多新的压缩技术来应用于 各种不同的对象。对于声音部份，可以分成自然音、语音和合成音。针对不同发 声原理采用不同的算法。在影像方面，则可细分为自然物体、2 d 影像、3 d 影像、 人脸、背景等不同特性对象。m p e g - 4 的压缩率可以超过1 0 0 倍，而仍然保有极佳 的音质和画质。另外，m p e g 4 还把提高多媒体系统的交互性和灵活性作为一项重 要的目标，因此它更适合于交互式a v 服务以及远程监控1 2 】。 3 2 2 自适应编码技术 通常使用自适应的编码技术来减少网络状况变化的影响。 ( 1 ) 一般的自适应技术 服务器自适应技术：其中一种技术就是转换编码( t r a n s c o d i n g ) 。对已经编码 的数据进行速率转换。虽然它的复杂度小于一个完整的编码器，但是进行比特重 分配和重新进行运动矢量搜索等操作导致运算量比较大。服务器白适应技术要求 服务器具有一定的自适应能力以满足客户端的需求，对于客户端很少的服务器可 以考虑采用这种技术，不适合于对每一个客户端都采用复杂的处理技术。这种方 法简化版本是动态速率修整( d y n a m i cr a t es h a p i n g ) 。通过有选择地丢弃一些量化 过的变换系数或块数据，或对块进行重新量化来改变码率。但是这对于服务器而 言仍然是过于复杂。 基于反馈的自适应编码器：存在反向信道且需要的信息都可以获得的情况下， 编码器能够知道并适应带宽和分组丢失等情况的变化。一种方法是根据接收方的 差错情况自适应选择编码模式。另一种方法是根据接收方的反馈信息进行输出码 率调整。基于反馈的自适应编码器的缺点是需要与编码器交互，即编码器要在线 ( o n ，l i n e ) 编码。如果是编码单独进行( o f f - l i n e ) ，这种方法就不能使用。 ( 2 ) 码率自适应编码技术 使用码率自适应技术的一个基本的约束是视频编码器不能只针对单个的用户 的情况进行自适应调整，而是要考虑多个用户的共性。另外一个约束是服务器只 1 2 业塞銮适厶堂亟堂位途塞逛丝馇蕉奎厘堡塑羞毽照垄 能进行少量的操作，复杂的技术是不现实的。并且流服务器不应该过多地依赖于 视频编码的经验假设，因为视频编码很可能是经常变化的。一个灵活的服务器应 该是独立于编码器或独立于媒体的。 动态流切换( s t r e a ms w i t c h i n g ) ：根据客户端的带宽情况使用不同码率的媒体 流对其进行服务。通常的方法是在编码的时候就根据不同的目标码率产生几个流。 这些流往往存放在一个磁盘文件中，根据服务时的需要进行选择，即流切换。静 态的流切换是在会话开始的时候确定所需速率的流进行服务，以后不再改变。更 为灵活的是动态流切换，即提供服务的时候根据当前网络带宽的变化进行切换。 许多商用的流媒体系统使用这种技术。这种方法对编码器提出了很高的要求，大 大增加了编码器的复杂度，而且自适应的码率是有限的，取决于编码时的设置。 圈3 1 分级编码算法 可分级编码( s e a l a b l ec o d i n g ) ：编码的时候分为几个层次或级别，每一层依 赖于它下面的所有层次构成输出码率不同对应于不同视频质量的视频流，如图l 所 示。通常有一个层次的数据是最基本的数据，满足视频质量的最低要求，称为基 本层( b a s e l a y e r ) 。其他的层称为增强层。所有层次综合恢复出原来的视频序列因 此能够提供的视频质量从基本层( 最差) 到所有层的综合( 最好) 。增强层是有级别的。 一般最低要求是至少保证基本层的传输，依次按层次级别递增，因为如果缺少下 面的任何一层，在上面的增强层就没有任何作用。这种技术也可以称为分层编码 韭塞至迪厶堂亟堂缱硷塞渔丝焦基奎厦理塑差毽蕉苤 ( l a y e r e dc o d i n g ) ，它比流切换技术灵活。m p e g ，2 中就提出了空间域分级( s p a t i a l s c a l a b i l i t y ) ，时间域分级( t e m p o r a ls c a l a b i l i t y ) 和信噪比分级( s n rs c a l a b i l i t y ) 编码。 空间域分级编码也称为分辨率分级编码，先为视频流中的帧产生不同分辨率 的表示序列，即进行空自j 亚采样形成不同层次的数据。随着层次的叠加，分辨率 越来越高，同时码率也越来越高。根据需要接收不同数目的层就可以在速率的约 束下尽量获得好的视频质量。 时间域分级编码通过对帧进行时间亚采样来改变帧率，通俗讲就是抽帧，抽 出来的帧构成增强层。通常将b 帧( 双向预测帧) 作为增强层，因为b 帧不作为运 动补偿的参考帧。丢弃它，其他的帧的质量没有影响。p 帧( 预测帧) 也可以作为 增强层，但是丢弃p 帧会影响到后面直接或间接以它为参考帧的帧。实验发现，仅 仅使用时间域分级编码往往不能满足所需要的码率自适应。 s n r 分级编码与空间域分级编码很相似，它是通过改变量化参数来达到分级 编码的目的。基本层进行粗量化，增强层则是对重建的基本层与原始帧的差进行 编码。显然基本层由于丢失的信息比较多而质量较差，随着增强层的叠加质量