IP分组网和无线网中实时视频流的QOS研究

　　本文分析了IP分组网和无线网对于实时视频流的质量影响因素，研究了基子网络和终端的解决方案及其可实现性，并着重研究了基于终端解决方案的策略。

　　关键词：IP网络 无线网络 视频通信QOS 多媒体应用

　　一、前言

　　未来的通信网络是以数据业务为中心的网络。语音也将由数据业务的网络承载，最终所有业务将集中于以包交换为核心的光网络中。Internet将以其开放式的接口和标准加速发展和普及。

　　移动通信是目前发展最快的通信系统之一，因其具有独有的灵活性和随意性而能满足人们的实际需要。IP分组网和无线网的多媒体业务将是未来的主流，传送有一定的QOS（服务质量）保证的实时视频流是多媒体应用的主要内容。移动通信系统的共同点是误码率很高，因此在无线通信系统开展视频业务十分困难，要求视频编解码和传输系统能够克服信道的高误码比、包丢失以提供QOS保证。

　　二、IP分组网中的多媒体传输

　　1．基于网络的QOS解决策略

　　传统电信网络的建立是先有业务后有网络，因此有QOS保证。IP网络的建立具有不同的思路：先构造网络再开展多种业务。但是每增加一种业务，都要占用一定的网络带宽资源，因此网络必然出现拥塞。一方面，排队时延对实时业务造成质量下降；另一方面，因为排队超时的丢包导致质量下降。为了提高网络的服务质量，必须对带宽进行有效管理，QOS就是针对这种管理策略的协议。QOS本身并不增加带宽，只是对带宽进行有效的管理。现在的QOS主要分为二种：

　　（1）资源预留管理（集成业务）

　　根据申请QOS请求进行资源分配，根据带宽资源进行管理。RSVP提供了这一种管理机制。

　　（2）优先级管理（区分业务）

　　对网络流量进行分类，根据带宽资源管理策略的准则进行资源分配。为了保证QOS，对于要求高的业务给与更高的优先级。QOS的协议和算法不是相互排斥和竞争的，它们是相互补充的，它们的制定就是为了用于不同的网络环境。

　　2．基于终端的解决策略

　　基于网络的解决方法虽然在技术上简单有效，但是在实际工作时有相当的困难：因为视频业务是端到端的服务，要求网络上的节点都支持QOS通常是不可能的；所以基于终端的QOS策略是一个可行的方法。IP分组网中的实时多媒体业务在网络中传输时，由于在每一个网络节点中都要进行路由选择，而且传输包要进行排队导致包传输的时延，延时超过一定时间后会采取丢包处理。这些都对视频处理的质量造成影响。根据网络中图象降级的原理，基于终端的解决策略主要有拥塞控制和差错控制。

　　（1）拥塞控制

　　因为TCP重传造成的时延对于实时业务质量的影响是不能承受的，通常采用UDP包来传输实时业务。但UDP包没有提供拥塞控制和质量保证的机制，所以需要在UDP的上层加上拥塞控制的机制。这个过程主要是通过调整视频编码的速度使其适应网络的带宽。因为网络的带宽是时变而非固定的，而且是一个未知量，所以不能直接设定一个编码速率来适应网络状态。通常采用两个方法实时调节：一是窗口法：通过逐渐增大传送的码率，当发现网络上出现包的碰撞（检测到了丢包）时，再减小发送的码率；另外是基于速率的方法：先估计网络的带宽资源，再调整编码的目标速率来适应网络的状态。基于窗口的解决方案会引入类似TCP的重传，这是不能忍受的。通常采用基于速率的三类解决方案：基于收端、基于发端和混合控制。

　　①基于发端的速率控制

　　通过调整发端的编码速率来适应网络的传输。如果传输码率和网络带宽相匹配则包丢失率会大大下降。实现时通常需要有一个反向信道，从收端监测网络的状态，把网络的状态信息反传给发端。发端根据网络状态信息进行编码速率调整。可以采用试探的方法和模型法。

　　基于试探的方法是首先设定一个包丢失率的阈值Pth，在收端检测包丢失率p，并将p通过反向信道传回编码端，编码时可以采用以下的策略进行码率调整：

　　如果（p≤Pth）

　　r=min{r+AIR),MAXr}

　　如果（p≥Pth）

　　r=max{（α×r），MinR}

　　其中r是传输速率，p是包丢失率，MaxR和MinR是最大和最小传输速率。

　　基于模型的方法是采用一模型来估计网络的带宽，主要是计算网络的TCP吞吐量，

　　其中λ是TCP连接的吞吐量，MTP是连接的最大包长。RTT是包传一周的所用的时间，p是包丢失率。计算速率控制后的视频流能够象TCP连接一样共享带宽。

　　②基于收端的速率控制

　　收端根据网络状态增加或减少信道，主要用于分级的图象编码。在这种控制方法中，编码部分本身并不作调整，只是在发送层参与调整。这种控制策略在组播系统中工作得很好，而基于发端的速率控制主要用于单播的系统中。基于收端的速率控制也采用试探的方法和基于模型的方法。这两种方法与上述基于编码端的解决方法相同，只不过每一次发送的码率是以分级码流的级为单位进行调整。

　　③混合的速率调整

　　编码器的发端根据反向信道的信息调整速率的同时收端增加或减少信道，其目的是在组播时传送分级或不分级的图象。与基于发端的方法不一样的是，混合方法采用了多信道而且每一个信道的速率不是固定的而是可以根据网络的拥塞状况调整。

　　④速率整形

　　速率整形的目的是将压缩后的码流适应网络的带宽限制。工作在编码器和网络接口之间，不需要与编码器交互，所以适应任何类型的编码器。实现时通常有两种方法：一是面向传输策略，二是面向压缩策略。

　　面向传输的整形是发送码流在发送端选择性丢帧，主要是对网络带宽和收端的QOS进行智能判断。这样做有两个好处：一是全局的QOS得到改善、节约带宽资源；二是可以保留重要信息包。面向传输是根据人眼对高频的信息不很敏感的特性，可以丢弃DCT的高频系数。

　　（2）误码控制

　　对于实时的视频业务而言，视频质量可以降级，但是时延必须保证，对于视频通信的这种特征引入了很多新机制。这些机制可以分为四类：FEC，重传，纠错，掩错。其中掩错只在收端完成。其它都需要收端和发端共同完成。

　　①FEC

　　FEC（前向纠错）和TCP的重传相比引入的时延很少。FEC的原理就是在压缩图象流中增加冗余比待，当包丢失时利用冗余的比特恢复数据。根据实现的方法可以分为三类：信道FEC、信源FEC、信源和信道的联合编码。

　　a.信道FEC

　　能FEC就是将数据分成k个比特的组，再按编码规则增加冗余比特，构成n个比特的数据组。数据进行传送，只要收端收到了K（K＞k）个比特的数据时，就能将数据中的误比特全部准确恢复。终端收到了其中任何K个比特都能准确恢复。这羊对于异形网络中的组播特别有效。如果网络出现拥塞时，就可以随意丢掉几个包，只要收到的包超过k，就可以正确解码。因为每一个收端的误码不一致，收端根据各自的误码情况进行独立解码。但是FEC也有弊端：增加了传输数据的码率。每一个包增加了n-k比特；要等待收完k个比特才能进际扁码、要等解完k个比特才能播放；如果出现了误码还要进行纠错处理：这些都会造成时延；另外缺乏自适应性，因为网络状态不是固定的，如果误码超过了n-k就不能正确纠错，而误码低于n-k时信道编码的利用率就比较低。

　　b.信源FEC

　　基于信源的编码方法和基于信道的编码方法相似，都是通过增加冗余信息来实现的。信道编码是对输出图象的码流进行编码，信源编码多以图象压缩的形式。因此当出现丢包时，信道编码能够精确恢复，而信源编码只能恢复一个降级的图象。信源FEC的优势在于低延时：在解压缩的同时进行信道解码。和信道解码相似，也存在传输效率降低、增加延时、缺乏对网络的自适应性的缺点。

　　c.基于信源／信道的控制

　　在有些情况下，信源编码和信道编码可以同时考虑。对于信源编码，所用比特数多、压缩比小时，码流容错能力强、图象的质量也更好；对于信道编码，增加的冗余比特数多时，传输容错能力会增强，图象的质量也会更好。由于信道的传输能力即传输比特数是一定的，所以需要将比特在信源和信道之间合理分配。可以分为三个过程实现：

　　·信道在一个固定的误码特性情况下，确定一个信源和信道之间的最佳比特分配。

　　·根据信源的比特数，确定一个编码方案和量化参数。

　　·根据信道的比特数，确定一种编码方法来适应信道的误码特性，达到传输码流所需的鲁棒性。

　　实现时，通常在收端进行QOS监测，将网络的状态经过反向信道回传给编码器端；编码器根据信道的带宽和误码特性确定信源和信道的比特分配。信源编码选择一个合适的速率控制方法，使其输出码率符合目标码率。信道编码也是选择一个合适的编码方法能够满足分配的比特，适合信道的误码特性。

　　②时延受限的重传

　　包在传送时出现误码或丢失，重传是一种最简单有效的途径。如果判断重传后的包能够低于时延的阈值，就可重传。判断可以在收端或发端进行。

　　③编码的误码控制

　　图象压缩差错控制的目的是防止错误的传递、减小错误对图象的影响范围。通常采用的技术有插入同步的比特位、数据分块、数据恢复（如RVLC等）。这几种技术主要用于高误码率的网络环境，如无线通信的环境中。但是在IP分组网的视频中，传输图象的降级主要来自包丢失，而且分块的传输已经有了重定位的同步。因此比较有效的方法有两种，都是在编码的压缩效率和传输的鲁棒性之间进行平衡：增加帧内编码的宏块数，能够阻止错误的传递，但是会增加压缩图象的比特数；对图象进行分级编码，分成不同质量的几种码流同时进行传输，同样可以增加传输码流的抗误码性能，但同时也会增加传输码流的比特数。

　　④误码掩盖

　　因为人眼能够承受一定量的数据变形，所以当传输包发生丢失时，可以采用错误掩盖技术来消除丢包引起的图象降级，得到更好的图象质量。总体上可以分为两类：时间掩盖技术和空间掩盖技术。后者采用空间上的相邻的宏块来取代出错的宏块。时间掩盖技术是利用前一帧相同位置或运动矢量指向的位置来取代。掩盖算法基本可以采用以下三种策略实现。

　　·将出错的帧进行整帧替代。

　　·只用相同位置的块来取代。

　　·只用运动矢量指向的宏块来取代。

　　三、无线通信网中的多媒体传播

　　1．无线网络中影响多媒体质量的因素

　　无线信道独有的特性使图象质量下降：

　　·带宽波动：因为多径衰落、同频干扰、噪声等影响会引起网络的输入／输出能力下降；基站与手机的距离改变时信道的容量会变化；当终端进入不同的网络（如从无线局域网进入无线广域网时，速率可能从几M变到几K比特每秒）；小区切换时，另外一个小区可能不能提供频带资源。

　　·高误码率：和有线通信相比，因为多径和未覆盖的区域的影响，信道的误码率较高，在第三代无线通信网中应是10-3～10-5，这对图象的质量影响很大，因此需要一种鲁棒性的传输方法。

　　·接收的异种性：在组播时，各个收端要求的时延、视频流的质量、处理能力、带宽限制等都不一样，这就给组播设计带来困难。

　　2．移动通信网络的多媒体传送协议

　　第三代移动通信多媒体应用协议正在研究制订之中，现在基本有三种方案：H324适应无线协议的扩展；H324的复接部分为无线应用作的改进；采用H323的IP／UDP／RTP的传输协议。如果采用IP／UDP／RTP协议，所采用的物理和链路层协议必须保证误码率很低、基本没有比特错，只有包丢失。

　　3．基于终端的QOS解决方案

　　解决无线QOS的方案中，必须要满足三个原则：

　　·平滑的质量降级：当网络状态改变时，服务的图象质量的变化是平稳的。

　　·有效性：充分使用带宽资源，当网络带宽资源下降时就降低输出图象码率；如果带宽资源增加则加大输出图象的码流。

　　·公平性：每一种应用在网络中公平享用带宽资源。

　　图象的分级编码是一个有效的途径。将图象编码压缩成几种不同质量的码流，每一种码流有其对应的QOS。这几个码流有其叠加性：每一级码流可以和其对应的低一级的码流组成更高一级的图象；有很强的灵活性：根据网络的带宽状态随时将分级图象组合成适应网络带宽的码流；有很强的鲁棒性：如果出现丢包或误码时，只能影响其中一层图象而不会影响整帧图象，使得图象质量还可以被接受。分级图象特别适用于组播业务中：因为网络的不对称性，每一个收端的网络状态不一致，因此可以对每个收端发一个码流；而在发端是相同的码流。视频的分级可以有三种分级编码方式：空间分级、时间分级、SNR分级。空间分级是将图象分成几种分辨率的差分图象分别进行编码，形成几种码流；时间分级比较简单，直接在码流中略过图象帧就能完成；SNR分级是将图象按宏块DCT采用几种不同的量化参数对差分结果进行量化编码，得到几种码流进行传输。

　　四、结论

　　IP网络和无线网络中，目前基于终端的QOS解决策略是一个切实可行的方法：在终端增加一定的速率控制和误码控制的机制，在网络保持不变时能够做到一定的QOS保证、提高图象的质量。但随着网络的发展、网络带宽的增加和控制机制的完善，基于网络的QOS策略将成为主要的方式。