（信号与信息处理专业论文）无线有线ip网络实时视频传输的qos研究.pdf

南京邮电学院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 王孛# 及取得静研究或采。尽我新知，除了文中特剃翔改标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过麴硬究成果，也不包 含为获得南京邮电学院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申作了 嚼确的说睽并袭示了谢意。 研究生签名： 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、豳家图书馆有权保留 本久所邀交学位论文的复印件署疆电子文栏，可以采用影印、缩印或萁 健复制手段保存论文。本人电子文档的出容和纸质论文鲍内餐相一 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 南京邮电学院研究生部办理。 、； 研究搬签名：i 三! ：垒一导师签名；酗期： 南京邮电学院硕士学位论文 无线有线i p 网络实时视频传输的q o s 研究 无线一有线i p 网络实时视频传输的 q o s 研究 摘要 随着宽带无线网络的发展以及对因特网上多媒体应用需求的增加，现在对于 无线视频业务的需求也越来越大，视频流在网络中传输的一些关键技术也得n 7 很大的发展。 本论文提出了一种新的基于端到端的，在异构的无线一有线( w i r e d w i r e l e s s ) i p 分组网络上进行视频流传输的服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e s ) 控制算 法w v t c ( w i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 。 当视频流经过无线一有线坤网络进行传输的时候，视频分组将经历有线 网络的拥塞丢失和无线口网络的比特丢失。为了更加精确地控制视频流的传输， w v t c 算法采用大小分组交替发送的算法来统计得到当前网络中拥塞状况和无 线信道的衰落状况。 针对有线网络中拥塞引起的分组丢失，w v t c 算法通过改进的a v t c ( a d a p t i v ev i d e ot r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 算法对视频流传输的速率进行控制，同 时，针对无线网络中的比特错误而引起的分组丢失，w v t c 算法采用a l u ( a p p l i c a t i o nl a y e ru n i t ) 层的交织方法和r c p t ( r a t ec o m p a t i b l e dp u n c t u r e d t u r b o ) 码进行信道编码，并采用l t 2 6 3 进行信源编码。在信道编码和信源编码 的基础上，w v t c 算法实现了联合信源信道编码，使接收端在一定的信道情况 下得到最优化的视频解码质量。 通过w v t c 算法对在无线一有线口网络中进行传输的视频流进行控制，使 得视频分组的时延、时延抖动以及分组丢失率都保持在可以接受的范围内，满足 了实时性的要求，同时也使得接收端的视频解码失真大大地降低。 关键词：t c p 友好性，拥塞控制，无线i p 视频流，联合信源信道编码 旦堕堕塑塑堡堑坠壁型塑笙l 垂塑：查垡堡塑堑壅堕塑塑堡笙塑g ! ! 堑塞 r e s e a r c ho n q o sc o n t r o lo fr e a l t i m ev i d e o s t r e a m i n g o v e r w i r e l e s s w i r e di pn e t w o r k a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sw i d e b a n dn e t w o r kt e c h n i q u e s ， p e o p l e s o l i c i t o u s l ye x p e c t sa p p e a r a n c eo fn e ww i r e l e s sm u l t i m e d i a s e r v i c e s ，e s p e c i a l l yv i d e os e r v i c e so nw i r e l e s sn e t w o r k i nt h i s p a p e r ，w ep r o p e s ean e wt r a n s m i t i o na n dc o n t r o la l g o r i t h m ( w v t c ，w i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1 ) f o rv i d e os t r e a m i n go v e r w i r e l e s s w ir e di pn e t w o r k w h e nv i d e os t r e a mi st r a n s m i t t e dt h r o u g ht h ew i r e l e s s w i r e di pn e t w o r k ， t h ev i d e op a c k e t sw i l ls u f f e rf r o mt h ec o n g e s t i o ni nw i r e di pn e t w o r ka n d b ite r r o ri nw i r e l e s si pn e t w o r k t oc o n t r o lt h et r a n s m is s i o no fv i d e os t r e a ma c c u r a t e l y ，w v t c g e t st h e c o n g e s o ns t a t u sa n db i te r r o ru s i n gaw a yo fs e n d i n gt h eb i gp a c k e ta n d s m a l lp a c k e ta l t e t h a t e l y f o rp a c k e tl o s sd u et oc o n g e s t i o n ，w v t cc o n t r o l st h es e n d i n gr a t eo f v i d e op a c k e tb ya d o p t i n gt h ee x t e n d e da v t c ( a d a p t i v ev i d e ot r a n s m i s s i o n c o n t r 0 1 ) a l g o r i t h m a tt h es a m et i m e w v t ca d o p t st h e1 一ds u c c e s s i v ep a c k e t i n t e r l e a v ea n dr c p ti nl a y e ro fa l u a n dh 2 6 3s o u r c ec o d e c a tt h eb a s e o va b o v e ，w v t cc a r r yo u tt h ej o i n ts o u r c ea n dc h a n n e lc o d i n gt og e tt h e o p t i m i z e dp i c t u r eq u a l i t yo fd e c o d e dv i d e o t h r o u g hw v t c ，t h ed e l a y ，j i t t e ra n dl o s sr a t eo fv i d e op a c k e t sa r e c o n t r o l e daa c c e p t a b l el e v e la n dt h ed i s t o r t i o no fd e c o d e dv i d e oi s m i n i m js e d k e y w o r d ：t c p f r i e n d l y ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ，w i r e l e s s i pv i d e os t r e a m ， j o i n t s o u r c ea n dc h a n n e lc o d e 4 南京邮电学院硕上学位论文 无线- 有线i p 网络实时视频传输的q o s 研究 1 1 研究背景 第一章引言 得益于市场需求的驱动和各种宽带网络技术的进步，近年来宽带网络得到了 高速的发展。基于i p 协议的交换技术的发展，使传统电信业务和互联网数据业 务在i p 分组网络的基础上进行整合成为了可能。各国纷纷把宽带网络技术作为 i t 产业发展的战略制高点，投入了大量的人力与资金进行研发，这使得全球范 围内的宽带网技术出现了一个发展的高潮。 根据国际数据公司( i d c ) 对市场的预测，在未来的一到两年内宽带网络将 深入到互联网使用的各个领域。作为宽带网络的核心应用之一，视频业务也必将 得到跃足的发展和逐步的普及，其中无线视频业务的提供和发展也已经提到了日 程上来。 随着宽带无线网络的发展，特别是随着3 g 移动通信标准实用化进程的越来 越加快，人们主要使用移动终端来得到各种多媒体服务已经成为一个必然的发展 趋势。现在，人们对因特网上多媒体应用的需求正呈同趋增长的趋势。其中，无 线视频业务的提供是一个主要的发展方向。网上视频点播、可视会议、网上可视 电子商务、网上政务、网上购物、网上学校、远程医疗、网上研讨会、网上展示 厅、可视网上羽】天、可视咨询等层出不穷的视频业务都将采用无线业务的方式提 供，这显然将大大的增加得到服务的方便性。而这些的实现显然需要一些关键技 术的支持，视频流在无线网络中进行传输的一些相关技术的发展，特别是服务质 量( q o s ，q u a l i t y o f s e r v i c e s ) 保证，是其中的关键技术之一【1 】。 鉴于当前网络的现状，许多无线业务的提供都是基于异构的无线一有线 ( w i r e l e s s w i r e d ) i p 分组网络的，而且，可以这么说，脱离了因特网而提供的 无线业务其意义也将大大地降低。但是，在异构的w i r e l e s s w i r e di p 网络中进行 视频通信对研究者提出了一些新的问题。对该种类型的网络传输进行的分析可 知，信道产生的错误包括：有线网络中拥塞而引起的分组丢失；无线网络中 的传输错误( 衰落、阴影的影响) 而引起的分组丢失或是比特错误。而且在两种 网络( 有线网络和无线网络) 中，起主导作用的错误原因是不同的，在有线口 南京邮电学院硕士学位论文 无线- 有线i p 网络实时视频传输的q o s 研究 分组网络中，由于网络质量比较好，因此引起分组丢失的主要是因为网络节点的 拥塞；但是在无线网络中，我们可以认为由于拥塞引起的分组丢失是次要的，主 要原因是信道衰落所引起的比特错误。这就需要视频的编解码器具有一定的容错 能力，以及在提供的无线视频业务中加入相应的信道编码策略。 这里给研究者提出了一个需要解决的任务，当视频分组在有线网络中传输的 时候，如何做才能使得视频分组因网络节点拥塞而引起的丢失对接收端视频解码 质量的影响下将到最小。同时，如何进行信道编码来尽可能地抑制在无线信道中 的传输错误对视频解码质量的影响。但是，在w i r e l e s s w i r e di p 分组网络中，当 视频分组传输时，在接收端的视频解码质量将受到两种错误类型( 有线网络中的 拥塞错误和无线信道中的比特错误) 共同的影响，如何来区分这两种错误成为该 种类型应用的一个必须解决的问题。 本课题的目标是提出一种端到端的，在异构的w i r e l e s s w i r e di p 分组网络上 进行视频流传输的q o s 控制策略。当前所提出的一些q o s 机制中，根据网络所 能提供的服务的等级，一般而言，我们可以分为3 个等级：尽力而为的服务、区 分服务和保证服务。三种服务都有其优点和不足的地方，而且后两个服务等级在 一定程度上可以保证视频流传输应用的q o s 。但是后两种服务等级的提供需要网 络节点的参与，这在因特网这种异构的巨大网络中实施是困难得。如果视频流的 应用是以后两种等级的网络服务为前提的话，那么，该种应用的应用范围将大大 地受限。考虑到当前因特网中提供的唯一的服务等级是尽力而为的转发服务，因 此，我们提出的算法是一种端到端的q o s 控制算法，而尽可能地少要求网络节 点的参与。 实时视频流的延迟敏感性( 即对数据之间的时间要求比较严格) 、半可靠性 和以速率为基础的特征 2 1 ，使实时视频流应用成为一个难点。当前的因特网是 一个庞杂无比的异构网络，在不同的时刻，其用户数量和网络的拓扑结构都是变 化的，因此，网络的可用带宽和端到端的时延都是变化的、不可预知的；而且， 因特网是以网际协议( i n t e m e t p r o t o c o l 3 】) 为基础的，它提供尽力而为( b e s t e f f o r t ) 的服务模型，没有给应用提供一个端到端时延的上限和可用带宽的下限，即没有 提供任何的q o s 保证。视频流分组在传输时时延的波动、分组的丢失都将引起 接收端视频解码质量的下降。而且，对于实时视频传输应用而言，时延的大小也 南京邮电学院硕士学位论文 无线一有线i p 网络实时视频传输的q o s 研究 必须被限制在一个可以接受的范围之内。更加糟糕的是，在w i r e i e s s w i r e dd 分 组网络中，视频分组传输的时候还将遭受无线信道中随机突发错误的影响，这更 加剧了接收端视频解码质量的下降。因此，为了通过w i r e l e s s w i r e d i p 分组网络 传输并在接收端得到较好的视频流质量，视频流的传输必须考虑应用层的服务质 量( q o s ) 保证，以满足视频流传输以及视频流质量和端到端的时延要求。这是 我们的课题所要研究的一个方面。比较常用的q o s 参数是分组丢失率、端到端 的传输时延及时延抖动。 t c p 协议是i n t e r n e t 中占主导地位的端到端的传输协议，因特网的稳定性和 可靠性主要就是依靠它的端到端的捌塞控制，即加性增加、乘性减少的算法 ( a i m d ) 。目前，它被广泛地应用于电子邮件、文件传输以及w e b 等应用中， 据统计，t c p 流量占因特网中流量的95 以上【4 】。但是由于t c p 的丢失重 传等特性，它并不能满足实时视频传输的实时性要求，所以实时视频传输主要使 用的是无反馈的传输协议，例如用户数据报协议( u d p ) 或者实时传输协议 ( r t p ) 。这两种传输协议都没有服务质量( q o s ) 保证的控制机制，所以也不能 够提供任何层次的服务质量( q o s ) 保证。已有研究【5 】表明，通过口网络传 输视频流主要应满足两个方面的要求：i ) 具有带宽自适应能力；i i ) 错误恢复的 能力。具有带宽自适应的能力，就是应用在实时传输视频流时能够根据网络当前 的拥塞状况来自适应地调整视频流的发送速率。不具备带宽自适应能力的应用所 产生的非自适应流将对网络产生以下两个方面的不利影响：1 ) 由于所使用的传 输协议并不提供服务质量( q o s ) 保证，因此，当视频流的流量超过网络的传输 能力的时候，它将导致网络的拥塞崩溃。2 ) 它们将和其他的自适应流，例如采 用t c p 作为传输协议的流，进行不公平竞争。具有和t c p 流不一致的拥塞控制 机制或根本就没有拥塞控制机制的流，这儿我们称为非t c p 流，是使用一种不 公平的方式在口网络上与t c p 流进行竞争，一旦网络拥塞，所有的t c p 流将降 低发送速率以缓解拥塞情况，而非t c p 流依旧以原来的速率进行数据的发送， 这种不公平的机制将最终使t c p 流带宽枯竭，甚至导致网络的拥塞崩溃【6 】。 此时，网络的可用带宽都几乎被非t c p 流所占据，但是，非t c p 流的分组却由 于拥塞而并不能够到达它的目的端，因为此时d 网络的分组转发设备的分组调 度机制将使到达的分组被丢弃1 7 。因此，为非t c p 流提供一种与t c p 流一致 9 南京邮电学院硕士学位论文 无线- 有线i p 网络实时视频传输的q o s 研究 的拥塞控制机制是非常必要的，这种拥塞控制机制将使非t c p 流和t c p 流公平 地分享网络带宽。我们称这种拥塞控制机制为t c p 友好。【8 、9 、1 0 1 描述了 t c p 友好的概念。所谓t c p 友好的非t c p 流是满足以下条件的流：在相同的网 络条件下，非t c p 流的吞吐量在较长的时期内并不超过t c p 流的吞吐量。由于 我们用来传输视频流的传输层协议是u d p 协议和r t p 协议，显然，我们在传输 视频流的时候必须考虑视频流的t c p 友好性，以使我们的应用并不占用网络中 t c p 流的带宽。这从网络的稳定性和健壮性考虑都是必须的。 目前，随着对口网络上的多媒体应用，特别是对有效的视频传输应用需求的 增加，人们已经对网络上的t c p 友好拥塞控制机制进行了许多的研究：【5 】 提出了结合了编码技术和传输控制技术的视频流传输控制算法：【1 0 】利用了分 层视频编码的方法提出了h a l m ( 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 ) 多播算 法，从而使各个接收端能够根据自己的带宽需求最大可能地得到公平地带宽分 配；【15 】描述了以窗口为基础的拥塞控制算法s i m d ( s e q u a l i n c r e a s e m u l t i p l i c a t i v e d e c r e a s e l ，与其他以窗口为基础的算法不同的事，该算法在控制策略中，利用了 历史信息；【2 】提出了以速率为基础的r a p ( r a t e a d a p t a t i o n p r o t o c 0 1 ) ，该算法使 用的是a i m d 拥塞控制算法：【1 6 】发展一种新的流控制机制：t e a r ( t c p e m u l a t i o na tr e c e i v e r s ) ，该算法把大部分的控制都放到了接收端，从而可以大大 减少非视频分组( 带有控制信息的分组) 对带宽的占用；【1 7 】提出了g a m i d 算法，对t c p 的拥塞控制策略进行了进一步的深入；【8 】更是对目前人们研究 所得的t c p 友好拥塞控制机制作了比较全面的分析和综合。【1 8 、1 9 1 对各种拥 塞控制的机制进行了对比和分析，根据我们的判断，相比较其他的控制机制而言， 以等式为基础的拥塞控制机制能够提供更平滑的速率波动，从而可以尽量避免接 收端视频质量的波动；而且，在网络的拥塞情况下，能够和t c p 流进行比较公 平带宽分享。第三章的主要目的是描述一种对口网上传输的实时视频流进行传 输控制的算法a v t c ( a d a p t i v e v i d e ot r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ，以满足视频流的实 时传输要求，并且能够具有t c p f r i e n d l y 的性质。a v t c 传输控制算法结合了端 到端的以等式为基础的拥塞控制算法t f r c 9 1 和以速率为基础的m i m d ( a ， b ) 算法各自的优点，而弥补了各自的不足之处。通过网络仿真和实际网络的实 验，显示出a v t c 算法具有良好的性能。课题中，经过改进的a v t c 算法将作 l o 南京邮电学院硕士学位论文 无线有线i p 网络实时视频传输的q o s 研究 为针对w i r e l e s s w i r e di p 网络的视频流控制算法w v t c ( w i r e l e s sv i d e o t r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 中速率控制部分的基础之一。 课题中，我们将采用h 2 6 3 信源编码器进行视频编码，经过信源编码器的编 码压缩之后，在输出的h 2 6 3 码流中含有的关于视频的冗余信息已经大大地减少 了，但是，相应地，每一个比特的重要性也相应地增加了，任何的比特错误都将 引起重构失真，但h 2 6 3 码流的不同部分对图像重建质量的作用是不同。所以， 在总的信道编码比率一致的情况下，采用不等差错保护的方法相比等差错的保护 方法，在编码端将得到更优的视频重构质量。假如在编码器输出序列的同时，若 再能携带关于输出码流重要性级别的信息的话，结合一定的信道编码技术，就可 以对视频流实现不等差错保护机制，这将一定程度上保证视频在时变、易错的无 线信道中传输的可靠性。这里同时也给研究者提出了一个问题，如何来得到h 2 6 3 码流中的各部分信息的重要性。在课题中，我们将给出针对每一个g o b 进行重 要性程度的判断的算法，同时结合不等差错保护的方法，使得重要性较高的码流 得到较高级别的保护，课题中采用r c p t 编码进行不等差错保护。 由于我们课题的应用环境主要针对的是w i r e l e s s w i r e d l p 分组网络( 一般的 有线口网络或者是无线i p 网络当然也可以) ，对于无线信道中产生的随机突发 错误，f e c 编码无疑是一个比较有效和常用的手段。而对于视频而言，由于其所 带有的巨大信息量，在传输之前必然需要压缩，这是采用信源编码来得到的。在 一定的可用带宽限制下，信源编码和信道编码之间显然需要一个折中。如何在信 源编码和信道编码之间得到一个优化的比特分配，以使接收端的视频解码质量最 佳化，也是课题需要解决的问题。 1 2 对q o s 的总体描述 网络中的通信由源自终端上各种应用的流组成，这些应用对服务和性能的要 求各不相同，而流的要求决定于它所属的应用，视频流应用由于其实时性的要求， 对于网络的带宽、分组的延迟以及时延的抖动都有严格的要求a 网络提供服务的能力可以分为3 种等级，这些能力在某种程度上是由控制性 能度量( 如带宽，延迟抖动以及分组的丢失) 的网络应用所需要的。 南京邮电学院硕士学位论文 无线- 有线i p 网络实时视频传输的q o s 研究 1 、尽力而为的服务：只提供基本的连接，对于分组何时以及是否被传送到 目的地没有任何的保证，只有当路由器输入输出缓冲队列耗光时分组才被丢弃。 但是，尽力而为的服务并不属于q o s 的范畴，因为，在转发尽力而为的通信的 时候，并没有提供任何的服务或者是保证。另外要说明的是，尽力而为的服务是 当前因特网提供的唯一的一种服务。 2 、区分服务：在区分服务中，根据服务要求对通信进行分类，网络节点根 据为其配置耗的q o s 机制来区分每一类通信，并为之服务。这种提供q o s 的方 案称之为c o s 。 3 、保证服务：这种服务需要预留网络资源，以确保网络可以满足通信流的 特定服务要求。保证服务要求预先保留连接路径的网络资源。 随着因特网发展到当前的大众化、商业化的阶段，q o s 的重要性逐渐增加。 因为，因特网是基于无链路的端到端分组服务的，传统上使用t c p i p ( 传输控 制协议i n t e m e t 协议) 协议簇来提供尽力而为的数据传输方式。尽管无链路的设 计方案给因特网带来了灵活性和强壮性，但其分组的动态特性也容易导致网络拥 塞，尤其是使那些带宽差别巨大的网络连接起来的路由器拥塞。 q o s 机制存在于端系统和网络节点中。例如，对于昂贵的广域网( w a n ) 链 路，存在的一个主要的问题是开销过大，这主要是由于诸如t e l n e t 和r l o g i n 等应 用产生的小型t c p 分组引起的。现在大量采用的n a g l e 算法解决了这个问题， n a g l e 算法就是在端系统中使用q o s 的一个具体的例子，这大大地减轻了广域网 链路的开销问题。 但是如果要完全地实现q o s ，那么就必须要网络节点的参与。只有在网络节 点中加入足够多的机制，以便在端系统之间传送通信，才能完全地保证q o s 。 对于某些特殊的应用，例如语音或者视频传输应用，由于其对q o s 的特殊需 求( 带宽、时延、时延抖动以及分组错误率) ，相比较其它的一些应用类型，其 对q o s 的要求就比较苛刻。其实对于这些应用，效果最好的方法莫过于给这些 应用提供保证服务( 例如r s v p ) ，给其提供足够的q o s 保证。但是，这样也就 使得其应用的效果产生了一定的局限性。因为，当前的因特网是个异构的巨大 网络，显然，想要在这样的网络上提供保证服务，是有一定的难度的，也是不大 现实的。因此，课题中提出了端到端的q o s 解决方案，利用端系统之间的交互 南京邮屯学院硕士学位论文 i 垡- 有线i f 网络实时视频传输的q o s 研究 信息来得到网络的信息，在一定程度上保证该应用的q o s ，而尽量少地涉及到网 络的节点。 1 3 对课题总体框架的描述 图1 - 1 中的框图描述了本文中所提出的q o s 策略控制算法的框架。整个系统 可以分为如下几个部分：信源速率控制部分、信源编码部分、信道编码部分、联 合信源信道编码部分、接收端统计反馈部分和接收端解码部分。 视频采集 速霾制_ _ 一紫 q o s 控制- 图i - 1 课题所提出的总体框图 信源 控制 部分 信道 控制 部分 t c p 协议是因特网中占主导地位的端到端传输协议，因特网的稳定性和可靠 性主要就是依靠t c p 协议的端到端的拥塞控制。而实时视频传输主要使用的是 无反馈的传输协议，例如用户数据报协议( u d p ) 或者实时传输协议( r t p ) ， 考虑到应用的实时性要求，u d p 协议和r t p 协议更加适合视频流应用。已有的 研究【1 1 】表明，通过口网络传输视频流主要应满足两个方面的要求：i ) 具有 带宽自适应能力；i i ) 错误恢复的能力。非自适应流将对网络产生以下两个方面 的不利影响：1 ) 当它的流量超过网络的传输能力的时候，它将导致网络的拥塞 崩溃。2 ) 它们将和其他的自适应流，进行不公平竞争。因此，为使i p 网络保持 南京邮电学院硕士学位论文 无线一有线i p 网络实时视频传输的q o s 研究 稳定和可靠，在i p 网上传输的非t c p 流都应该具有t c p f r i e n d l y 的性质。为 使系统送入信道的视频流速率满足t c p f r i e n d l y 的要求，课题采用a v t c ( a d a p t i v ev i d e ot r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 算法【1 2 】对视频流送入网络的速率进 行控制，使其满足t c p 吞吐量的要求。a v t c 是作者提出的用于在有线p 网络中 传输视频流的一种算法。该算法能够根据有线网络中拥塞的情况而对视频流速率 进行控制，使得视频流的发送速率具有t c p f r i e n d l y 的性质，并且兼顾了视频流 速率的稳定性以及对网络可用带宽最大程度的占用的要求。等式( 1 ) 计算的是 在特定的网络情况下，稳态时t c p 流的吞吐量【1 3 】。 r = 其中s 表示的是分组大小( b y t e s ) ，r t t 表示信道的环回时间，r t o 表示分 组的丢失重传时间。p 表示稳态情况下的平均分组丢失率。此处，我们可以把从 该处得到的尺，作为系统能够发送的比特速率的一l i 艮。但是，a v t c 算法针对的是 有线分组i p 网络，显然，由于w i r e l e s s w i r e di p 分组网络所引入的新的特点， a v t c 算法是不能适用的。因为该算法解决的是由于网络节点的拥塞所引起的分 组丢失对于接收端视频解码质量下降的影响的问题，而对于无线网络中的传输比 特错误，显然并没有考虑，这将产生一系列的问题。本课题的重点之一就是提出 一种算法来区分分组的丢失是由于有线网络的拥塞引起的还是由于无线信道的 比特错误引起的( 在该论文中，我们假定u d p 协议对于接收到的有比特错误的 分组一律采用丢弃的手段，因为现有的u d p 标准要求传输层一检n i ! i 接收分组 中含有比特错误就丢弃该分组) ，这将在论文的下文进行详细的描述。 发送端通过反馈信道( 这里我们认为反馈信道是可靠的) 得知了当前信道的 状况以后，分别根据拥塞丢失的信息和比特错误所引起的丢失的信息对信源和信 道的编码进行控制。对于有线信道中的拥塞分组丢失，可以使用a v t c 算法得到 合适的信道发送速率来减少拥塞，即根据a v t c 算法，我们可以得到送入网络的 视频流的总的速率。【1 2 】中的网络仿真以及实际网络环境的实验，可以说明通 过a v t c 算法控制以后，由网络的拥塞引起的分组丢失被控制在一个较小的范围 内。但是a v t c 算法只是针对拥塞错误进行了控制，并没有考虑由于比特错误而 1 4 南京邮电学院硕士学位论文 无线有线i p 网络实时视频传输的q o s 研究 被无线网络节点丢弃的分组，而这部分的丢失是跟无线信道的状况有关。对于该 类错误引起的分组丢失，采用降低发送速率并不能有效地改善视频质量，反而由 于视频编码器中量化步长的降低而引起接收端视频解码质量的下降。我们的课题 采用了信源信道联合编码的方法来解决无线信道中的比特错误而引起的分组丢 失导致的视频解码质量的下降问题。信道编码通过f e c ( f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ) 编码的方法，根据当前的信道状况，对待传输的分组加入额外的冗 余，使其具有矫正传输比特错误的能力。但是，在分组中加入冗余，也间接地降 低了信息的传输速率，这也将增加接收端的视频解码失真。因此，怎样使得接收 端在给定速率r ，的情况下具有最佳的视频解码质量( 即失真最小) ，成为联合信 源信道编码需要解决的问题。课题采用的信道编码是根据g o b 的优先级进行不 等差错保护的r c p t 编码。g o b 优先级的分配、信源失真和信道失真的估计、 信源信道最佳化的比特分配( 即率失真优化的问题) 以及r c p t 编码的错误矫 正能力的估讨是课题中另外必须要解决的重点之一。 由于课题假设含有错误比特的分组将被接收端的传输层丢弃，因此，任意的 比特错误将引起分组的丢失。考虑到r c p t 是符号层编码方法，只有使用较大的 符号大小才能使得r c p t 信道编码对分组的丢失具有容错能力。这里，我们将一 个a l u ( a p p l i e a t i o f ll a y e ru n i t ) ( 详细的定义将在下文进行说明) 作为一个 符号。然后结合a l u 的交织手段对a l u 进行打包，形成大小两种分组，交替 地发送到信道之中去。在接收端，根据对大小分组丢失率的统计，我们可以得到 有线网络的拥塞丢失情况，以及无线网络中比特错误率的情况。根据这些统计所 得的信道状况，接收端就可以对总的信道容量，以及信源编码和信道编码的比率 进行调整，使得接收端可以得到最佳的视频解码质量。 经过前面的信道冗余的保护，在解码端可以得到较低的比特错误率。我们所 采用的h2 6 3 解码器具有一定的容错性( 根据一定的语法结构，一些错误模型将 被检测出来) ，并且采用错误掩盖的方法【1 4 1 ，这样，使得信道解码得到的数据 得到一定程度的矫正，从而提高视频的解码质量。 南京邮电学院硕士学位论文 无线- 有线i p 网络实时视频传输的q o s 研究 1 4 本文所做的主要工作 本文研究了一种端到端的，在异构的w i r e l e s s w i r e di p 分组网络上进行视频 流传输的q o s 控制算法。该算法要求能够根据网络的实时状况调整流量大小， 并且可以根据有线p 网络和无线p 网络中不同的错误类型分别进行相应的流量 控制，并使得接收的视频解码质量受到分组错误( 有线p 网络中的拥塞丢失和 无线口网络中的随机突发错误产生的分组丢失) 的影响最小。为此，我们在作 者已发表的成果a v t c ( a d a p t i v e v i d e ot r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 【1 2 】算法的基础 上，提出了一一种新的无线视频流传输的q o s 控制算法w v t c ( w i r e l e s sv i d e o t r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 。我们针对d c t 和运动补偿为基础的视频编解码器，提出 了联合信源信道编码和传输的框架，通过在信源和信道之间进行优化的比特分 配，使得端到端的整体的失真最小，以保证接收端可以得到最小的解码失真。同 时根据h 2 6 3 码流不同部分具有不同的重要性，该框架采用了不等差错保护机制 对不同重要性的部分采用不同等级的保护，使得对视频解码质量影响较大的码流 得到较高等级的保护，降低接收端的视频解码失真。考虑到当前因特网中的主要 流量还是以t c p 流量为主，系统的视频传输流应该具有t c p f r i e n d l y 的性质， 以保证不占用太多的t c p 带宽，而导致网络中的t c p 流枯竭，w v t c 算法具有 t c p 友好性的特性。针对w i r e l e s s w i r e di p 分组网络这种应用环境，w v t c 算 法采用特殊的分组发送算法使得发送端可以判断出两种网络当前的状况，从而自 适应地改变视频分组的发送速率，以及联合信源信道编码的策略。 论文的主要贡献之处在于： 1 提出了一个端到端的，在w i r e l e s s w i r e di p 分组网络进行视频流传输，并 保证其q o s 的总体框架，通过该框架，使得视频流在比较复杂的网络情况下进 行传输的时候，能够根据网络的状况，自适应地控制视频分组的发送速率和联合 信源信道的编码策略，在接收端得到较为理想的视频解码质量。 2 针对w i r e l e s s w i r e di p 分组网络，完善了大小分组交替发送的方法，使得 接收端能够比较准确地估计出当前的有线p 网络和无线口网络中的信道状况。 3 信源信道联合编码的方法中，其核心是信源失真和信道失真的估计，课题 中，我们根据实时视频流的q o s 要求，提出了信道失真的估计方法，降低了其 计算量，并且在一定程度上保持失真估计的准确性。 南京邮电学院硕士学位论文 无线一有线i p 网络实时视频传输的q o s 研究 4 提出了针对每个g o b 的h 2 6 3 码流的重要性分析方法，简化了不等差错 保护的机制。 论文的其余章节安排如下：第二章，我们介绍了无线信道的仿真，在对无线 信道的特性有所了解的基础上，我们才可以进行下面的工作；第三章详细地介绍 我们针对有线p 网络提出的a v t c 算法，该算法是后面介绍的w v t c 算法中有 线网络控制部分的基础。第四章，我们涉及了信源和信道编码部分，分别针对信 源和信道编码进行了说明。此处的重点部分是信道编码部分，包括h 2 6 3 码流各 部分重要性的分析、不等差错保护的概念以及信源失真和信道失真的计算。第五 章中我们描述了联合信源信道编码部分，并介绍了课题信道编码中所采用的交织 技术。在第六章，我们针对课题中提出的框架，利用n s 2 进行了仿真。最后的 结论中，我们对所做的工作进行了总结，并提出了一些不足的地方和可以改进之 处。 南京邮电学院硕士学位论文 无线一有线i p 网络实时视频传输的q o s 研究 2 1 无线信道 第二章无线信道的模拟 这章中，主要讨论的问题是课题中所采用的无线信道的建模。无线信道或 者移动信道与传统的高斯白噪声信道和有线计算机网络信道的主要区别是它们 产生的错误类型以及错误的严重程度。无线信道的一个主要的特征是多径衰落， 是由于同一个信号经过不同的路径，从不同的角度，不同的时间到达接收端，经 叠加而产生的衰落。 在课题中，我们使用无线信道模型来模拟实际的无线信道所具有的特征( 这里 我们忽略了各种天空中的损耗因素) ：短期衰落、长期衰落以及路径丢失( 主要 是由阴影效应引起) 。 ( 1 ) 多径衰落1 2 1 】。波在移动环境中的传播模式是种多径模式。接收天线 接收到的是通过直射径、各种反射径和散射径到达的合成波。由于各路径分量的 幅度和相位各不相同，造成合成信号起伏很大，这称为多径衰落，它是一种快衰 落。在多径传播条件下，接收信号还会产生时延扩展( t i m ed e l a ys p r e a d ) ，这是 由于各路径长度不一致而产生的。时延扩展值的大小将决定信号的衰落是否具有 频率选择性。在数字移动通信中，当码元速率较低，信号带宽远小于信道相关带 宽时，信号通过信道传输后频率分量的变化具有一致性，信号波形不失真，无码 间干扰，此时的衰落为平坦衰落；反之，当码元速率较高，信号带宽大于信道相 关带宽时，将引起波形失真，造成码问干扰，此时的衰落为频率选择性衰落。由 多径效应所引起的信道传输信号幅度的变化我们称之为短期衰落。本文的研究中 只考虑前一种情况。 ( 2 ) 阴影效应 2 2 】。移动台在运动过程中，周围地形地物造成对电波传播路 径的阻挡，形成电磁场的阴影，这种随移动台运动而不断变化的电磁阴影引起接 收点场强中值起伏变化的现象叫做阴影效应。阴影效应引起的信号电平衰落称为 阴影衰落。由于阴影衰落的信号电平起伏是相对缓慢的，因此，阴影衰落属于慢 衰落。慢衰落的特点在于：衰落速率与工作频率无关，而取决于地形和地物的分 布，高度以及移动体的运动速度。通常，阴影衰落是距离( 位置) 的函数。阴影效 南京邮电学院硕士学位论文 无线一有线i p 网络实时视频传输的q o s 研究 应是造成移动通信电波传播慢衰落特性的主要原因。其实产生慢衰落现象还有其 它的原因，例如大气折射引起的衰落也属于慢衰落，但是，大气折射衰落是时间 的函数。与阴影效应相比，它对电波传播衰落的影响远小于阴影效应。因此，在 这里我们对大气折射造成的衰落忽略不计。阴影效应降低了信号的强度，所以， 很容易引起在信道中传输的分组的连续丢失。根据路径丢失模型所引起的期望的 能量层的波动我们称为长期衰落影响。 由于我们主要考虑的是多径衰落引起的对信号的影响，因此采用得到广泛应 用的多径瑞丽衰落模型j a k e s 模型 2 3 ，2 4 1 。在课题中，我们采用的经过修正 的j a k e s 模型【2 5 】。 2 2 课题中提出的无线信道模型 为了得到信号在无线信道中传输时的特性，我们就必须知道无线信道的特 性。但是，从实际的无线信道中得到这些特征数据显然是困难的，而且与实际的 环境有关，具有一定的局限性。一个简单的方法是：提供一个无线信道的模型， 利用仿真的方法来得到信道的特性。显然，这种方法易于实行，而且通过改变参 数就可以得到不同情况下的无线信道。前人已经对无线信道进行了不少的研究， 提出了不少无线信道的模型。例如，【2 6 1 利用f s m m ( 有限状态的马尔可夫模 型) 来表示相关的衰落信道。【2 7 1 在一阶m a r k o v 信道的基础上，利用边信息 来模拟当前信号的情况。但是这些方法并没有得到广泛的应用，因此，其准确性 也不能得到保证。课题中采用文献【2 5 】中提出的经过修正的j a k e s 模型来表示 无线信道的多径衰落对传输的信号的影响，这种信道模型已经被广泛地使用，具 有一定的准确性。 j a k e s 衰落模型是一个模拟时间相关的瑞丽衰落波形的确定性的方法，一直被 广泛地使用，是由j a k e s 2 4 1 于1 9 7 4 年提出。j a k e s 模型假定：n 条等长度的 射线以均匀分布的角度a 。到达一个移动的接收机，这样射线r l 经受了多普勒频移 。= c o s g 。) ，其中g o = 2 f v l c 是最大的多普勒频移，v 是车辆行驶速度，f 是载 波频率，c 是光速。从j a k e s 模型的实现过程来看，同一个分组中的信号受到的 南京邮屯学院硕士学位论文 无线有线i p 网络实时视频传输的q o s 研究 多径衰落影响的差距是很细微的。因此，可以认为，j a k e s 模型模拟的多径衰落 对传输信号的影响并不是突发性的。但是无线信道从本质上来说应该是一个具有 突发性的信道。很多研究都对无线信道的这种突发性特点进行了研究 2 8 、2 9 1 。 为了表现出无线信道的突发性特征，我们在j a k e s 信道模型的基础上，采用了 g i l b e r t 模型，即一个二阶m o r k o v 模型。因此，我们所用来模拟无线信道的总体 模型如下面所述： 无线信道可以通过一个连续时间的，两个状态的交互过程 s ( t ) lt 0 ) 来进 行模型化，这两个状态具有如下的特征： 1 当信道离开一个状态的时候，它将以概率1 进行另一个状态： 2 好状态的持续时间用 z ，i = 1 ，2 ， 来表示，是i i d ，满足指数分布函数 足( x ) ，其均值为研x i 】_ 1 ( 凡) 。 3 坏状态的持续时间用 r ，i = 1 2 ) 来表示，是i i d ，满足指数分布函数e ( 少) ， 其均值为e e y , _ l ( ) ，并且独立于置。 4 在每一个状态中，分组的丢失机制是离散无记忆信道的丢失机制，分别具有各 自的丢失概率p 。和p ，。甚至为了简单，可以假定p 。= o ，p = 1 。即，在接收 端接收信号的时候，信道处于好的状态，那么这个分组将被成功地发送；否则的 话，这个包就丢失。 在课题中，我们对这样的g i l b e r t 信道模型进行了改进，这样可以用来模型化 基站和移动接收点之间受到的阴影衰落的影响。在好状态的时候，分组被成功地 发送，而在坏状态的时候，分组