MPEG-2数据流在ATM网的实时传输

　　MPEG-2音频、视频标准是国际公认的数字视频和音频压缩标准。MPEG-2提供认低到中等的比特率，高质量的视频，以及压缩、复用、重建视频流的标准。数字视频服务中采用的MPEG-2标准也是大多数数字卫星广播系统的压缩标准。另外，MPEG-2视频标准也已经被高清晰电视所采纳。

　　ATM论坛采用了在ATM网络上传输MPEG-2压缩视频流的规范。

　　在ATM网络设计中，多媒体应用需要支持有严格服务质量(QoS)要求的服务，把这些质量要求转变为ATM网络的状态参数，取决于终端用户、终端设备和协议。现在还不清楚存在于QoS应用和网络状态参数之间的一一对应关系。

　　高效利用有限带宽已成为今天数字视频分布系统的主要考虑点之一。在大多数商业可行性传输中，MPEG-2编码器用固定比特率信道。可变比特率编码主要用于存储应用(如DVD)，很少用于传输业务。

　　1.MPEG标准

　　建立MPEG-2(运动图像专家组)是为了对数字视频信息编码和存储制定一套通用形式。MPEG-l标准(ISO／IECll172)是为了提供达到VHS录像带用的1．2Mb／s比特率；MPEG-2标准(ISO／IEC13810)最初是为了把广播级质量的视频压缩成4Mb／s—6Mb／s数据流，虽然它也能容纳宽范围的数据率和分辨率；低比特率的编码标准MPEG-4标准，用于低时延和有严格宽带要求的视频会议应用；MPEG—3标准一开始是为高清晰度电视(HDTV)应用设立的，但当HDTV加入到MPEG-2标准后，就被取消了。MPEG-l和MPEG-2标准类似，只是细节不同，MPEG-2增加了帧格式和编码选择。MPEG-2规范包括系统、音频和视频3部分。音频和视频部分拖述编码过程，而系统的规范则着重于位流同步、复用和同步。在解码器端重建基于MPEG-2运动图像的基理是：为了确保在网络模型上无丢失，并具有固定时延的传输特性。这些要求并不是对任何可操作网络都可行。信息丢失及网络时延的可变性都增加了重建图像的扭曲形式。

　　MPEG标准并不描述图像编码过程，而是定义输入解码器的输入数据格式，并对此数据进行解释。数据格式称为句法，对数据进行解释的规则称为解码词义，编码过程并没有被标准化，而是根据特定的应用需求作相应的变化。解码器仅仅受限于遵从解码词义的位流，因而即使已经制定了标准，仍可提高解码器的性能。MPEG视频压缩通过帧内编码和帧间编码技术，减少了图像上时间和空间的冗余度。帧内编码技术是对每帧单独进行编码，可减少空问冗余。对相邻的相似帧进行压缩，时间压缩是每帧单独编码的重点，此即帧间编码。在最简单的帧间编码中，对相邻帧进行相减，进而对帧间的差别进行编码。然而，如果整帧都是移动图像(如场景镜头摇动或放缩)，则这项最简单的帧间编码技术并不适合于这种情况。MPEG编码技术就是为了解决这个问题而提出来。

　　MPEG流包含；种主要的帧类型：(l)帧内编码帧(1)：对本帧进行编码；(2)预测帧(P)对本帧与前帧块与块之间的差别进行编码；(3)双向帧(B)：对未来帧的预测与过去帧之间的差别进行编码。帧内编码只利用单幅图像(帧或场)内的空间冗余，没有利用时间相关性(即时间预测)，这种时间预测称为帧间编码，没有使用任何帧间编码的帧称为I帧。I帧需要固定地在数据小出现，因为后续的帧(如P帧和B帧)只有收到I帧后，解码过程才能开始。I帧每隔半秒就插入数据流，它为解码过程提供起始点，为后续的P帧及B帧提供预测模板。P帧以I帧为参考帧，通过前向预测，用宏块对帧间区别加以编码。一个宏块在光空间是16×16象素，在时间空间是8×8象素为最简单颜色亚彩样格式(4：2：0)。宏块通过寻找最匹配的前向帧来编码。在一个具有固定背景和活动的前景物体图像帧中，前景物可被前向帧的宏块和运动物体的前后变化所代表。B帧同时以它相邻的前后两帧为参考帧进行运动补偿，并将所得结果进行内插而获得平均预测结果。

　　MPEG-2系统标准定义了复用一个或多个音频、视频和数据元素流的方法。数据流被打包，加上时间标识，形成一个被包装的元素流(PES)。音频、视频和数据(任选)的PES被复用在一起，形成可存储和传输应用的单一输出流。MPEG-2系统标准的目的是提供必要的句法，用以同步音频和视频声明信息。MPEG-2系统标准有节目流(PS)和传输流(TS)两种数据流。PS用可变长度包，TS用短固定尺寸包。PS类似于MPEG—l系统流，用普通时间基准复用元素流，通常用于DVD类的存储应用中。由于长帧更易遭受错误，使PS在传输应用中增加了数据包出错的可能性。TS复用那些并没有共同时间基准的数据流，固定长度为l88字节。在这188字节的包中，至少有4字节用作包头，其余字节用作传输存储数据、音频和视频信息。TS包头命令包含信息有：同步、包私有、节目标识和错误状态。TS可包含附带头领域提供时间信息。

　　2.ATM信元适配MPEG-2数据流

　　ATM数据包的适配层(AAL)提高了网络应用层的服务能力，比如能进行ATM层数据和应用层数据的适配，也即应用层数据与ATM信元间的相互转换。虽然AAL所提供的服务取决于应用层的要求，但在实际应用中，通用AAL支持大多数应用场合。已定义了6个适配层(AAL0一AAL5)，但这些标准化AAL的功能有限，因而在AAL的头部常带有附加的传输层。已提出了把AALl和AAL5作为MPEG应用的传输协议。AALl用于MPEG视频传输的好处在于它能够在接收端重建数据的起始时钟，使网络表现为具有固定的时延。AALl还能检测丢失信元，在传输包中，这些丢失信元可用于设定错误指示位，以激活解码器的错误，取消单元。另外还提出了能提供前向纠错(FEC)的AAL1版本。有许多研究工作都致力于用AAL5、AALl和用户适配层鼓入MPEG视频流。ATM论坛推荐在每个AAL5数据协议单元(PDU)中，将2个传输包映射入8个ATM单元。在嵌入过程中，PDU尾部增加了包含有CRC校验和长度信息，使PDU分成8个单元。采用AAL5映射MPEG流作为传输协议方案的不足之处，在于缺乏降低信元拥塞和错误处理功能，因为它每检测到l位错误就丢失2个传输包。为此，在MPEG解码器端，必须使用较为复杂的时钟恢复电路，以便即使在接收到有大量拥塞的节目时钟基准(PCR)中，也能提供稳定的时间基准。

　　综上所述，AAL1和AAL5都不能为MPEG视频传输提供理想的适配层。一个在MPEG编码器与解码器之间的理想网络，必须具有提供纠错和固定时延连接的能力。在这种理想网络中，数据AAL需要提供一套把TS包高效地适配于编码器信元负荷，并在解码器重建TS包的基理。但在实际网络中，并不总是存在这种有效的连接。在ATM层传输中，信元难免会发生随机位错误，在网络拥塞时，因信元丢失而带来不同的时延。因此解醋器需要增加相应的复杂度，以“掩埋”掉传输损害的影响，而且AAL需要带有纠错和拥塞转移的单元。