（交通信息工程及控制专业论文）基于RTP的网络VTS视频音频传输研究.pdf

中文摘要 摘要 随着经济的快速增长，我国的水上交通运输事业取得了长足的进步与发展。但 是，船舶交通流量的急剧增加和通航环境的更加复杂给我国的海上交通管理提出 了更高的要求。加强近岸水域的安全管理、船舶航行的有序组织、搜寻救助的协 调指挥是目前提高近岸船舶安全管理急需解决的问题。尤其是在海上应急突发事 件的处理中，通过v t s 的信息共享使得远程决策者及时获得直观实时的语音以及 视频图像，实现交互式面对面指挥成为国际上海上应急指挥的一种趋势。 i p 网络的设计初衷仅仅是处理非实时数据，提供尽力而为的服务。而语音视频 的传输对实时性有很高的要求，如果采用t c p 协议，则由于t c p 的检错和重传机 制会大大增加数据包的延时，不适合实时性的要求，而如果单纯的采样u d p 协议， 由于u d p 不提供任何的服务质量保障，传输质量也不理想。r t p 协议是针对i p 网上的语音、图像、传真等多媒体数据的一种网络实时传输协议，通过r t p r t c p 与u d p 相结合可以在满足实时性要求的同时提供服务质量保证。 本文首先介绍了目前网络v t s 信息共享的网络架构、现状问题以及关键技术， 接着对于语音视频网络传输遇到的问题进行了阐述，并深入分析了在u d p 下进行 语音视频传输的实时传输协议和实时传输控制协议。然后对远程语音视频传输系 统进行了设计，并对关键模块和通信网络的选择做了分析。最后详细说明了通信 过程的建立以及r t p 实时传输协议库的实现，对传输服务质量中的时延抖动和流 量控制进行了分析和改进，并进行了仿真和实验。 关键词：r t p 协议；网络化；语音视频传输；服务质量 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，t h em a r i t i m et r a f f i co fo u rc o u n t r ym a k e s ag r e a tp r o g r e s si nr e c e n ty e a r s h o w e v e r , t h er a p i di n c r e a s ei ns h i pt r a f f i cf l o wa n dt h e m o r ec o m p l e xn a v i g a t i o ne n v i r o n m e n th a v ep u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t st oo u r c o u n t r y sm a r i t i m et r a f f i cm a n a g e m e n t s t r e n g t h e nt h es a f e t ym a n a g e m e n ti nt h e i n s h o r ew a t e r s ，o r g a n i z et h en a v i g a t i o no r d e r , c o o r d i n a t ea n dc o m m a n dt h es e a r c ha n d r e s c u e t h o s ea r eu r g e n t l yp r o b l e m sw h i c hn e e d e dt ob es o l v e dt oi m p r o v ec o a s t a ls h i p s a f e t ym a n a g e m e n t e s p e c i a l l yi nd e a l i n gw i t he m e r g e n c i e sa ts e a ，b y s h a r i n gt h e i n f o r m a t i o no fv t s ，t h er e m o t ed e c i s i o n m a k e r sc a nt i m e l ya c c e s st oi n t u i t i v er e a l t i m e v o i c ea n dv i d e oi m a g e s ，r e a l i z ef a c et of a c ei n t e r a c t i v ec o m m a n dw h i c hh a sb e c o m ea t r e n do fi n t e r n a t i o n a lm a r i t i m ee m e r g e n c yc o m m a n d d e s i g n e dt oh a n d l en o n r e a lt i m ed a t at r a n s m i s s i o n ，i n t e r n e tc a no n l yp r o v i d e “b e s te f f o r t s e r v i c e h o w e v e ra u d i o v i d e ot r a n s m i s s i o na s k sf o r h i g h r e a l t i m e p e r f o r m a n c e t c pd o e s n t m e e tt h i s r e q u i r e m e n t f o ri t se r r o rd e t e c t i o na n d r e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m i fw es i n g l ya d o p tu d p , t r a n s m i s s i o nq u a l i t yw i l lb ev e r y p o o r , b e c a u s eu d pd o e s n tp r o v i d ea n yq u a l i t yo fs e r v i c e i 盯pp r o t o c o li sar e a l - t i m e n e t w o r kt r a n s m i s s i o np r o t o c o lo ft h ei pi n t e m e tf o rv o i c e ，i m a g e ，f a xa n do t h e r m u l t i m e d i ad a t a c o m b i n i n gr t p r t c pa n du d pt o g e t h e rw i l lm e e tr e a l - t i m e r e q u i r e m e n t sa n da s s u r a n c eq u a l i t yo fs e r v i c ea tt h es a m et i m e f i r s t l y , h ed e s c r i b e dt h ei n f o r m a t i o n - s h a r i n gn e t w o r ks t r u c t u r e ；c u r r e n tp r o b l e m s a n dk e yt e c h n o l o g i e so ft h ec u r r e n tn e t w o r kv t s ，t h e ne x p o u n d e dt h ep r o b l e m si n v o i c e - v i d e on e t w o r kt r a n s m i s s i o n ，a n dg a v ea ni n - d e p t ha n a l y s i so fr e a l t i m et r a n s p o r t p r o t o c o la n dr e a l - t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o lc a r r y i n go u ta u d i oa n dv i d e o t r a n s m i s s i o nc o m b i n ew i t hu d ea f t e r w a r d sh ed e s i g n e dar e m o t ea u d i oa n dv i d e o t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n da n a l y z e dt h ec h o i c eo ft h ek e ym o d u l e sa n dc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s f i n a l l y , m a d ead e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ee s t a b l i s h m e n tf o rc o m m u n i c a t i o n p r o c e s sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fi 汀pr e a l - t i m et r a n s p o r tp r o t o c o ll i b r a r y , a n a l y z e d a n di m p r o v e dt h ed e l a yj i t t e ra n df l o wc o n t r o li nt r a n s m i s s i o ns e r v i c eq u a l i t y k e yw o r d s ：r t p ；n e t w o r k ；a u d i o n i d e ot r a n s m i s s i o n ；q o s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：基王堕的圈终y 工墨趣麴童频佳捡婴究：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：二垒盘： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“”) 敝储躲柱导师弛矽 日期：弘卜年6 月7 5e l 基- f r t p 的网络v t s 视频音频传输研究 第1 章绪论 1 1 选题的背景 海上交通运输业是我国国民经济的基础性支柱产业，在国民生产建设中起着 重要的支撑作用。我国拥有1 8 0 0 0 公晕的海岸线，海域辽阔，海上运输承担着国 际贸易8 5 以上的贸易运输量，海上交通运输业的健康运行是国民经济健康增长 的物质前提。同时，它的发展也必将对我国的可持续发展产生极其重要的影响。 由于海上交通事故所造成的经济损失巨大、人员伤亡惨重，对海上环境污染严重， 如何解决海上交通安全问题、保证船舶安全航行已经成为全世界共同关注的重要 问题。 随着我国国民经济的发展，港口建设、船舶制造和水上交通运输同益繁忙， 近年来，航速提高、船舶交通流量急剧增加、水上通航环境更加复杂，这为船舶 安全航行和海上人命、财产安全埋下了许多重大隐患。据我国海上交通事故统计， 近岸水域是船舶事故多发区域，近岸水域事故( 包括港池) 占总事故的8 8 3 。可 见，加强近岸水域的安全管理、船舶航行的有序组织、搜寻救助的协调指挥是目 前提高近岸船舶安全管理急需解决的问题。 为了降低和减轻船舶事故的发生，近年来，我国水上安全主管部门不断的采 取相应措施，一方面制定和颁布实施一系列的行政管理措施、技术强制规范以及 船舶航行法律法规，从而保证船舶安全有序航行，推进和改善人、船、环境的安 全技术状况。同时国家也通过现代高科技手段，购置专门导航监控设备，诸如v t s 、 a i s 等用于提高和改进主管机关的监控能力和管理手段，从而有效的预防海事事故 的发生和降低事故发生后的损失。根据1 9 9 7 年由i m o 大会通过修订的( ( v t s 指 南( i m o a 8 5 7 ( 2 0 ) 决议) 中的定义【l 】，v t s 是“由主管机关实施的，用于提高船 舶交通安全和效率来保护环境的服务。在v t s 覆盖水域内，该服务应有能力与交 通相互作用并对v t s 区域内形成的交通状态做出反应”。由此定义可知，v t s 是 指用交通信息进行交通控制从而对船舶交通实施动态管理的业务，用先进的信息 系统和现代的管理方法进行交通控制的系统，所以可以说v t s 是由若干先进的电 子信息设备构成的搜集、处理和传输交通管理信息的信息系统。 v t s 主要功能是为监控区域内的船舶提供监督管理、信息服务、助航服务和 第1 章绪论 交通组织服务。v t s 的功能服务使得船舶在航行决策过程中可以获得更多关于船 舶交通状况、航行影响因素、潜在危险等有效信息，在保证船舶的安全、提高营 运效率、减少环境污染发生、海上搜救应急指挥等方面发挥了重要的作用。但随 着人们对海上安全工作保证的要求不断提高，v t s 应保障能够提供更加便捷、实 时、准确的信息服务，从而有效的应对更加复杂的通航状况【2 1 。然而，v t s 系统各 自独立工作的现状无法满足现阶段人们对v t s 信息共享的迫切需求。网络化v t s 的建设已经成为v t s 研究最为吸引力的技术和发展方向。网络化【3 】是指用纵横交 叉的交互式信息网络来实现信息的交流与共享。而在v t s 系统中，应利用移动通 信、卫星导航、计算机网络等先进技术来实现v t s 系统之间以及v t s 系统与其它 相关部门用户的信息交换与共享，从而以更加有效快捷的服务方式来组织海上航 行服务，以更好的监管能力、更高的管理效率来发挥其在水上交通领域的作用。 在单独的v t s 系统中，环境是以通信受限、传感器集中、控制集中、决策不 灵活为特征的，信息的获取和共享都是很困难的，虽然信息技术提高了通信能力， 但还是保持着集中控制的特点，在这种情况下，信息的获得和决策的执行不得不 依靠物理上的接近或逐级响应来实现。而在网络化v t s 中，系统发生了巨大的变 革，计算机网络和先进的通信技术使得系统能够在物理上得以分散，信息得到广 泛发布、具有分布式的感知能力，信息获取和指挥决策发展成为能够实时的进行 调整，信息容易实现共享，从而产生巨大的实际效能1 4 】。 网络化v t s 中的信息共享可以实现主管部门在v t s 联网水域内对船舶的安全 管理，保障了船舶的安全。信息共享实现的联网水域无缝覆盖可以对交通信息流 进行简化规范，提高了航运效率，有效的防止了交通事故的发生和环境的污染。 而且信息的实时共享使得联合服务的效率和速度大大提高，对于突发性事件的处 理，例如海事应急指挥、海上搜救、海上防污染等可以通过信息化的管理，从而 实现交互式面对面的指挥。 利用先进的数据融合和网络通信等手段从而实现v t s 系统之间以及v t s 系统 与其他信息需求部门之间的信息共享和交换已经成为v t s 系统发展的热点和方 向。 2 基于r t p 的网络v t s 视频音频传输研究 1 1 1 国外v t s 研究现状 目前，世界上一些发达国家已经建立专门的技术及工程化研究机构或委托专业 集团公司开发海上智能交通相关技术及产品。就v t s 系统而言，它是以计算机为 中心，集雷达、通信、导航、水文气象、监控、计算机数据处理和显示于一体的 综合性信息系统。国际上主要知名的v t s 生产厂家有：德国的a t l a s 公司、挪 威的v i s s i m 公司和k o n s b e r gn o r c o n t r o li t 公司，法国的s o f r e l o g 公司、荷兰的 h i t t 公司、英国的r a c a l d e c c a 公司、日本的o k i 和f u r u n o 公司、意大利的 a l e n i a 公司，加拿大的c a n a c 公司等。随着a i s 、数字雷达和电子海图技术的 出现，发达国家的一些专业化公司已经开始研制新一代数字化v t s 系统。同时投 入大量的资金建设基础设施( 如a i s 岸站网络、v t s 联网、海上交通信息发布平 台) ，实现了对全球海域，尤其是沿海和进出港口的船舶的进行全程监控引导、协 调编队，极大地提高了船舶的航行安全和通过能力。 对于v t s 系统中的单一的设备来说，现在国际上的厂商一方面在对系统中的 雷达进行升级改造，增强其处理杂波能能力，减少雷达盲区，提高距离分辨率以 及方位分辨率，从而更好的探测移动物标。另外现在的v t s 系统渐渐的融合了多 种传感器信息，使其朝着综合性的船舶交通管理和信息系统的方向( v t m i s ) 转 变。传感器的服务器将各种传感器( 雷达、v h f 语音、船舶自动识别系统、水文 气象系统、c c t v 、v h f 测向等) 提供的所有信息融合在一起，在局域网上进行传 输，将信息发送到v t s 控制中心，v t s 控制中心再通过互联网或者无线网络等方 式将允许共享的信息传输到远程的客户终端。 在v t s 联网方面，不同的v t s 系统之间可以利用网络技术和数据库技术处理 v t s 中的共享信息、例如船舶资料、交通流态势等。信息的综合处理大大的提高 了海上交通服务效率和应急反应能力。在信息化发达的国家和地区【4 】，v t s 系统实 现了不同区域v t s 互联以及与其他船舶服务系统之间的信息共享。例如欧洲 v t m i s ( v e s s e lt r a f f i cm a n a g e m e n ta n di n f o r m a t i o ns e r v i c e ) 项目中v t s 与交通运 输系统的互联，m o v i t ( m o b i l ev t m i su s i n gi n n o v a t i v et e c h n o l o g y ) 项目中欧盟 国家v t s 之间的互联以及美国v t s 系统与水路信息系统之问的互联等。这是国际 上v t s 系统发展的总趋势。 第1 章绪论 1 1 2 国内v t s 研究现状 我国在v t s 方面的研究比较落后，2 0 世纪8 0 年代才开始建设船舶交通管理系 统。直到9 0 年代术，我国的v t s 才得到全面的建设，v t s 系统覆盖了沿海大部 分港口重要水域和长江的重要航段。目前国内港口使用的v t s 系统是完全依靠引 进国外设备，不仅安全性没有得到保障，而且后续的系统开发和集成工作受到相 当大的制约。尽管在v t s 建设中要求具备与其他信息系统以及不同v t s 系统之间 进行信息共享，但由于不同v t s 系统的信息交换涉及到不同的技术体系，异构系 统之间无法进行信息融合，难度很大，目前我国现有的v t s 系统大多是独立进行 运转，难以实现无缝覆盖和数据兼容，更不用说实现全国范围内的互联，这严重 限制了v t s 功能的扩展和发挥。 1 2 选题的目的和意义 本课题基于r t p 协议( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l 实时传输协议) 研究了v t s 系统之间进行实时信息( 视频音频) 交换的可能性，设计了一个适用于在海事突 发事件时的基于r t p 协议的远程音视频传输系统，可以通过网络完成实时图像语 音远程监控和控制信息的传输、存储和管理，实现现场指挥与上级与决策者的信 息交互。 v t s 系统由多个子系统组成，其信息种类从功能属性方面来分，可以分为一下 六类1 5 】： ( 1 ) 雷达图像信息；分为数字化的原始雷达视频和录取视频，对于大多数v t s ， 都采用录取视频，是进行船舶跟踪监测的基本信息； ( 2 ) 船舶信息，主要包括船舶动态信息和船舶静态信息； ( 3 ) 目标跟踪信息：对目标进行跟踪检测从而产生的关于目标的航速、航向 位置等参数； ( 4 ) v h f 语音信息：v h f 岸台与船舶以及船舶之i 、日j 的通话； ( 5 ) 系统状态及控制信息：系统自身工作状态的检测信息以及操作员发出的 控制指令信息； ( 6 ) 其他辅助信息包括v h f d f 、c c t v 图像、水文气象信息等信息。 其中，c c t v 监视子系统作为v t s 系统的一个有效辅助手段，它可以通过控 4 基t - r t p 的网络v t s 视频音频传输研究 制遥控摄像机以及云台来直观的观测监视区域内的所有情况，其信息通过雷达站 信息传输设备传输至v t s 中心进行集中显示，在重点水域检测、近岸事故救助、 重点船舶跟踪、船舶排污监控等方面发挥了重要的作用。c c t v 提供的目标信息具 有直观、实时等特点，通过该设备可以对港区活动的大量不参加v t s 的小型船舶 具有较好的监控效果，并对水域环境有直观的了解。它可以扩展人的目视观察、 收集监视范围内的所有动态信息。尤其是在海上事故救助、船舶排污监控等方面， 实时直观的c c t v 图像信息相比雷达信息，能够给远程决策指挥人员提供更为准 确的决策依据，成为更加有效的监控手段。通过观察远程传输的实时c c t v 视频 图像以及语音信号，海事主管机关和搜救、防污指挥部门可以不需亲临现场也能 够快速准确的做出正确分析判断，实施正确的决策方案，达到实时指挥和统一调 度，为搜救应急工作的进行节省了宝贵的时问，保证船舶航行的安全和效率，防 止损失进一步扩大。通过网络化v t s 的实时信息管理，从而实现交互式面对面指 挥已经成为国际上船舶管理、海上搜救、海事应急指挥等工作丌展的一种趋势。 对于共享的v t s 的语音视频信息应保证其实时性和准确性，为了获得真实的 现场感，所以需要选择一个合适的网络传输协议进行传输从而保证其服务质量。 t c p 协议可以通过重传解决分组丢失问题，但对于实时应用，根本不能容忍重传 数据分组所造成的巨大时延，而u d p 协议由于数据包没有编号，无法提供差错控 制和加载流的时间信息，无法解决分组丢失和分组失序的问题。 r t p 协议1 6 堪j ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l 或简写i 盯p ) 是一个网络实时传输 协议，它是由i e t f 的多媒体传输工作小组1 9 9 6 年在r f c1 8 8 9 中公稚的。它作为 因特网标准在r f c3 5 5 0 ( 该文档的旧版本是r f c1 8 8 9 ) 有详细说明。r f c3 5 5 1 ( s t d6 5 ，旧版本是r f c1 8 9 0 ) 详细描述了使用最小控制的音频和视频会议。r t p 协议详细说明了在互联网上传递音频和视频的标准数据包格式。r t p 用来为i p 网 上的语音、图像、传真等多种需要实时传输的多媒体数据提供端到端的实时传输 服务。r t p 为i n t e m e t 上端到端的实时传输提供时间信息和流同步，但并不保证服 务质量，服务质量由r t c p 来提供。r t p 协议提供了为数据包编号，加载时间信 息和多点投送等功能，此协议位于u d p 协议之上，在功能上独立于下面的传输层 和网络层桫j ，但不能单独作为一个层次存在，通常是利用低层的u d p 协议对实现 视音频数据进行组播或单播，从而实现多点或单点视音频数据的传输。 第i 章绪论 由于r t p 协议推出的时间比较晚，目前r t p 协议的应用主要是在视频会议、 远程教育、多媒体信息检索以及视频点播等【l o 】，而未应用到海事信息服务中。使 用r t p 协议对v t s 实时信息进行网络传输能够保证其信息的实时交换和共享，提 供了技术上的可行性，符合国内外传输技术的发展趋势，因而本课题具有广泛的 实际应用前景。 1 3 论文结构 全文一共分为六章： 第一章介绍了本文选题的背景，概述了v t s 的发展和r t p 协议的应用，并阐 述了此课题的研究目的以及重要意义。 第二章综合分析了网络化v t s 以及关键技术，并对语音和视频传输过程协议 的选择以及编解码方法进行了论述。 第三章详细论述了r t p 协议的基本理论，包括r t p 协议和r t c p 协议的工作 机制以及它们的数据包格式。 第四章介绍了网络v t s 视频音频传输系统的总体设计和系统架构，接着对系 统中重要的模块进行了设计和实现并确定了传输的通信网络。 第五章描述了系统的通信过程以及r t p r t c p 协议的实现，并分析了服务质量 的重要参数并提出了优化。 第六章对流量控制算法进行了网络模拟仿真并进行了比较，对r t p r t c p 函数 库在网络语音传输子系统上的应用进行了测试。 最后总结了本文的主要工作和存在的不足，并进行了展望。 6 基于r t p 协议的网络v t s 视频音频传输研究 第2 章v t s 联网和音视频传输的综合分析 2 1v t s 联网 2 1 1v t s 网络化架构方案 v t s 能够对有效的监测管辖区域内的船舶交通动态、提供船舶信息服务和助航 服务，预防海事事故的发生、提高海事应急的反应速度，在提高通航效率、优化 交通流、保证船舶安全航行和防止水域污染等方面起着不可替代的作用，随着通 航环境的日益复杂，船速的提高以及危险货物的不断增加，人们对于海事管理的 要求不断提高，基于v t s 系统自身工作需要以及其它岸基系统的需要，实现v t s 联网及信息网络化资源交换共享已经成了现阶段v t s 发展的方向。v t s 系统的联 网可以分为狭义v t s 联网和广义v t s 联网两种】。狭义的v t s 联网只是简单的 分享各个雷达站的视频信号，完成雷达覆盖区域的无缝覆盖，扩大v t s 系统的监 管区域；广义的v t s 联网是指通过计算机网络以及数据库等先进技术完成网络环 境中v t s 系统与其他信息需求部门之间包括各级v t s 系统之间的各种传感器信息 ( 雷达视频、a i s 数据、c c t v 图像、水文气象) 的信息资源共享。主要表现在共 享监控船舶的动静态信息、船员数据库信息，提高共享数据的准确性、实时性和 完整性；充分利用现有的分布式设备、站点和网络等基础资源，减少资源投资浪 费；划分使用权限，优化管理体系，发挥人力资源的最大效益。由于我国v t s 建 设起步较晚、其他岸基系统建设目标存在差异、建设时间不一、主管部门各不相 同等因素和相关技术的制约，信息共享受到了极大的制约【1 引。 考虑到我国现已建设的v t s 中心所在港口的地理位置以及信息化建设情况和 实际船舶交通营运情况，建议我国的v t s 网络化建设采用两级网络、三级管理中 心的架构模式【1 3 彤】。如图2 1 所示， 第2 章v t s 联网和音视频传输的综合分析 连天津 级二绒 心 中心 匣门j 州i 谌江 ，意意i 裟 ：翳i 。鞲譬罔粥晖 幽2 i 全国v t s 阿绍布局 f i g2 1n a t i o n a l v t sn e t w o r k l a y o u l 顶级控制中心设置在北京交通部、负责对二级控制中心的管理，协调全国v t s 网络内各区域v t s 控制中心的信息共享并保持对下级控制中心的管理与监控；二 级控制中心是以各区域内的主要省市海事局为依托，负责各自辖区内的地方v t s 的管理，协调本辖区内的信息共享以及实施上下级之间通信的控制等：三级控制 中心负责各自区域内的正常交通的管理控制，保障各基站部分的正常运行。上述 的三级控制中心构成二级网络结构，即区域v t s 网络和全国v t s 网络。二级控制 中心以配置的区域服务器为中心，通过数据链路与三级控制中心的当局服务器相 连，构成区域v t s 网络。在国家交通部的项级控制中心配置全局服务器，通过网 络与各区域服务器进行连接，形成全国的v t s 网络，提供全局层次的平台式应用 服务。 1 - j i i ild芍：七cou芒o苟z卜焉coll四z n n 恩k 眯r辽黑恕匿卜匦斜n“丑 c 按 醐 n 按 醐 |- h 磐 捌 1 咄 一删 测剁稠封 一嘲矧蟊 限s辞迎爨啦爨寒上人海匿星签拳山壶-上醐 第2 章v t s 联网和音视频传输的综合分析 如图2 2 所示，我们将系统网络结构分为四层：基站层、逻辑层、网络层和客 户层。实现现有的v t s 联网，最重要的部分就是网络层部分，下面我们对每一层 具体的作用进行介绍： ( 1 ) 基站层：这一部分对应的是现有v t s 系统内部的各个传感器基站，包括 雷达站、a i s 基站、v h f 、c c t v 子系统以及水文气象等其他传感器部分。各个传 感器收集各自负责的信息，并将信息打包压缩，以一定格式的数据通过v t s 的内 部局域网将数据传输到v t s 当地的服务器。 ( 2 ) 逻辑层：在此定义的逻辑层扮演这网络层和逻辑层双重的角色。一是本 地服务器作为本地局域网的终端，收集来自各个传感器传来的信息，通过相连的 控制中心实施对其管辖区域内船舶交通的管理和控制；二是本地服务器将信息存 储到本地的数据库服务器，并通过网络控制器将v t s 互连所需要共享的信息转换 成统一的标准格式传输到v t s 互连网络中。 ( 3 ) 网络层：网络层中设置区域服务器、备份服务器以及区域网络管理终端。 区域服务器负责建立和维护下级各地方v t s 的连接，接收下级控制中心提交上来 的信息，进行处理，或者通过网络管理终端控制将信息转发给其他的下属v t s ， 上级控制中心或者其他相关的航运部门。备份服务器用于在主服务器出现故障时 提供应急服务。 ( 4 ) 客户层：客户层主要是通过局域网或者互联网来接受服务器发布的各种 消息，或者向区域服务器发送相关的消息，发送的内容在可以区域管理终端的应 用程序上丌窗显示，而且区域网络管理终端可以根据需要设置信息的流向，从而 实现各部门之l 日j 的信息共享。 2 1 2v t s 联网关键技术 v t s 系统联网的关键技术主要体现在以下三个方面1 1 6 】： ( 1 ) v t s 系统的传感器信息的融合：v t s 系统具有多个子系统，传感器信息 的信息融合包括两个方面，一方面是相邻v t s 重叠区内的同类型传感器信息融合 处理，另一方面是v t s 系统内部多传感器获取的船舶信息的综合数据融合处理( 例 如雷达信息与a i s 信息的融合) 。将各种传感器的信息集中统一处理，提交到核心 平台进行综合显示的技术成为限制我国v t s 发展的瓶颈之一。 l o 基于r t p 协议的网络v t s 视频音频传输研究 ( 2 ) 不同v t s 系统之间的信息共享：其中包括邻近v t s 的信息共享和非邻 近v t s 之间的信息共享。邻近v t s 之间的信息共享可以大大减轻船舶的报告负担， 同时加强v t s 系统对船舶在整个监控航区的全程监控能力，实现连续跟踪。而对 于非邻近v t s 之间的信息共享，船舶动态信息的共享已经不那么重要，更倾向于 共享船舶交通组织计划以及大范围内的联合服务，对于实时性要求降低。由于我 国各港口配置的v t s 系统来自不同国家的不同厂商，它们各自的硬件平台、操作 系统、软件结构以及网络协议等方面都存在着差异，异构问题严重，给信息共享 造成了困难。如何解决分布式异构系统的连接，成为v t s 系统联网的关键技术之 一o 3 ) v t s 系统与其他信息需求部门之间的信息共享：其他外部v t s 信息用户主 要包括港务部门、港口调度、口岸联检单位、船舶单位、搜救部门以及其他上级 交通管理机关。其他部门由于存在技术水平不一、对需求信息的要求高度不同、 管理体制的差异等问题，有效的v t s 信息共享存在着困难。实时准确的船舶动态 信息可以保证港口生产、船舶营运的高效运行，提高经济效益。实时的掌握船舶 动态信息以及监控图像和语音通信有利于管理救助部门针对性的开展工作，安排 搜寻救助和海事处理，快速的做出j 下确决策处理突发事件，从而提高工作效率， 保护国家安全。突发事件和搜寻救助的决策处理时交换的内容包括船舶动态数据 以及监控图像和语音指挥等信息，对实时性要求非常高。这是v t s 联网发展中亟 待解决的一个重要问题。 2 1 3v t s 联网意义 ( 1 ) 减轻了船舶和v t s 中心的负担。船舶在多个v t s 管辖区域内跨航区航 行时，经过每条报告线都需要向当地v t s 中心报告，同时各个v t s 系统也需要重 新对船舶进行录入跟踪。重复的报告导致船方时刻精力的投入，这必将影响船舶 的安全航行，同时也为v t s 中心带来繁琐工作。实时v t s 区域联网，船舶跟踪及 识别信息可以自动交换，这不仅减少了船方负担，缓解了海上通信的拥挤，同时 v t s 中心也可以通过网络互连提前获取管辖区域内的船舶动态。 ( 2 ) 节省了v t s 系统的建设投资。交管系统设施的建设投资巨大，通过v t s 区域互联的信息共享，可以充分利用邻近v t s 的有效资源，避免了重复建设，使 第2 章v t s 联网和音视频传输的综合分析 得v t s 中心在减少建设投资的同时加强了区域内船舶交通流的协调管理。 ( 3 ) 通过实现v t s 联网，v t s 的服务信息量得到扩展，信息的搜集、查询和 服务均可在网络上进行，直观实时的信息促进了海事管理水平的提高。港口作业 单位、船舶代理部门可以掌握船舶的实时动态信息，提高了船舶、货物的生产效 率和周转速度，协调了各方面的衔接，降低了营运成本，提高了经济效益。 ( 4 ) 加强了v t s 与其他部门的信息共享，特别是搜寻救助部门及上级主管部 f - 1 2 _ 间的实时信息沟通、有助于各部门之间的合作联系，使得联合行动更加有效。 当监控海域出现突发异常情况或者船舶交通事故时，及时的进行决策处理显的尤 为重要。而c c t v 的信息共享传输就可以把船舶出现的异常情况和周围海域的现 场图像、通话内容等传输到指挥中心，使得海事指挥机关和部领导在指挥中心或 者办公室就可以看到实时的图像，不需亲临现场也可以及时了解事件现场的重要 信息，快速准确的做出j 下确分析判断，达到实时指挥，提高海事决策系统的快速 准确性、增加快速反应能力、指挥能力和突发事件的处置能力。 2 2 音视频传输相关协议及方式 在发生海事重大应急事故时，以网络为基础的信息传输突破了时间、地域的限 制，只要有网络存在的地方就可以建立临时指挥平台，远程的决策指挥者可以通 过获得内容全面、准确及时的大量信息迅速的评估事故态势，实施合理的决策。 而c c t v 视频以及v h f 语音的实时传输是远程决策者处理各种突发事件最为有效 的手段，它能瞬间把事故发生的过程详细的同步展现在远程人员面前，使其仿佛 置身于现场，无形中极大的缩短了远程人员与事故现场的时空距离尤其是为实时 信息的共享提供了更大的平台和空间。 而视频和音频实时数据不同于普通数据的传输。视频音频数据量非常大，要求 有足够的带宽进行传输，这就需要采用有效的信息压缩技术来保证通信网络对巨 大信息量的要求。另外，视频音频对实时性的要求非常高。普通的数据对时延的 要求不是很高，可以随时改变传输的速率保证到达数据的可靠性，而对于音视频 数据来说，对延迟和丢包比较敏感，如果延迟较大，图像声音会出现断续的情况， 所以应保证时延抖动在一定的范围内。对于普通的数据来说，丢失的包可以通过 重发或者进行差错恢复，但对于视频音频来说，数据重发会导致网络更加拥挤， 基tr t p 协议的网络v t s 视频音频传输研究 而且延迟长的数据重发对于实时性的保障没有了意义。同时对于视频音频传输， 由于在时空上是相互约束、相互关联的，还需要保证声音和图像的同步。 所以为了保证高质量的多媒体信息传输，有效解决延迟、丢包、拥塞控制、同 步等问题，对于传输系统来说，应当选择更加优化的网络传输协议和压缩技术。 2 2 1 相关协议介绍 2 2 1 1t c p u d p 协议【1 7 】 t c p 协议是面向连接，可靠的传输控制协议，在数据传输之前，它首先通过三 次握手机制来建立连接，对于丢失的数据包可以通过重传机制保证了数据传输的 可靠性，它还可以利用“大小可变的滑动窗口”进行流量控制和拥塞控制。 u d p 协议时一种面向无连接、不可靠的数据报传输协议。它通过使用底层的 i p 协议来传输报文，由于没有确认机, u j 年d 拥塞控制，它的传输速率高，但可能出 现丢包、延迟、重复和乱序等问题，可靠性低。 2 2 1 2r t s p 协议 实时流式协议r t s p 0 s 】( r e a l t i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 作为因特网建议的标准 r f c 2 3 2 6 文档，以客户服务器方式工作。它提供了一个扩展框架，使得实时数据 的点播、受控成为可能，但要实现r t s p 的控制功能，我们还需要有专门的媒体播 放器和媒体服务器来进行解压缩、纠错、消除时延等服务。实时流协议【1 9 】具有扩 展性好、传输安全、适合专业应用等特点，但强调了数据传输的准确性却无法保 证实时性( 尤其是发生网络拥塞时) ，而且也不适合多播环境。 2 2 1 3r t p i 汀c p 协议 实时传输协议和实时传输控制协议是针对网络上多媒体数据的一种传输协议。 r t p 提供端到端的实时传输服务，它提供了时间信息和实现数据流同步，但是却 不具备流量控制和拥塞控制，无法保证服务质量。它依靠r t c p 协议提供这些服 务。r t p 和r t c p 配合使用，可以以最小的开销换取高效的传输效率，适合实时 数据的网上传输2 0 抛】。所以我们采用i 盯p 协议作为实时数据的传输协议。这一协 议将在第三章进行详细分析。 2 2 2 传输层协议的选择 t c p i p 协议并不是专门用来传输实时性要求比较高的多媒体数据，它是为了 第2 章v t s 联网和音视频传输的综合分析 满足文本信息、控制信息等准确信息的传输而设计的，它可以提供拥塞控制、差 错控制、丢失重传等机制来保证数据的完整性和准确性。t c p | p 协议在传输之前 需通过三次握手来建立连接，同时它的丢失重传机制都需要较长的时i 司 2 3 1 2 4 1 ，因 此产生实时数据的传输时延变得很长，而对于实时性要求高的视音频数据来说， 在可接受的时间内没有到达就失去了意义，没有必要重新发送。而u d p 协议提供 的是面向非连接的、非可靠传输的数据包传输服务，它的传送延迟小，可以用来 传输可靠性要求低于实时性要求的视音频数据2 5 。 因此，在系统中我们对实时音视频数据的传输采用u d p 协议。但是u d p 是以 牺牲可靠性来保证其实时性，因此而产生的丢包、乱序、重复等问题无法解决。 为了尽量保证数据的可靠性，所以我们在u d p 协议之上采用r t p 协议来进行视音 频数据的封装和打包；而对于系统中的控制信息以及文本信息，为了保证准确性， 采用t c p 协议来进行传输。 2 2 3 视音频编解码方法 目前对于视频语音数据的压缩，广泛使用的标准主要有h 2 6 1 、h 2 6 3 、m p e g x 系列等几种。 2 2 3 1h 2 6 1 h 2 6 1 是1 9 9 0 年i t u t 制定的一个视频编码标准，属于视频编解码器【2 6 】【2 7 】。 其设计的目的是能够在带宽为6 4 k b p s 的倍数的综合业务数字网( i s d nf o r i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) - 传输质量可接受的视频信号。编码程序设计的 码率是能够在4 0 k b p s 到2 m b p s 之间工作，能够对c i f 和q c i f 分辨率的视频进行 编码，h 2 6 1 标准仅仅规定了如何进行视频的解码，对于编码器如何实现并没有定 义。 2 2 3 2h 2 6 3 h 2 6 3 标准是国际电联i t u t 的于1 9 9 5 年定稿的一个标准草案，是为低码率 条件下的网络视频音频服务而制定，如无线网络、窄带i s d n 和公共电话交换网 ( p s t n ) 等。它可以扩展带宽利用率，以1 2 8 k b i t s 的速率实现全运动视频( 3 0 f p s ) ： 也可以2 0 k b i t s 2 4 k b i t s 的带宽传送视频流。h 2 6 3 标准包含4 个可协商的选项以 改善性能，它支持5 种分辨率类型的视频图像，分别是q i c f 、c i f s q c i f 、4 c i f 和1 6 c i f 。h 2 6 3 的编码算法与h 2 6 1 一样，但做了一些改善和改变，以提高性能 1 4 基于r t p 协议的网络v t s 视频音频传输研究 和纠错能力2 引。它在许多应用中可以认为被用于取代h 2 6 1 。h 2 6 3 标准在低码率 下能够提供比h 2 6 1 更好的图像效果， h 2 6 3 标准的