（信号与信息处理专业论文）无线多媒体网络的端到端业务质量研究.pdf

无线多媒体网络的端到端业务质量研究 摘要 近年来，无线通信技术得到了长足的发展，网络带宽、网络容量 以及网络质量都得到了很大提高，无线网络所承载的业务类型也由简 单的话音和文本业务拓展到以高质量的音频、流媒体及可视电话为代 表的多媒体业务。 与有线网络上的多媒体应用相比，无线多媒体具有下面几个重要 特征：无线信道的带宽非常有限；无线传输环境和用户的移动性导致 时变的无线信道质量；无线多媒体终端成为限制业务质量( q o s ) 的瓶 颈等。在这种条件下，如何保证和提高无线多媒体的服务质量成为多 媒体应用研究的热点。 本论文从多媒体业务的特征和无线环境的特点入手，分析了无线 多媒体的q o s 控制机制和影响业务质量的环节，搭建了无线多媒体 网络的仿真环境，在此基础上重点研究了典型的无线多媒体网络对端 到端业务质量的影响。具体而言，本论文完成了以下几项工作： ( 1 ) 建立了w l a n 上的多媒体应用仿真模型，包括：流媒体服务器 模型、移动节点模型、无线传输模型和无线终端模型，并在此 基础上研究它对流媒体业务质量的影响。 ( 2 ) 搭建了端到端的w c d m a 仿真模型，并以此为基础，研究它对 视频业务的影响。 ( 3 ) 研究了w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 分组调度策略对流媒体业务质 量的影响。 关键字：无线多媒体服务质量、无线局域网 第三代移动通信 e n d t o e n d q o s r e s e a r c hf o rw i r e l e s s m u l t i m e d i an e t w o r k a b s t r a c t w i t h i nr e c e n ty e a r s ，w i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o nh a sm a d eg r e a t a d v a n c e ，w h i c hr e s u l t si nh i g h e rb a n d w i d t h ，c a p a c i t ya n db e t t e rq u a l i t yo f s e r v i c e s b a s e do nt h i s ，t h es e r v i c e sc a r r i e db yw i r e l e s sn e t w o r k sh a v e b e e ne x p a n d e df r o mg e n e r a lv o i c ea n dt e x tt oh i 【g h q u a l i t ym u l t i - m e d i a s e r v i c e s ，i n c l u d i n ga u d i o ，v i d e o ，s t r e a m m e d i aa n dv i s u a l t e l e p h o n e c o m p a r e dw i t h m u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n s o nt h e w i r e d n e t w o r k ， w i r e l e s sm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sh a v es u c haf e w k e yf e a t u r e s ：a v a i l a b l e b a n d w i d t hr e s o u r c ei sv e r yl i m b e d t r a n s m i t t i n gc h a n n e li st i m e v a r i a n t r e s u l t e df r o mw i r e l e s st r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n ta n d m o b i l i t y o f e n d u s e r s ，a n dt e r m i n a l sb e c o m et h eb o t t e n e c k t o q u a l i t y o fs e r v i c e ( q o s ) b a s e do nt h ef a c t ，h o wt og u a r a n t e ea n de n h a n c et h eq o sh a v e b e e nt h ek e yi s s u e sf o rw i r e l e s sm u l t i m e d i a t h i st h e s i s b e g i n s w i t hab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h e f e a t u r e so f m u l t i m e d i as e r v i c e sa n dw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n t h e n ，i tf o c u s e so n t h e a n a l y s i s t ot h e c o n t r o lm e c h a n i s mf o r q o s d e d i c a t e ds i m u l a t i o n e n v i r o n m e n ti sb u i l tf o re n d t o e n dq o sr e s e a r c h w h i c hc a np e r f o r m s y s t e m l e v e ls i m u l a t i o nf o rw i r e l e s sl o c a la r e a ( w e a n ) a n dt h et h i r d g e n e r a t i o n m o b i l en e t w o r k t h em a i nt a s kf u l f i l l e d b yt h i s t h e s i si s s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) aw l a ns i m u l a t i o n m o d e li sb u i l t u p ，w h i c h c o n s i s t so f s t r e a m m e d i a s e r v e r , m o b i l en o d e ，w i r e l e s st r a n s m i t ，a n dw i r e l e s s t e r m i n a l u s i n gt h i sm o d e l ，q o sr e s e a r c ho fs t r e a m i n g m e d i as e r v i c eh a s b e e nc a r r i e do u t ( 2 ) as y s t e m - l e v e l w c d m as i m u l a t i o np l a t f o r mf o re n d t o e n d q o s r e s e a r c hh a sb e e ns e tu p q o so fv i d e os e r v i c e sh a sb e e nm e a s u r e do n t h i sp l a t f o r m ( 3 ) p a c k e ts c h e d u l ep o l i c yu s e di nw c d m a a n dc d m a 2 0 0 0h a sb e e n i n v e s t i g a t e d ，w h i c hr e v e a l s i t se f f e c t st ot h eq o so fs t r e a m i n g - m e d i a s e r v i c e k e yw o r d s ：w i r e l e s sm u l t i m e d i a q o s w l a n3 g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 拯a 亡岛 日期： 趔笠：；：埋 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和腊 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：益五3 王 日期： 地l ! = ：；3 女 导师签名： 磊瓷蛸 1 7 t 期：垫! i ：至】2 拙立监虫盔堂耍圭监坠一一 孟彗墨堪岱匦缝曲强到端些蕴魔量煎窀 第一章无线多媒体简介 近年来，无线通信技术得到了长足的发展，网络带宽、网络容量以及网络质 量都得到了很大提高，这使得无线网络不仅能承载简单的话音和文本业务，也能 承载以高质量的音频、流媒体及可视电话为代表的多媒体业务，即：无线多媒体 业务。由于无线多媒体是无线传输技术和多媒体技术的相结合的产物，既具有无 线网络随时在线、使用方便的特点，又具有多媒体固有的特征，极大地拓展了多 媒体的应用领域，为多媒体业务提供了广阔的市场应用前景。 本章着重介绍多媒体的相关知识，无线多媒体的特征以及无线环境下，多媒 体应用的q o s 问题。由于音视频技术是多媒体通信的核心，所以本文以音视频 应用为代表来介绍多媒体及其应用。 1 1 多媒体及其特征 1 1 i 什么是多媒体 根据国际电联( i t u - t ) 的定义，媒体包括：感觉媒体、表示媒体、显示媒 体与传输媒体。多媒体则是指相互之间以时空同步的方式存在的多个媒体。 多媒体技术及时同时处理多种对象并把他们融合在一起的技术，它集计算 机、通信和信号处理为一体，是多学科的交叉技术。多媒体之所以能够在2 0 世 纪8 0 年代末出现并立即在全世界范围内得到迅速发展，得益于图像压缩编码技 术的成熟、大规模集成电路的发展以及大容量数字存储技术的发展。 多媒体通信综合了多种媒体信息间的通信，它是通过现有的各种通讯往来传 输、转储和接收多媒体信息的通信方式，几乎覆盖了信息技术领域的所有范畴， 包括数据、音频和视频的综舍处理和应用技术。多媒体通信系统应具备存储、传 输、处理、显示多种表示媒体的功能。多媒体通信是未来通信发展方向之一，多 媒体通信技术使计算机的交互性、通信的分布性以及电视的真实性融为体，向 人们提供了全新的信息服务。近年来各类通信网上出现了越来越多的多媒体应 用，多媒体业务将会成为未来通信服务市场的主流。目前使用最为广泛且发展前 景最好的多媒体业务主要是会议电视、远程教学、远程医疗、可视电话等业务。 总之，多媒体通信的出现极大的改变了社会生活，使人们接触的信息空前地 丰富和多彩，生活更加舒适和便捷。但同时也带来了巨大的挑战，需要在许多关 韭童埋豆点堂题监基一 玉堡垒搓佳睡垡曲塑到监些釜魔量蟹宜 键技术上有所突破。 1 1 2 多媒体系统的特征 多媒体通信系统具备集成性、交互性、同步性三个特征【1 】： ( 1 ) 集成性： 多媒体通信系统应至少包括两种或两种以上的表示媒体，如视频图像、文本 数据、语音及图形动画等，同时处理、存储、传输，并能显示多种感觉媒体，各 种媒体之间相互关联，不能分离，组成统一体。 ( 2 ) 交互性： 交互性指的是在通信中人与系统之间的相互控制能力。多媒体通信系统必须 能以交互方式进行工作，而不是简单的单向、双向传输或广播，因此，它能够真 正实现多点之间、多种媒体信息之间的自由传输和交换。如果需要，这些信息的 交换要做到实时进行，而且多媒体终端用户对通信的全过程有完整的交互控制能 力。在多媒体通信系统中，交互性有两个方面的内容：其一是人机接口，也就是 人在使用系统的终端时，用户终端向用户提供的操作界面：其二是用户终端与系 统之间的应用层通信协议。 多媒体通信终端的用户对通信的全过程有完备的交互控制能力，这是多媒体 通信系统的一个主要特征，也是区别多媒体通信系统还是非多媒体通信系统的一 个主要准则。例如：数字彩色电视机可以对多种表示媒体( 图像编码、声音编码) 进行处理，也能进行多种感觉媒体( 声、文、图) 的显现，但用户除了能进行频 道切换来选择节目外，不能对它的全过程进行有效的控制，因此，彩色电视机不 是多媒体系统，点播电视( v i d e oo nd e m a n d ，v o d ) 就不一样了，它可以对其全 过程进行有效的控制，因此，v o d 系统是多媒体通信系统。 ( 3 ) n 步性： 由于各种表示媒体所采用的编解码方法不同，存储的数据库不同，传输的途 径也可能不同，但在用户多媒体终端显示时必须将这些表示媒体按要求同步，以 构成个整体的信息。同步性指的是在多媒体通信终端上显现的图像、声音和文 件之间的同步关系。多媒体通信系统中的同步性是多媒体通信系统中最主要的特 征之，可以这样说：信息的同步与否决定了系统是多媒体系统还是多种媒体系 统。 对多媒体通信系统来说，以上3 个特性必须是并存的，缺一不可的。缺少其 中之一，就不能称其为多媒体通信系统。特别是交互性，它向用户提供了更有效 的控制和使用信息的手段，可以加深人们对信息的理解和注意力：它使被动地获 哉崴蛆虫左堂煎主监奎一 玉缉垒握住圆蛰的端至i 巅些釜厦量班究 取和使用信息变得主动按用户所需要的顺序重新组织事件，交互性是多媒体通信 的重要标志。 1 2 多媒体通信 10 2 1 多媒体通信的特点 多媒体通信是指在一次呼叫过程中能同时提供多种媒体信息声音、图 像、图形、数据、文本等的新型通信方式。它是通信技术和计算机技术相结合的 产物。和电话、电报、传真、计算机通信等传统的单一媒体通信方式比较，利用 多媒体通信，相隔万里的用户不仅能声像图文并茂地交流信息，分布在不同地点 的多媒体信息，还能步调一致地作为一个完整的信息呈现在用户面前，而且用户 对通信全过程具有完备的交互控制能力。这就是多媒体通信的分布性、同步性和 交互性特点。 多媒体通信的应用范围十分广泛。它的业务类型主要有以下几种： ( 1 ) 会话型：你在家中与远方的朋友通电话，可以看到他的形象；你与远在 国外的合作伙伴进行贸易谈判，可以逼真地看到对方提供的样品，还可以把已签 字的合同立即传送给对方；你甚至可以坐在办公室或家中，利用自己的计算机和 分散在世界各地的同行起“开会”商讨问题，等等。 ( 2 ) 电子信函型：你可以在任何时间向远方的朋友发出( 或接收) 集声像图文 于一体的“电子邮件”。 ( 3 ) 检索型：你可以随时从不同地点的多媒体数据库中检索到需要的多媒体 信息。 ( 4 ) 分配型：你可以在家中随意点播你想收看的电视节目。 要实现应用前景如此诱人的多媒体通信，需要解决许多重大技术问题。首先 是通信网问题。最适合多媒体通信的通信网，是宽带综合业务数字网，它能灵活 地传输交换具有不同传输速率、不同性能要求的多媒体信息：世界各国正在着手 建设的“信息高速公路”，为容纳多种媒体信息的“车辆”通行无阻创造了条件。 其次，要解决多媒体信息的“压缩”问题，把音频、视频信号的频带压缩到一定 范围，否则“信息高速公路”上就容不下那么多的多媒体信息的“车辆”了，还 要研制至少可以存储、显示处理两种以上多媒体信息的多媒体终端设备等。 扯童唑皇左生受i 金室 玉缉圭搓盐塑缝曲端到益业蠡厦置班宜 1 2 2 多媒体通信对传输和网络的要求 一 不同的多媒体通信业务的传输特性和对网络的要求可以相差很远。表1 - 1 列 出几种主要多媒体业务对传输与网络的要求。多媒体业务对传输与网络的要求大 体可分为两类： ( 1 ) 话音和活动图像要求实时传输，对时延十分敏感，但对误码的要求不太 高。而这些实时信息又因种类不同，所需传送的速率也有较大差距。例如，话音 传送速率可为o 0 0 5 0 0 6 4 m b s ，而活动图像可达1 1 0 m b s 。 ( 2 ) 数据文件、静止图像等非实时信息传输，对时延无严格要求，但对误码 率要求很高，这一类业务的传送速率也有较大不同。 表1 1 几种主要媒体业务对传输与网络的要求 要求最大时延最大时延速率( m b s )平均吞吐可接受的可接受的 ( s ) 波动( i t i s )量( m b s )误比特率误分组率 话音o 2 5l o0 0 0 5 - - 0 0 6 40 0 6 4 1 0 。2 1 0 0 活动图像 0 ，2 5l o1 0 0 1 0 0 01 0 01 0 21 0 。3 静止图像 l2 - 1 02 1 01 0 4l o 9 压缩后活 0 2 5l0 0 2 l o2 1 01 0 61 0 4 动图像 数据文件12 l o o2 - 1 0 0 00 实时数据 0 0 0 1 1 1 0 6 ) ， 可以传输清晰度较好的会议电视图像。其基本算法与m p e g 标准类似但h 2 6 l 所需要的计算量显著下降。这种算法通过均衡图像质量和运动来优化带宽，所以 对于快速运动的图像，图像重建质量会下降。h 2 6 1 的输出速率是恒定的，而图 像质量非恒定。 h 2 6 3 t 5 l 是i t u 关于码率低于6 4 k b s 的窄带信道视频编码建议，它是在 h 2 6 1 建议的基础上发展起来的，其帧频为每秒l o 帧以上，图像分辨率为1 7 6 象素1 4 4 行( q c i f 格式) 或者1 2 8 象素9 6 彳亍( s q c i f 格式) 。 l 2 6 3 是 为了支持低速率的通信而制定的标准，但同时希望码流能够适应较大的动态范 围，而不仅限于低码率，能够取代h 2 6 1 。h 2 6 3 的容错能力很强，能适应误码 率高的信道。h 2 6 1 和h 2 6 3 的主要区别在于：h 2 6 3 在运动估计时采用了半像 素精度，h 2 6 1 是整像素精度。同时h 2 6 3 还增加了四个选项：搜索范围不受限 的运动估计( u n r e s t r i c t e dm o t i o nv e c t o r s ) ，算术编码( s y n t a x b a s e da r i t h m e t i c c o d i n g ) ，高级预测( a d v a n c e dp r e d i c t i o n ) ，类似于m p e o 的前向和后向预测帧 ( p b 帧) 。 h 2 6 3v e r s i o n2 t 6 】( 或称h 2 6 3 + ) 是在h 2 6 3 的基础上以增加编码的可选 项的形式改进的，在语法上与h 2 6 3 兼容，但编码效率有很大提高，适用范围也 更大。其主要的应用方向仍是低码率的视频业务，用于p s t n 以及无线接入的高 误码比的通信环境，因此在h 2 6 3 + 中既增加了一些改进编码效率的方法，同时也 提高了抗误码性能的能力。由于实现成本较低，h 2 6 3 + 标准已经越来越多地被采 用。 h 2 6 3 + + 已经由i t u t 正式制定为标准，并且在h 2 6 3 + 的基础上增加了三个 韭塞韭生太芏亟竣毫 无线墨堪佳旦终曲箍到端些盘魔量逝究 选项，主要是为了增强码流在恶劣信道上的抗误码性能，同时也是为了增强编码 效率。这三个选项分别为： 选项u ( a n l e xu ) ：一个增强型的参考选择( e n h a n c e dr e e r e r l c ep i c t u r e s e l e c t i o n ，e r p s ) 。能够提供增强的编码效率和信道错误再生能力，实现e r p s 模式时需要设计多缓冲区用于存贮多参考帧图像。 选项v ( a n n e xv ) ：一个数据分片的模式( d p s ) 。能够提供增强型的抗误 码能力( 特别是在传输过程中本地数据被破坏) 。d p s 的思想是通过分离视频码 流中d c t 系数和运动矢量数据，将运动矢量的数据采用可逆编码的方式进行保 护。 选项w ( a n n e xw ) ：在h 2 6 3 + 的码流中增加的补充信息，保证增强型的反 向兼容性。附加信息包括指示采用的定点i d c t ( i n v e r s ed c t ) 、图像信息和信 息类型、任意的二迸制数据、文本( 任意的版权、标题、视频描述，统一的资源 识别) 、重复的图像头( 当前的、前帧、可靠参考时间的下帧，不可靠参考时 间的下一帧) ，交替的场( 上或下场) 指示，稀疏的参考帧识别。 h 2 6 4 由i s o i e c 和i t u 共同制定的新标准，它能够在i n t e m e t 上，通过使 用比其他同类标准少得多的网络资源，传播d v d ( d i g i t a l v i d e od i s k ) 品质的媒体内 容，而且h 2 6 4 使得在卫星或是有限电缆上，每信道能传送4 路高清节目。其运 行费用比基于m p e g - 2 系统低得多，这对于有线电视投资者无疑具有巨大的吸 引力，由于h 2 6 4 编码比现有的编码算法的压缩比高l 倍，使其在移动通信领域 也占有一席之地。 2 3 3m 田e g 运动图像专家组( m o v i n g p i c t u r e e x p e r t sg r o u p ，m p e g ) 原来是 i s o i e c ，j t c l s c 2 9 下面的第1 i 工作组w g l i ，成立于1 9 8 8 年，任务是研究 开发活动图像及其声音的数字编码国际标准。m p e g 从开始的1 5 家单位发展到 现在的1 0 0 多家单位参加。i s o m p e g 在1 9 9 1 年1 1 月提交了i s o1 1 1 7 2 标准 建议草案【7 1 。它主要用于数字存储媒体的码率为1 5 m b s 的活动图像及其声音的 编码( c o d i n g o fm o v i n g p i c t u r e sa n da s s o c i a t e da u d i of o rd i g i t a ls t o r em e d i a a tu pt o 1 5 m b s ) ，即通常所说的m p e g - 1 。该标准于1 9 9 2 年1 1 月通过，1 9 9 3 年8 月 公布。目前在影视和多媒体计算机领域中得到了广泛应用。 m p e g 1 标准主要是为了视频存贮媒体如v c d 而制定，该标准能够适应变 码流的处理，其主要目的是在1 1 5 m b l s 的情况下，提供3 0 帧e i f ( 3 5 2 2 8 8 ) v h s 的质量的图像。m p e g 。i 的实时编码通常需要硬件才能完成，解码可以用 j 瘟噬电盘堂亟监墓 玉缝墨握住凰垒鲮捌到端、业蒸瘗量班宜 软件来完成。m p e g l 不能提供分级图像编码，也不能在丢包率高的情况下应 用。 19 9 2 年7 月m p e g 开始制定m p e g - 2 ，而在此之前，i t u t 也成立了一个 a t m 环境下图像编码的专家组，由此开始了j t c l 和i t u t 的合作。m p e g 2 是m p e g 制定的第二个国际标准。m p e g 一2 标准扩展了m p e g 一1 标准，能够支 持高分辨率图像和声音。目标码率是在3 1 5 m b s 传输速率条件下提供广播级的 图像，而且能够提供信噪比( s i g n a l n o i s er a t i o ，s n r ) 、时间和空间三种分级编 码。该标准应用于卫星广播时，在当前的一个模拟信道中，不牺牲质量的情况下 能提供5 路数字的编码节目。 m p e g 一4 【8 j 是i s o m p e g1 9 9 1 年5 月提出并于1 9 9 3 年7 月得到确认，其目 标是极低码率的音频视频压缩编码，它支持用于通信、访问和数字视听数据处 理的新方法f 特别是基于内容的) 。考虑到低损耗、高性能技术提供的机会和面临 迅速扩展的多媒体数据库的挑战，m p e g - 4 将提供灵活的框架和开放的工具集， 这些工具将支持一些新型的和常规的功能。m p e g 4 支持逐行扫描和隔行扫描， 是基于视频对象的编码标准，通过对象识别提供了空间的可伸缩性，m p e g - 4 标 准是今后一段时间压缩标准的主流。m p e g - 4 标准既能够支持码率低于6 4 k b s 的视频应用，也能够支持广播级的视频应用。与其他压缩标准相比，m p e g - 4 标 准在d c t 的基础上引入了图像模型的概念从而具有更高的压缩效率。m p e g - 4 的工作集中于发展m s d l ( m p e g - 4s y n t a c t i cd e s c r i p t i o i ll a n g u a g e ) 语言。m s d l 和j a v a 的思想一样，能够通过下载功能模块部分建立新编解码器。m p e g - 7 ( 1 9 9 6 2 0 0 0 ) 是多媒体内容描述接口，与前述标准集中在音频视频内容的编 码和表示不同，它集中在对多媒体内容的描述。 2 4 适合无线传输的m p e g 一4 分级视频编码 m p e g 4 的可分级视频编码( 分为s n r 可分级、时间可分级、空间可分级) 是一种灵活的视频编码方案，适用于应用要求和环境因素在较大范围内变化的情 况，因而获得广泛的应用。在上述3 种可分级视频编码基础上，m p e g 一4 采纳了 一种更好的可分级的视频编码方案作为标准，即精细可分级视频编码( f i n e g r a n u l a f i t vs c a l a b i l i t y , f g s ) 。在视频比特流变化较大情况下，该方案在基本层基 础上加上增强层，从而在无线信道容量有较大变化的情况下还能获得较好的视频 质量。 1 6 j 立邮电左主亟：量：l 佥童盂堡垒搓佳嗵蟹的凿至4 蠲些釜厦蕾班宜 2 4 1 可分级编码的概念 在传统的视频编码中，视频数据可以压缩到小于或接近信道容量的比特率， 解码器根据从信道接收到的所有比特重组视频信号。但是在这种模型中，必须满 足的条件是编码器必须知道信道的容量。实际上，在无线应用中由于信道容量的 可变性，编码器不再知道信道的容量，不能使视频质量在该比特率时达到最优。 因此，应用于无线的视频编码是在一段给定的比特率范围内尽量使视频质量达到 最优而不是原来的给定的一个比特率。解码器以能够重组最优质量视频的比特率 对视频流进行部分解码。可变的视频编码能解决此类问题。 可分级编码的结构框架，可分级的编码器产生多个的子流。其中的一个压缩 子比特流是基本子流，它能单独的解码，提供较粗糙的视频质量。另一个压缩子 流被称为增强子流，仅能和基本子流一起编码，提供更优的视频质量。完整的比 特流( 包括所有的子流) 能提供更高的质量。 2 4 2 分级视频编码的分类 f i ) s n r 可分级视频编码 s n r ( 信噪比) 的可分级性是以相同的帧率和空间分辨率把原始视频数据压 缩成两层，但是它们的量化精度不同。首先，基本层比特流经过基本层可变长解 码器( v a r i a b l el e n g t hd e c o d e r ，v l d ) 解码。然后被反量化产生重建的d c t 系数。 增强的比特流在增强层进行可变长解码，d c t 系数的增强残数在增强层反量化 时产生。因此，通过增加基本层的重建d c t 系数和增强层的d c t 残数可获得更 高精确度的d c t 系数。具有更高精确度的d c t 被传递给反d c t 单元产生重建 图像的主要残数，这些残数被加到从前一帧来的运动补偿块。 f 2 ) 时间可分级视频编码 时间可分级性是把原始视频数据以相同的空间分辨率，不同的帧率压缩成两 层。基本层以低帧率编码，相反增强层以较高的帧率编码提供缺少帧的信息。因 此时间可分级的编码效率较高，接近于不可变的编码。在基本层只采用p 帧预测， 而在增强层采用来自基本层的p 帧或b 帧或者来自增强层的p 帧进行预测。 j e 立鲤皇太堂鳃：笪金奎 王缝垒堪佳囹垒曲媸到盥些釜瘗量班究 图卜i 时间可分级视频编码 f 3 1 空间可分级编码 时间可分级性是把原始视频数据以相同的帧率，不同的空间分辨率压缩成两 层。基本层以较低的空间分辨率编码。重建的基本层的图像进行超抽样以形成在 增强层高分辨率图像的预测。如果基本层的空间分辨率和增强层的相同，也就是 超抽样系数为l ，这时空间可分级解码器被看成是一个s n r 可分级解码器。 2 4 3 精细可分级视频编码( f g s ) 图1 - 2 空间可分级鳊码 ( 1 ) 精细可分级视频编码原理 f g s 己被标准化成为m p e g 4 的一部分【1 1 l 。m p e g - 4 的f g s 编码方式是把 视频流编码成两个比特流：一个非分级运动补偿的基本层( b a s i cl a y e r , b l ) ，和 一个精细可分级的增强层( e n h a n c e dl a y e r , e l ) 视频流。根据可获的信道带宽， 或解码器的容量，仅有一部分的e l 和b l 一起得到传输。f g s 的帧结构也有一 系列丰富的工具，目的在于提高客观和主观的f g s 的视频编码方法的质量 f g s 编码器把原始视频流压缩成两个子流，个基本层比特流和一个增强层 比特流。基本层能单独进行解码提供较粗糙的视频质量。增强层仅能和基本层一 j 立邮电盘坐塑监童 玉缉墨熊佳圆终曲拙到塑墼釜厦置班宜 起编码，作为补充提供更优的视频质量。和其他的可分级编码方法不同，f g s 编码器对增强层视频流采用比特平面编码。正如我们所知，在传统的d c t 编码， 量化的d c t 系数采用游程( r u n l e v e l ) 编码。在一个非零的d c t 系数前的连续 为零的系数的数目被称为“游r u n ”，而非零d c t 系数的绝对值被称为“程l e v e l ”。 比特平面编码方式和游程编码方式的最大区别在于，比特平面编码方式把每个量 化的d c t 的系数看成几个比特中的一个二进制整数，而不是一个确定值的十进 制整数。因此采用比特平面编码方式的任意编码比特能重建d c t 的系数。采用 比特平面编码方式作为补充，f g s 可获得对增强层的连续的比特控制。这是因为 增强层比特流能在任意地方被截断从而获得对象的比特流。任意的从增强层接收 的比特能用来提高视频的质量，这在其它的可分级视频编码方式是不可能的。这 也是f g s 优于其它可分级编码方式的原因。 进一步提高f g s 增强视频的性能，两个先进的机制被f g s 采用，即频率权 重和选择增强。前者意味不同的频率成分采用不同的优先权，因此更多重要的视 频频率成分的比特比其他频率成分的优先进入编码比特流。与前者相似，后者是 在一帧中对不同的空间位置采用不同的优先权，因此一帧中越重要的视频部分有 越多的比特优先于该帧的其他部分进入编码比特流。 ( 2 ) 频率权重( f r e q u e n c yw e i g h t i n g ，f w ) 频率权重( f w ) 挖掘人类视频系统对各种频率的敏感性的差异，提高在低 传输比特速率情况下f g s 的可视质量。 正如我们所知，不同的d c t 系数可获得不同的视频的质量。通常低频的d c t 系数的精确度比高频的d c t 系数更重要。更多比特的低频d c t 系数可获得更好 的视频质量。因此，低频d c t 系数优先于高频的进入增强比特流，因此它们更 容易被包括在一个被截断的比特流。为此，频率重量机制被包括在f g s 中。 频率权重采用一个f w 矩阵选择在每个d c t 块中重要的d c t 系数进行重 新加权，因此进行比特平面编码的参数的重要性通过权重矩阵得到了优先权。每 个f w 矩阵的元素指明在该块中相应的f g s 的d c t 参数比特层变换的数目。 每个比特平面的变换等价于f g s 的d c t 参数乘上权值2 。 ( 3 ) 选择增强( s e l e c t i v ee n h a n c e m e n t ，s e ) 对于一个视频帧，它的某一部分可能比其他部分在视觉效果上更重要。因此 至关重要的比特会得到优先权，以致它们更有可能被包括进被截断的比特流。 在m p e g 2 ，m p e g - - 4 和h 2 6 l 标准中，通过控制在微块中的量化系数，自 适应量化( a d a p t i v eq u a n t i z a t i o n ，a q ) 被用来提高编码的视频质量。a q 在比特层信 号必须通过不同的一系列技术获得。基于f g s 的a q 通过在一个f g s 增强层帧 中选择微块的比特平面变化而获得。比特平面变换等于乘于因子2 。 j e 塞韭啦盔堂亟硷童 玉缉查搓焦囹墼曲堂到端些舞厘重班宜 在编码器侧，基于选择增强的比特平面变换，在冗余f g s 信号得到优先扫 描和比特平面的熵编码。在熵解码和优先计算f g s 冗余信号的反d c t 后，在解 码器进行比特平面的反变换。 强调s e 是一个相关过程是很重要的。仅有有限数目的微块将被选择增强， 目的是在低比特率能获得一些视频质量的改进。更进一步，基于前面介绍的s e 变换因子( 如s e ) 和优先级高的比特层被编码( 如n ) ，采用s e 后可以降低f g s 编码器的率失真。然而f g s 的s e 的目的不是提高率失真的性能，而是提高需要 的视频的质量。在微块基础上加上s e ，已选择的d c t 系数的比特平面变换对 f g s 编解码系统能获得更进一步的视频质量的改进。 2 5 网络技术 音视频经过各种压缩处理技术之后，送到网络上传输。这里往往包含一个打 包过程，尤其是使用i p 网络来进行传输的情况。包的正确传输需要网络提供大 量的功能，诸如路由、传递、包的分离和组合、流控制等等。在无线系统中，端 到端的传输一般在传输链的开始或者结束处有无线设备，所以，打包的比特流至 少通过无线信道被传输一次。和有线相比，无线信道的容量会受到无线电的频率 带宽和各种噪声、干扰的限制。所阻无线信道可以被认为未来多媒体网络的“最 弱联接”，并且尤其是当移动性导致衰落和突发错误时，更应该引起注意。 编码主要由算法结合硬件设计完成，而服务器应该具有相应的网络传输协议 r t p ，r s t p 以确保视频流在网络中低延时传输。同时，接收设备的设计要与前 面的设计兼容，不仅要具有网络协议和编解码器，还要考虑能量损耗和设备的体 积，以便于携带。 在无线视讯中，可以使用i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 推荐的r t p 和r t s p 来完成实时数据传输。i e t f 是国际网络工程任务特别小组的简称，其 主要目的是为基于冲的网络服务，提供所谓的推荐标准。 2 5 1r t p r t c p 协议 r t p 9 】是r e a lt i m ep r o t o c o l 的简称，它以实时的方式来传送数据流。r t p 协 议定义在r f c l 8 8 9 中，是互联网上传输实时多媒体数据的协议标准。r t p 协议 包含两部分：负责数据传输的r t p 部分和负责监视传输质量和传递参与r t p 会 话成员信息的r t c p 部分。r t p 协议的主要功能是制定了数据传输的格式，并制 定一些简单的会话控制协议，提供初步的会话控制能力。r t p 通常使用u d p 来 2 0 j e 宝鲤虫古堂亟监塞 玉缉查熊佳圈缝数端到拭些签厦重班究 传送数据，但r t p 也可以在t c p 或a t m 等其他协议之上工作。当应用程序开 始一个r t p 会话时将使用两个相邻的端口：一个给r t p ，一个给r t c p 。r t p 本身没有解决如何保证实时性的问题，要解决这些问题必须通过一定的q o s 支 持才能达到。 r t p 协议的设计采用了c l a r k 和t e r m e n h o u s e 提出的应用层组帧a l f ( a p p l i c a t i o nl e v e lf r a m i n g ) 和集成层处理i l p ( i n t e g r a t e dl a y e rp r o c e s s i n g ) 原 则。就是说，r t p 协议不是作为一个独立的协议层实现，而是集成到应用层中去， 这样针对一些具体的应用更具柔韧性。r t p 是一个协议框架，应用程序可以根据 实际需要实现其中的某些部分。 r t c p 0 0 l 是通过周期地给参与会话的所有成员发送控制包来实现的，实现的 机制与r t p 数据包的机制一样。底层的协议使用u d p 的独立端口来区分r t p 的数据包和控制包。r t c p 实现四种功能： ( 1 ) 提供数据传送的反馈功能 应用程序利用r t c p 反馈回来的信息，可以调整输出r t p 数据包的速率。 在视频传输中，发送端可以调整帧率，量化参数，使输出的码流能够充分利用网 络的状况。 ( 2 ) 提供参与会话的成员的详细信息 r t p 数据包只能提供一个3 2 位的贡献源代码，对参与r t p 会话的成员的其 它信息无法传递。使用r t c p 控制包，可以传递参与者的姓名、邮件、电话等个 人信息，这在视频会议通信系统中十分有用。 ( 3 ) 控制会话成员发送r t c p 包的比率 随着参与r t p 会话的成员的增多，成员间传递的r t c p 包就会越来越多。 r t c p 保证成员间相互传递的r t c p 包占r t p 会话带宽的5 以下。 ( 4 ) 传送最少的成员控制信息 r t p 协议是一个松散的协议，成员加入r t p 会话或退出r t p 会话并没有经 过成员控制和参数协商。r t c p 作为一个便利的成员间通信的渠道，并不要求一 定得支持控制参与会话的所有成员。成员的控制应由更高一级的会话协议控制。 r t c p 协议定义了五种控制包：发送者报告( s e n d e rr e p o r t ，s r ) 、接收者 报告( r e c e i v e rr e p o r t ，r r ) 、源描述项( s o u r c ed e s c r i p t i o n i t e m s ，s d e s ) 、b y e 包和a p p 包。 2 5 2 实时流协议r t s p 严格地讲，实时流协议r t s p “1 ( r e a l t i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 是种应用 韭基韭生盔堂亟圭盈窑盂鳝墨篮佳鲤蛰艘巅到斌北盘厦重受疽 层协议，i e t f 制定此协议的初衷是为了实时数据的点播业务提供多种控制功能。 由于r t s p 与r t p 的关系密切，r t p 是r t s p 默认的实时数据的通信机制。而 r t s p 在很大程度上弥补了r t p 在通信控制方面的不足，因此，我们将r t s p 放 在本节中作简要的介绍。 r t s p 利用t c p 连接传输其控制报文。它定义了两类控制会话，即全局控制 会话g c s ( g l o b a lc o n t r o ls e s s i o n ) 和流控制会话s c s ( s t r e a m i n gc o n t r o ls e s s i o n ) 。 g c s 完成对多媒体连接的控制，而s c s 完成能够对逻辑通道的控制，这些控制 报文依照会话控制协议s c p ( s e s s i o n c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 定义的方式复用在一条t c p 连接上。 r t s p 包含的通信控制功能包括：申请传递实时数据、制定传输服务类型( 如 点对点r t p 、多点r t p ) 及目的地址、申请有关数据格式信息、启动、停止及展 厅数据的传送，以及申请对某一段数据的访问等。 韭忘艘虫袁坐翊土j 垒奎 盂线垒缝住挝缝曲拙到堂业爱厦重班窥 第三章无线多媒体网络 随着便携式移动设备应用的进一步普及、功能的大幅度增强以及成本的迅速 降低，人们已经不再满足于通过移动设备实现简单的数据和话音通信。用户希望 通过具有移动意识能力的应用来提供与位置相关的服务，此外，些特殊的用户 ( 如现场工程技术人员) 需要一种获得综合数据、声音和三维图像的有效途径，即 需要提供一种交互式的多媒体应用。但是在移动环境下，通信信道质量的动态变 化、移动用户位置的不确定性、便携式终端有限的电池能量和受限的v o 设备都 给多媒体业务的提供带来了诸多困难。尽管当前在固定网络上提供服务质量 ( q o s ) 保障以及移动通信本身都取得了很大进展，但是提供移动q o s 保障的研究 才刚刚起步。在本章中，主要对当前主要的两种无线环境进行了介绍，提出多媒 体应用在无线环境下所面临的挑战。 3 1 无线局域网 目前，无线局域网仍处于众多标准共存时期。在美国和欧洲，形成了几个互 不相让的高速无线标准：美国i e e e 创建的高速无线标准8 0 2 1 1