電力系統(tǒng)監(jiān)控視頻傳輸速率自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)

梅魯海

（浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程學(xué)院，杭州310053）

電力系統(tǒng)視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬、數(shù)據(jù)包丟失率和延遲等指標(biāo)都有嚴(yán)格的要求，但由于目前電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)上的視頻處理主機(jī)的性能不同，以及網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的頻繁變化，往往不能滿足實(shí)時(shí)視頻信號(hào)傳輸對(duì)高帶寬和低延時(shí)要求，以致出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況，并造成監(jiān)控視頻質(zhì)量的降低。此外，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)視頻監(jiān)控解決方案中，視頻源的層次劃分和各視頻層次的速率是固定的，不具備對(duì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性，這也會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率和總體的視頻接收質(zhì)量。

目前有兩種提高電力系統(tǒng)監(jiān)控視頻服務(wù)質(zhì)量的方法，一種是改造電力系統(tǒng)現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)上的交換機(jī)和路由器等設(shè)備能對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用提供資源預(yù)約及服務(wù)質(zhì)量的保證；另一種就是在維持現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的狀況下，通過(guò)端到端的擁塞控制和差錯(cuò)控制技術(shù)來(lái)最大程度地改善視頻的傳輸。常用的端到端的擁塞和差錯(cuò)控制方法有兩種，一種是像TCP（transmission control protocol，傳輸控制協(xié)議）一樣基于窗口的控制方式，它以數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)為單位，獲取可用網(wǎng)絡(luò)帶寬的匹配主要是采用緩慢增加擁塞窗口的方式，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，會(huì)迅速減少擁塞窗口的大小，避免發(fā)生網(wǎng)絡(luò)沖突。另一種是基于速率的控制方式，它是以每秒發(fā)送的比特?cái)?shù)為單位，并根據(jù)估算網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)有效帶寬等參數(shù)適時(shí)地調(diào)整視頻流的傳送速率，達(dá)到使該視頻傳輸需要占用的帶寬能夠與網(wǎng)絡(luò)上可用的帶寬資源相匹配，從而避免網(wǎng)絡(luò)擁塞［1］。與基于窗口的控制方式相比，基于速率的控制方式可以有效地解決重傳時(shí)的抖動(dòng)和延遲長(zhǎng)等問(wèn)題，正在電力系統(tǒng)視頻監(jiān)控中得到更廣泛的應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)提出一種電力系統(tǒng)監(jiān)控實(shí)時(shí)視頻傳輸速率的自適應(yīng)控制方案，系統(tǒng)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間、傳輸延遲和數(shù)據(jù)包丟失率等參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行估算和判斷，然后動(dòng)態(tài)地調(diào)整視頻輸出端的發(fā)送速率，實(shí)現(xiàn)魯棒控制。本設(shè)計(jì)有較高的理論意義和實(shí)用價(jià)值，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)可以減少視頻傳輸數(shù)據(jù)包的丟失率和抖動(dòng)，提高電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的利用率，改善電力監(jiān)控的視頻服務(wù)質(zhì)量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的電力系統(tǒng)視頻監(jiān)控的總體組成如圖1所示。系統(tǒng)主要包括變電站視頻監(jiān)控前端機(jī)、視頻服務(wù)器和監(jiān)控用戶端三部分，每個(gè)視頻服務(wù)器和一個(gè)變電站視頻監(jiān)控前端機(jī)相對(duì)應(yīng)。系統(tǒng)工作時(shí)，變電站各個(gè)監(jiān)控?cái)z像機(jī)送出的視頻流通過(guò)變電站視頻監(jiān)控前端機(jī)傳給對(duì)應(yīng)的視頻服務(wù)器，視頻流在視頻服務(wù)器中重新編碼。為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的動(dòng)態(tài)變化，視頻服務(wù)器會(huì)根據(jù)系統(tǒng)反饋控制的帶寬估測(cè)結(jié)果，不斷動(dòng)態(tài)地調(diào)整發(fā)向監(jiān)控用戶端的視頻流傳輸速率。視頻服務(wù)器的主要功能是轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控用戶端請(qǐng)求的視頻流，監(jiān)控用戶端可以通過(guò)視頻服務(wù)器向變電站視頻監(jiān)控前端機(jī)發(fā)送控制指令，如控制攝像機(jī)鏡頭和云臺(tái)等。

圖1 電力視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體組成Fig.1 Overall composition of electric power video monitoring system

本系統(tǒng)的視頻實(shí)時(shí)傳輸速率自適應(yīng)控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。在變電站視頻發(fā)送端，帶寬估測(cè)模塊根據(jù)反饋信息按照一定的算法估測(cè)網(wǎng)絡(luò)的有效和可用帶寬，根據(jù)估測(cè)帶寬結(jié)果，速率調(diào)整模塊負(fù)責(zé)對(duì)編碼后的視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行速率和位率的調(diào)整和改進(jìn)，從而控制輸出的比特流，這樣可以為避免發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞［2］，做到實(shí)際輸出的視頻速率與網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際可用帶寬資源相匹配。速率控制模塊主要負(fù)責(zé)為視頻編碼器提供編碼速率的控制參數(shù)，控制參數(shù)是根據(jù) RTP（real－time transport protocol，實(shí)時(shí)傳送協(xié)議）層從接收端反饋的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息來(lái)確定。這樣，輸入視頻服務(wù)器的視頻數(shù)據(jù)流在編碼器進(jìn)行發(fā)送速率的自適應(yīng)編碼，然后，按照傳輸協(xié)議定義的打包算法，編碼后的視頻流在RTP層被封裝成RTP的數(shù)據(jù)包，再交給UDP／IP層，以單播或組播方式進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

圖2 實(shí)時(shí)視頻傳輸速率自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Real－time video transmission rate adaptive control chart

在監(jiān)控用戶視頻接收端，有些視頻數(shù)據(jù)包可能由于網(wǎng)絡(luò)擁塞或傳輸延時(shí)等原因產(chǎn)生丟失，所以QoS（quality of service，服務(wù)質(zhì)量）監(jiān)測(cè)模塊會(huì)在視頻數(shù)據(jù)流通過(guò)UDP／IP層后，在RTP層對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析和處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)包的報(bào)頭進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擁塞和服務(wù)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，并統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得出包丟失率和傳輸時(shí)間等反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的參數(shù)，再通過(guò)反饋控制模塊將這些信息以 RTCP（real－time transport control protocol，實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議）包的形式反饋給發(fā)送端。監(jiān)控用戶視頻接收端收到的視頻數(shù)據(jù)流還要進(jìn)行數(shù)據(jù)差錯(cuò)和糾錯(cuò)的處理，然后再通過(guò)解碼器進(jìn)行視頻解壓和解碼，在顯示器還原出原變電站的監(jiān)控圖像。

2 實(shí)時(shí)視頻傳輸速率自適應(yīng)控制研究

2.1 網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的帶寬估測(cè)模塊是本系統(tǒng)速率控制的基礎(chǔ)。系統(tǒng)只有先通過(guò)帶寬估測(cè)算法來(lái)預(yù)測(cè)出下一時(shí)刻的有效帶寬，然后才能夠應(yīng)用速率控制機(jī)制隨著有效帶寬的變化動(dòng)態(tài)地調(diào)整目標(biāo)傳輸速率，從而避免網(wǎng)絡(luò)阻塞的發(fā)生。

這里，判斷網(wǎng)絡(luò)是否擁塞需要關(guān)注兩個(gè)重要的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)：數(shù)據(jù)包丟失率和傳輸時(shí)間。而當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，傳輸網(wǎng)絡(luò)負(fù)載會(huì)較重，則數(shù)據(jù)包丟失率和傳輸時(shí)間均會(huì)增大；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞較輕時(shí)，數(shù)據(jù)包丟失率和傳輸時(shí)間相應(yīng)也較小［3］。網(wǎng)絡(luò)有效帶寬的確定可由帶寬估測(cè)模塊通過(guò)數(shù)據(jù)包丟失率和傳輸時(shí)間等指標(biāo)按一定的算法計(jì)算得到。

例如，可以使用較為成熟的伯努利模型來(lái)估算上述指標(biāo)，假定數(shù)據(jù)包的分發(fā)是獨(dú)立和均勻的，伯努利模型定義的數(shù)據(jù)包丟失率p為

式中，n是抽樣測(cè)試中的全部數(shù)據(jù)包數(shù)量，nL是抽樣測(cè)試中丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量。

因?yàn)槿魏我粋€(gè)視頻數(shù)據(jù)包從視頻發(fā)送端發(fā)出時(shí)，會(huì)被編上相應(yīng)的RTP隊(duì)列號(hào)，所以任何視頻數(shù)據(jù)包的丟失或數(shù)據(jù)包次序的微小改變都會(huì)被及時(shí)捕捉和發(fā)現(xiàn)，因而丟失的數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)主要是依據(jù)視頻接收端檢查數(shù)據(jù)包RTP隊(duì)列實(shí)時(shí)位置的編號(hào)來(lái)完成。假設(shè)部分?jǐn)?shù)據(jù)包已丟失，為避免系統(tǒng)花費(fèi)過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間等待，可設(shè)置接收端監(jiān)測(cè)的門限值為3，則如果第i個(gè)數(shù)據(jù)包沒(méi)有及時(shí)到達(dá)接收端，而當(dāng)已接收到后面順序的第i＋1、i＋2和i＋3個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，系統(tǒng)就可判斷第i個(gè)數(shù)據(jù)包已丟失［4］。每一個(gè)抽樣周期內(nèi)統(tǒng)計(jì)的包丟失率需要進(jìn)行平滑處理和計(jì)算，這可用一個(gè)低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。各周期數(shù)據(jù)包丟失率的系數(shù)關(guān)系有

式中：μj為第j周期內(nèi)統(tǒng)計(jì)的已平滑的數(shù)據(jù)包丟失率；μj－1為第j－1周期內(nèi)統(tǒng)計(jì)的已平滑的數(shù)據(jù)包丟失率；rj為第j周期內(nèi)的數(shù)據(jù)包丟失率；α為一個(gè)可調(diào)節(jié)參量，主要用于調(diào)整μj－1對(duì)μj的影響程度，一般實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果為α＝0.33。

系統(tǒng)接收端的QoS監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)QoS的統(tǒng)計(jì)，主要由RTP／RTCP協(xié)議中的RTCP來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果使用RTCP包來(lái)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)間，需要在發(fā)送和接收端之間傳送發(fā)送方的報(bào)告報(bào)文SR（sender report，發(fā)送者報(bào)告），而接收端在設(shè)定的計(jì)時(shí)器單位時(shí)間內(nèi)或超時(shí)后，則會(huì)周期性地向發(fā)送端傳送一個(gè)包括反饋信息的接受者報(bào)告報(bào)文RR（receiver report，接受者報(bào)告），反饋信息中主要包括包丟失率p和傳輸時(shí)間RTT（round－trip time，往返時(shí)間），具體算法如下所述。

如果系統(tǒng)接收端收到了發(fā)送端的控制包SR，經(jīng)過(guò)一段時(shí)延DLSR（delay since last SR，自上次SR延時(shí)）后，則向發(fā)送端發(fā)送響應(yīng)控制包SR的控制包RR，同時(shí)在控制包SR中的NTP（network time protocol，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議）時(shí)間戳域中，提取中間的32bit作為控制包SR的LSR（last SR，上一個(gè)SR）。系統(tǒng)接收端如果沒(méi)有收到發(fā)送端發(fā)出的SR控制包，則DLSR和LSR都置為0。無(wú)論收到與否，DLSR和LSR的值會(huì)均被填入控制包SR相應(yīng)的域中［5］。假設(shè)時(shí)間A為發(fā)送端收到控制包RR的時(shí)刻，則當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間RTT為

當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲Dn為

設(shè)RR報(bào)文中的包丟失率字段為P，則網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包丟失率p為

p可作為判斷網(wǎng)絡(luò)擁塞程度的一個(gè)重要指標(biāo)，也可以間接地表示網(wǎng)絡(luò)的有效帶寬。

2.2 實(shí)時(shí)視頻傳輸速率自適應(yīng)控制算法

MPEG－4是基于對(duì)象的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，在視頻實(shí)時(shí)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用，本系統(tǒng)采用MPEG－4編碼標(biāo)準(zhǔn)。MPEG－4本身具有自適應(yīng)碼率編碼的算法特點(diǎn)，這為本系統(tǒng)實(shí)時(shí)視頻傳輸速率的自適應(yīng)控制提供了一定條件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，速率控制模塊需要為視頻編碼器提供一定的控制參數(shù)，從而保證編碼器輸出質(zhì)量較好的視頻數(shù)據(jù)流［6］。

MPEG－4進(jìn)行分級(jí)編碼時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)基本層的視頻碼流和一個(gè)增強(qiáng)層的嵌入式視頻碼流?；緦哟a流包括P－VOP和I－VOP兩種類型的視頻幀，是質(zhì)量級(jí)別較低的視頻信號(hào)，但重要性高。因?yàn)榛緦拥拇a率相對(duì)較低，可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬波動(dòng)范圍的下限，因此可以對(duì)基本層的視頻碼流提供完全的保護(hù)。增強(qiáng)層視頻碼流主要由B－VOP類型的視頻幀組成，采用漸進(jìn)式編碼方式，可以隨時(shí)中斷視頻碼流，并形成視頻流的不同級(jí)別，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的較大波動(dòng)。增強(qiáng)層含有基本層的量化差值部分，主要用來(lái)提高基本層的視頻質(zhì)量［7］。由于基本層和增強(qiáng)層使用了分級(jí)編碼的不同級(jí)別數(shù)據(jù)包的保護(hù)措施，所以兩種視頻碼流對(duì)視頻質(zhì)量會(huì)呈現(xiàn)出不同的影響程度。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)帶寬較大程度的變動(dòng)，本系統(tǒng)實(shí)時(shí)視頻傳輸速率自適應(yīng)控制的原理如圖3所示。設(shè)圖中A0、A1和A2為編碼器三種速率大小的視頻流發(fā)送的狀態(tài)，也對(duì)應(yīng)于編碼器三種由低向高的編碼級(jí)別。假設(shè)初始狀態(tài)為A0狀態(tài)，這時(shí)編碼器是以最低級(jí)別質(zhì)量水平在發(fā)送視頻流。當(dāng)接收端反饋的網(wǎng)絡(luò)的有效帶寬較低時(shí)，則不管編碼器現(xiàn)處于哪種狀態(tài)，立即會(huì)轉(zhuǎn)到FR狀態(tài)。FR狀態(tài)下，系統(tǒng)根據(jù)控制參數(shù)和參考速率調(diào)整出適合網(wǎng)絡(luò)帶寬的最佳編碼速率。在一個(gè)RTT周期內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)在下次帶寬反饋之前，在狀態(tài)A0和PR0之間循環(huán)轉(zhuǎn)換，當(dāng)一個(gè)RTT周期結(jié)束，系統(tǒng)就保持在狀態(tài)PR0。當(dāng)接收端反饋的網(wǎng)絡(luò)有效帶寬較大時(shí)，編碼器會(huì)向A1狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并繼續(xù)跟蹤網(wǎng)絡(luò)帶寬變化，如果帶寬出現(xiàn)不足，則返回到狀態(tài)A0，如果帶寬更充足，則編碼器會(huì)向A2狀態(tài)轉(zhuǎn)換。這種速率控制的算法采用了加性增加、立即減少的方法，當(dāng)擁塞時(shí)，無(wú)論是否在一個(gè)RTT的循環(huán)周期內(nèi)，可以隨即降低編碼級(jí)別，從而迅速避免網(wǎng)絡(luò)沖突，保證視頻質(zhì)量［8］。

圖3 編碼速率級(jí)別和狀態(tài)的自適應(yīng)控制與轉(zhuǎn)換Fig.3 Adaptive control and conversion of coding rate level and state

編碼器三種級(jí)別的轉(zhuǎn)換適應(yīng)了較大網(wǎng)絡(luò)帶寬的波動(dòng)，在每一個(gè)級(jí)別范圍內(nèi)，帶寬的較小波動(dòng)也會(huì)對(duì)視頻質(zhì)量產(chǎn)生影響，本系統(tǒng)實(shí)時(shí)視頻傳輸速率的自適應(yīng)控制還運(yùn)用迭代算法在發(fā)送端根據(jù)接收端反饋回的參數(shù)調(diào)整編碼速率，這樣可以充分利用帶寬資源，保持視頻的最佳質(zhì)量，具體算法如下：

（1）根據(jù)RTP／RTCP協(xié)議，發(fā)送端向接收端發(fā) 送 一 組 RTCP 的 APP（application specific functions，專用功能）報(bào)文形式的探測(cè)數(shù)據(jù)包，這里 使 用 了 基 于 模 型 的 方 法 LDA（loss－delay adjustment algorithm，丟失延遲調(diào)整算法），APP報(bào)文的量級(jí)較低，對(duì)傳輸帶寬影響很小。接收端填充APP報(bào)文中的字段Add（application－dependent data，應(yīng)用程序相關(guān)數(shù)據(jù)），并把數(shù)據(jù)包丟失率和網(wǎng)絡(luò)帶寬等參數(shù)反饋給發(fā)送端。

（2）發(fā)送端依據(jù)接收端反饋回來(lái)的網(wǎng)絡(luò)帶寬等參數(shù)，確定初始的編碼速率V0，編碼后的視頻流數(shù) 據(jù) 通 過(guò) 同 步 層、DMIF（delivery multimedia integration framework，傳輸多媒體集成框架）層和傳輸層發(fā)送出去。

（3）發(fā)送端根據(jù)接收端反饋回來(lái)的APP報(bào)文繼續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)整速率，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷變化。具體流程：

①發(fā)送端創(chuàng)建SR和APP報(bào)文，并在接收到下一個(gè)反饋來(lái)的APP包之前，一直保持一個(gè)恒定的發(fā)送速率Vn。發(fā)送端將SR中的字段LSR復(fù)制到APP中的Add字段，并填充APP序號(hào)，每間隔1s發(fā)送一次APP報(bào)文，但不發(fā)送所創(chuàng)建的SR報(bào)文。

②接收端創(chuàng)建RR和APP報(bào)文，并解析接收到的APP報(bào)文。復(fù)制包丟失率字段P和RR中的DLSR字段到APP的Add字段，發(fā)送對(duì)應(yīng)的APP報(bào)文，但不發(fā)送RR報(bào)文［9］。

③發(fā)送端收到APP報(bào)文，進(jìn)行解析而獲得網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲Dn和包丟失率p的數(shù)值，運(yùn)用迭代算法計(jì)算和確定視頻編碼速率Vn的值。

設(shè)Vmax＝V0，Vmin＝0。如果Dn增加，則Vn相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)帶寬偏大，Vmax＝Vn；如果Dn減小，則Vn相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)帶寬偏小，Vmin＝Vn。

當(dāng)前視頻編碼速率V（n＋1）為

當(dāng)0.2＞p＞0.1時(shí)，說(shuō)明當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況較輕，采用上述算法調(diào)整Vn，不斷迭代的結(jié)果是Vn的數(shù)值最后落在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，并跟隨帶寬動(dòng)態(tài)變化。

當(dāng)p＜0.1時(shí)，說(shuō)明當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況基本良好，Vn會(huì)保持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。

當(dāng)p＞0.2時(shí)，說(shuō)明當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況較重，這時(shí)Vn會(huì)進(jìn)行快速調(diào)整，即Vn＝Vn×0.8。

（4）發(fā)送和接收端都有一個(gè)RTCP報(bào)文的緩沖區(qū)，RTCP的APP報(bào)文因?yàn)楦鞣N原因會(huì)出現(xiàn)丟失，根據(jù)時(shí)間定時(shí)器的計(jì)數(shù)，當(dāng)超過(guò)5s的時(shí)間間隔而未收到APP報(bào)文時(shí)，發(fā)送和接收方將自動(dòng)進(jìn)行重發(fā)APP包，并作調(diào)整Vn＝Vn×0.8［10］。

（5）因?yàn)镽TCP包不具備握手功能，所以RTP數(shù)據(jù)的傳送不受RTCP數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收的影響，APP包的傳輸對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載影響也不大。

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試的仿真系統(tǒng)采用2個(gè)數(shù)據(jù)源信號(hào)發(fā)生器，分別輸出1路基于RTP的256kB／s的實(shí)時(shí)MPEG－4視頻數(shù)據(jù)流和2路基于TCP的FTP（file transfer protocol，文件傳輸協(xié)議）格式數(shù)據(jù)流，MPEG－4視頻的分辨率為640×480，時(shí)長(zhǎng)15min。實(shí)驗(yàn)使用的通信傳輸鏈路模擬為2臺(tái)路由器之間的網(wǎng)絡(luò)線路，傳輸瓶頸帶寬1.2MB／s，延遲為30 ms，2臺(tái)路由器與收發(fā)端點(diǎn)間接口的傳輸帶寬10 MB／s，延遲為5ms。實(shí)驗(yàn)以接收端統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)包丟失率作為視頻質(zhì)量的參考評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（1）視頻傳輸速率自適應(yīng)控制的開閉實(shí)驗(yàn)。在視頻收發(fā)端點(diǎn)之間傳輸1路速率為256kB／s的實(shí)時(shí)MPEG－4視頻流，實(shí)驗(yàn)取樣的時(shí)間段內(nèi)，分別設(shè)置打開和關(guān)閉系統(tǒng)的反饋控制、帶寬估測(cè)和速率調(diào)整等模塊的功能，在接收端數(shù)據(jù)包丟失率的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算情況如表1所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，數(shù)據(jù)包丟失率在系統(tǒng)打開自適應(yīng)控制功能后明顯小于關(guān)閉后的數(shù)值。

表1 打開和關(guān)閉自適應(yīng)控制的數(shù)據(jù)包丟失率對(duì)比Tab.1 Comparison of data packet loss rate of adaptive control headstock

（2）實(shí)時(shí)MPEG－4數(shù)據(jù)流和FTP數(shù)據(jù)流的并行實(shí)驗(yàn)。在視頻收發(fā)端點(diǎn)之間同時(shí)傳送1路實(shí)時(shí)MPEG－4數(shù)據(jù)流和2路基于TCP的FTP數(shù)據(jù)流。MPEG－4數(shù)據(jù)流在FTP發(fā)送8s之后開始發(fā)送，設(shè)置打開自適應(yīng)控制的功能。在實(shí)驗(yàn)取樣的時(shí)間段內(nèi)，在接收端數(shù)據(jù)包丟失率的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算情況如表2所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采取2路FTP流同時(shí)并行傳送時(shí)，它們占用了較多的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，而本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)視頻流占用的帶寬會(huì)有所減少，最終并沒(méi)有造成接收端數(shù)據(jù)包丟失率的明顯升高。這主要是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)RTP形式的視頻流和具有一定擁塞控制特性的TCP數(shù)據(jù)流共享網(wǎng)絡(luò)帶寬時(shí)，具有自適應(yīng)和魯棒控制的特點(diǎn)，視頻發(fā)送端可以根據(jù)當(dāng)前可用的帶寬情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整視頻的發(fā)送速率，盡力去適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況，自動(dòng)占用相對(duì)少的網(wǎng)絡(luò)資源，最終會(huì)減低包丟失率，縮短傳輸時(shí)延，從而保障了同F(xiàn)TP數(shù)據(jù)流競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的公平性。

另一方面，因?yàn)镕TP數(shù)據(jù)是運(yùn)行在TCP之上的，當(dāng)并行的FTP數(shù)據(jù)流逐漸增加時(shí)，也會(huì)按照擁塞控制機(jī)制來(lái)自我調(diào)整，具體表現(xiàn)在每路FTP數(shù)據(jù)流的速率會(huì)有所下降，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1路FTP流的速率為128KB／s，2路FTP流并行時(shí)，單路分別為114KB／s左右。

表2 MPEG－4流和FTP流并行的數(shù)據(jù)包丟失率對(duì)比Tab.2 Comparison of data packet loss rate of MPEG－4and FTP parallel

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，電力系統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自身的發(fā)展很難為視頻應(yīng)用提供絕對(duì)的服務(wù)質(zhì)量保證，本研究提出的實(shí)時(shí)視頻傳輸速率的自適應(yīng)控制方案從電力系統(tǒng)監(jiān)控的工程實(shí)際出發(fā)，利用QoS監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)帶寬預(yù)測(cè)和速率控制等技術(shù)，很好地解決了傳輸帶寬與視頻流碼率的不匹配等問(wèn)題。仿真實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)可以有效地降低視頻傳輸?shù)臄?shù)據(jù)丟包率和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，充分保證視頻應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)擁塞環(huán)境中的實(shí)時(shí)性。由于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)狀況的復(fù)雜性，電力系統(tǒng)監(jiān)控視頻技術(shù)中的自適應(yīng)控制參數(shù)、協(xié)議兼容性、帶寬預(yù)測(cè)精度和大流量視頻應(yīng)用等，是需要進(jìn)一步研究的課題。

［1］ 彭偉發(fā)（Peng Weifa）.帶寬時(shí)變高速通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒控制 （Robust controller for the communication networks with time－varying bandwidth）［J］.電力系統(tǒng)及其 自 動(dòng) 化 學(xué) 報(bào) （Proceedings of the CSU－EPSA），2006，18（3）：81－85.

［2］ 唐慧明，張?。═ang Huiming，Zhang Jian）.變電站遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Design of video surveillance system for substation）［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化（Automation of Electric Power Systems），2001，25（7）：56－58.

［3］ 方璐，楊天怡，牟萬(wàn)軍（Fang Lu，Yang Tianyi，Mou Wanjun）.數(shù)字圖像遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方式（Topology of digital images remote surveillance system）［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制（Computer Measurement ＆Control），2002，10（7）：446－448.

［4］ Felix F Wu，Knosrow Moslehi，Anjan Bose.Power system control centers：past，present，and future［J］.Proceedings of the IEEE，2005，93 （11）：1890－1908.

［5］ Li Xue，Ammar Mostafa H，Paul Sanjoy.Video multicast over the internet［J］.IEEE Network ，1999，13（2）：46－60.

［6］ Pao I M，Sun M T.Encoding stored video for streaming applications［J］.IEEE Trans on Circuits and Systems for Video Technology，2001，11（2）：199－209.

［7］ Busse Ingo，Deffner Bernd，Schulzrinne Henning.Dynamic QoS control of multimedia applications base on RTP［J］.Computer Communications，1996，19（1）：49－58.

［8］ Kang－Won LEE ，Puri R，Tae－eun Kim，et al.An integrated source coding and congestion control framework for video streaming in the internet［C］∥Nineteenth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies，Tel Aviv，Israel：2000.

［9］ Wang Yao，Zhu Qin－Fan.Error control and concealment for video communication ：A review［J］.Proceedings of the IEEE，1998，86（5）：974－997.

［10］R Rejaje，M Handley，D Estrin，et al.Layered quality adaptation for internet video streaming［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2000，18（12）：2530－2543.