摘 要： 通過對基于TD-SCDMA無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究，提出了一種無線傳輸環(huán)境下的視頻碼率動態(tài)調(diào)整策略。針對TD-SCDMA信道低帶寬、高時延、高誤碼率的特征，該策略可以根據(jù)實(shí)時網(wǎng)絡(luò)環(huán)境動態(tài)調(diào)整碼率，以便視頻數(shù)據(jù)能夠適應(yīng)其傳輸。經(jīng)過TD-SCDMA無線視頻系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，證明本策略能夠有效解決由于TD-SCDMA信道特征給視頻傳輸帶來的不利影響。
關(guān)鍵詞： TD-SCDMA；幀率；RTP/RTCP
0 引言
隨著3G無線通信系統(tǒng)的廣泛商用和普及，移動視頻業(yè)務(wù)不斷表現(xiàn)出越來越明顯的優(yōu)勢。手機(jī)電視、手機(jī)電影甚至是手機(jī)監(jiān)控都不再是夢想，讓用戶能夠“隨時、隨地”獲取想要的視頻信息，極大地滿足了用戶的視頻業(yè)務(wù)需求。
移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展，推動著視頻監(jiān)控系統(tǒng)向無線領(lǐng)域發(fā)展延伸，改變了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控有人值守、組網(wǎng)復(fù)雜和成本高昂等不足。新一代視頻監(jiān)控系統(tǒng)還能通過短信、郵件提醒以及平板電腦等移動終端實(shí)施圖像查詢和實(shí)時告警，極大地提升了視頻監(jiān)控的靈活性、實(shí)時性和準(zhǔn)確性。
傳統(tǒng)的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)依賴于無線局域網(wǎng)和基于移動通信網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。它們雖然基本滿足了視頻監(jiān)控的需求，但是存在著通信距離短、視頻傳輸質(zhì)量低等劣勢?；赥D-SCDMA的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是移動性很好、適合遠(yuǎn)程傳輸、國產(chǎn)化程度高和功耗相對較低等，帶寬相對于2G通信系統(tǒng)有了較大提升。然而在研究過程中發(fā)現(xiàn)對于高清視頻的帶寬需求仍顯不足，網(wǎng)絡(luò)易受干擾等，這些影響將不利于高清視頻數(shù)據(jù)的傳輸處理。
本文基于TD-SCDMA無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)過程中的實(shí)際情況，提出一種解決3G通信系統(tǒng)實(shí)際帶寬與高清視頻需求帶寬之間矛盾的新策略。
1 基于TD-SCDMA的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)
1.1 系統(tǒng)架構(gòu)
基于TD-SCDMA的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)是國產(chǎn)3G技術(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)統(tǒng)一融合的綜合系統(tǒng)。主要由攝像機(jī)、視頻服務(wù)器或錄像機(jī)、監(jiān)控中心和監(jiān)控終端組成。圖1是基于TD-SCDMA的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)圖。
本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流分為信令流和視頻數(shù)據(jù)流。監(jiān)控中心將錄像、實(shí)時瀏覽和報警模塊發(fā)出的控制命令交給SIP協(xié)議模塊所對應(yīng)的錄像、實(shí)時瀏覽和報警模塊進(jìn)行編碼，然后對數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，通過TD-SCDMA單元發(fā)送到公共網(wǎng)絡(luò)并由其路由發(fā)送到視頻服務(wù)器端，該設(shè)備通過TD-SCDMA模塊接收并解析數(shù)據(jù)內(nèi)容，取出控制命令并進(jìn)行信令處理。
數(shù)據(jù)流由視頻采集前端完成采集，源數(shù)據(jù)通過視頻服務(wù)器的編碼單元進(jìn)行H.264編碼操作[1]，實(shí)現(xiàn)模擬視頻的數(shù)據(jù)化，并得到適合通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)提取層（Network Abstraction Layer，NAL）。經(jīng)過RTP協(xié)議和IP協(xié)議對NAL單元的處理后就完成了原始碼流單元到IP數(shù)據(jù)的適配，并通過TD-SCDMA單元進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。反之則完成IP數(shù)據(jù)到原始視頻數(shù)據(jù)的解適配過程。
1.2 RTP/RTCP協(xié)議
在本系統(tǒng)中采用了RTP協(xié)議對視頻數(shù)據(jù)NAL單元進(jìn)行處理，RTCP用于視頻數(shù)據(jù)傳輸過程中的擁塞控制。實(shí)時傳輸協(xié)議RTP(Realtime Transport Protocol)[2]：針對Internet上多媒體數(shù)據(jù)流的一個傳輸協(xié)議， 由IETF(Internet工程任務(wù)組)作為RFC1889發(fā)布；實(shí)時傳輸控制協(xié)議RTCP(Realtime Transport Control Protocol)[2]：負(fù)責(zé)管理傳輸質(zhì)量，在當(dāng)前應(yīng)用進(jìn)程之間交換控制信息。
2 視頻碼率動態(tài)調(diào)整策略
基于TD-SCDMA的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理過程中采用了H.264這種高壓縮比的編碼方式，在保證高清晰度圖像的前提下極大降低了視頻數(shù)據(jù)量，為后面的數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。由于監(jiān)控終端在移動通信中會出現(xiàn)扇區(qū)切換和網(wǎng)絡(luò)帶寬動態(tài)變化等情況，所以通常對于無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)來說，攝像機(jī)發(fā)送視頻數(shù)據(jù)的速率應(yīng)該與網(wǎng)絡(luò)實(shí)時帶寬保持協(xié)調(diào)一致，才能保證傳輸過程中數(shù)據(jù)的完整性。
2.1 算法策略分析
本文提出的基于一種新型的動態(tài)視頻實(shí)時網(wǎng)絡(luò)傳輸[3]控制方法，可應(yīng)用于帶寬動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)中，以實(shí)現(xiàn)視頻在無線條件下的傳輸?？刂品椒▽?shí)現(xiàn)的核心思想是通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)時延和帶寬實(shí)現(xiàn)自動感知，自動調(diào)整攝像機(jī)的發(fā)送速率，以適應(yīng)視頻圖像[4]對于視頻傳輸帶寬的要求。其實(shí)現(xiàn)過程主要分成網(wǎng)絡(luò)感知和動態(tài)調(diào)整兩大方面。
?、啪W(wǎng)絡(luò)感知：攝像機(jī)按每5 s一次的頻率發(fā)送發(fā)送者報告，視頻服務(wù)器接收后給出應(yīng)答消息，攝像機(jī)的嵌入式處理器根據(jù)該應(yīng)答消息進(jìn)行實(shí)時帶寬計算，得出需要調(diào)整帶寬的標(biāo)準(zhǔn)。
⑵動態(tài)調(diào)整：攝像機(jī)根據(jù)計算出的實(shí)時網(wǎng)絡(luò)帶寬，調(diào)整自身的發(fā)送速率以適應(yīng)實(shí)時網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求進(jìn)行變速率發(fā)送。
通過這兩個處理策略就可以使視頻系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整相應(yīng)發(fā)送狀態(tài)[5]，使視頻傳輸效果與實(shí)時網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相匹配。
2.2 詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方法
通過以上討論，速率調(diào)整可以基于周期探測網(wǎng)絡(luò)實(shí)時帶寬的方式，攝像機(jī)根據(jù)反饋消息計算出當(dāng)前的實(shí)際帶寬容量，與現(xiàn)在的發(fā)送速率進(jìn)行對比，判斷需要增加還是減小發(fā)送速率，一般用加性增加和乘性減少或乘性增加和乘性減少的方式探測性地調(diào)整發(fā)送速率，并根據(jù)接收端的反饋判斷當(dāng)前探測是否成功。速率調(diào)整也可以基于模型，發(fā)送方根據(jù)TCP連接的吞吐率模型和網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)獲得模型參數(shù)，并調(diào)整發(fā)送速率，帶寬測試模型公式如下：
其中，λ是網(wǎng)絡(luò)帶寬；μmt是一次網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)；τn是數(shù)據(jù)交互的時間；p是網(wǎng)絡(luò)平均丟包率。
發(fā)送速率將根據(jù)以下兩個條件進(jìn)行調(diào)整：
⑴ 網(wǎng)絡(luò)探測獲取的實(shí)時帶寬；
?、?發(fā)送視頻緩沖區(qū)將滿的最小發(fā)送頻率。
網(wǎng)絡(luò)帶寬探測調(diào)整，應(yīng)該以滑動窗口的方式進(jìn)行發(fā)送閾值的選擇。滑動窗口動態(tài)移動，不斷調(diào)整發(fā)送閾值，避免引起發(fā)送端的震蕩狀態(tài)。
客戶端根據(jù)丟包率和視頻延時判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況?？蛻舳烁鶕?jù)視頻數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)包序列號字段計算丟包率，根據(jù)時間戳字段計算視頻延時，結(jié)合兩者判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況，并給監(jiān)控終端發(fā)送反饋信息報。
攝像機(jī)端通過網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器給用戶發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，它通過反饋信息包的信息，結(jié)合上述公式計算出λ，這個值體現(xiàn)了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況。由于μmt需結(jié)合TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)視頻的測試進(jìn)行取值（200 B），算出每秒發(fā)送數(shù)據(jù)包的最大數(shù)量應(yīng)該小于等于λ。這種方式需要設(shè)計一個緩沖區(qū)系統(tǒng)進(jìn)行視頻報文的緩沖，把視頻報文的發(fā)送速率控制在一定范圍內(nèi)，使攝像機(jī)的發(fā)送速率與視頻服務(wù)器端的接收速率保持一致。這樣就能在網(wǎng)絡(luò)帶寬因環(huán)境影響改變時保證視頻傳輸?shù)膶?shí)時性和正確性。
動態(tài)視頻實(shí)時網(wǎng)絡(luò)傳輸控制方法的核心是協(xié)調(diào)視頻質(zhì)量與變化網(wǎng)絡(luò)帶寬之間的矛盾。其主要目標(biāo)是把攝像機(jī)的數(shù)據(jù)輸出量控制在一定的水平上，同時確保發(fā)送端緩存區(qū)不丟失數(shù)據(jù)。視頻在TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)環(huán)境上的傳輸與該網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，而視頻服務(wù)器獲得的監(jiān)控畫面質(zhì)量與攝像機(jī)的發(fā)送速率及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有關(guān)。根據(jù)視頻服務(wù)器緩存的大小以及接收端返回的RTCP反饋數(shù)據(jù)，可以得知接收端的當(dāng)前狀態(tài)；再結(jié)合當(dāng)前瞬時攝像機(jī)緩存的數(shù)據(jù)占有量與設(shè)定的閾值之間的關(guān)系，攝像機(jī)數(shù)據(jù)通過視頻質(zhì)量控制進(jìn)行處理后得到參考視頻質(zhì)量。并根據(jù)此參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送速率的調(diào)整，從而使得視頻報文的發(fā)送速率與不斷變化的無線網(wǎng)絡(luò)帶寬相匹配。
此方法是一個反饋控制系統(tǒng)，采用線性化模型進(jìn)行分析。用snd(t)表示發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)占有量；rec(t)表示接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)占有量；qu(t)表示參考視頻質(zhì)量；h表示給定的閾值。為了防止發(fā)送緩沖區(qū)溢出，采用閾值控制的策略，每當(dāng)發(fā)送方緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)占有量snd(t)小于一給定閾值h時，數(shù)據(jù)幀調(diào)度器就從存儲設(shè)備取下一幀數(shù)據(jù)放到發(fā)送方緩沖區(qū)中。不斷重復(fù)該過程直到發(fā)送方緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)占有量超過h值：
其中，p、s是常數(shù)。若參數(shù)p和s滿足p<1，s<1，則系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，此系統(tǒng)可以近似認(rèn)為穩(wěn)定，從而接收緩存區(qū)的數(shù)據(jù)保有量將趨于穩(wěn)定。
3 仿真及結(jié)果分析
基于緩存區(qū)[6]的報文發(fā)送控制方法中主要有3個功能模塊。攝像機(jī)端實(shí)現(xiàn)發(fā)送緩沖控制模組、視頻質(zhì)量和發(fā)送速率控制模組；視頻服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)接收緩沖區(qū)監(jiān)視模組。發(fā)送緩沖監(jiān)視模組時刻監(jiān)測發(fā)送緩沖區(qū)的空滿程度，并把參數(shù)snd(t)發(fā)送給視頻質(zhì)量控制模組和發(fā)送速率控制模組。視頻質(zhì)量和發(fā)送速率控制模塊通過上述公式計算出參考視頻質(zhì)量Ref(t)，從而自動調(diào)整發(fā)送速率。調(diào)整前后的仿真參數(shù)如表1、表2所示。
通過測試儀可以看到，在通過未進(jìn)行自動調(diào)整發(fā)送速率的系統(tǒng)進(jìn)行傳輸時，網(wǎng)絡(luò)丟棄報文數(shù)量較大以至于無法在視頻服務(wù)器端進(jìn)行NAL單元重組，無法在顯示設(shè)備進(jìn)行顯示；通過調(diào)整，測算出當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬為107 KB/s時，動態(tài)調(diào)整幀率為8 f/s，可以通過舍棄冗余字節(jié)和非關(guān)鍵幀，控制發(fā)送速率在96 KB/s范圍內(nèi)，保證報文丟失數(shù)量在10個左右，顯示設(shè)備可以顯示視頻圖像。
圖2描述了隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化，實(shí)際發(fā)送報文速率也會相應(yīng)變化?？梢钥闯龆咦兓俾实南嚓P(guān)性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬由115 KB/s變化為107 KB/s時，攝像機(jī)和視頻服務(wù)器之間通過發(fā)送者報文和接收者報文進(jìn)行通信，攝像機(jī)處理模塊根據(jù)通信交互協(xié)議計算出當(dāng)時網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際帶寬和時延，并設(shè)定發(fā)送緩沖區(qū)深度，降低視頻幀的存儲數(shù)量，從而達(dá)到降低發(fā)送速率的目的。從測試結(jié)果來看，本策略能夠動態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，調(diào)整發(fā)送頻率，保證高清視頻數(shù)據(jù)在TD-SCDMA無線信道上的傳輸。
4 結(jié)論
上述研究中，攝像機(jī)和視頻服務(wù)器之間通過軟件協(xié)議來獲知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時狀況，并且通過發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)來動態(tài)調(diào)整發(fā)送速率。仿真結(jié)果表明這種方式可以增強(qiáng)高清視頻報文在TD-SCDMA無線信道上的傳輸能力，減輕了發(fā)送方和網(wǎng)絡(luò)承載的負(fù)擔(dān)，保證了視頻圖像的質(zhì)量，能夠適用于遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建。
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