3G網(wǎng)絡(luò)實時視頻傳輸動態(tài)調(diào)整策略

趙娟

（中國地質(zhì)大學（武漢）信息技術(shù)教學實驗中心，湖北 武漢 430074）

現(xiàn)在國內(nèi)流行的3G無線網(wǎng)絡(luò)有CDMA2000 EVDO、WCDMA和TD-SCDMA，它們都擁有一個共同的特點，就是網(wǎng)絡(luò)的波動性大、誤碼率高、傳輸延遲大以及相對網(wǎng)絡(luò)帶寬比較窄[1]。而應(yīng)用在有線網(wǎng)絡(luò)的很多業(yè)務(wù)，包括視頻會議、視頻監(jiān)控、IPTV等正逐步向3G無線網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)域拓展。要在這樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實現(xiàn)實時視頻的流暢傳輸，那么比較高效的傳輸策略就是非常必要的。本研究從3G網(wǎng)絡(luò)的自身特性出發(fā)，利用RTP協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵參數(shù)進行統(tǒng)計，再根據(jù)統(tǒng)計的規(guī)律來指導(dǎo)經(jīng)TMS320DM365壓縮的實時視頻的傳輸，從而進一步驗證這種統(tǒng)計策略的可靠性。

1 3G網(wǎng)絡(luò)評估參數(shù)分析與量化

1.1 RTP協(xié)議參數(shù)分析

鑒于3G網(wǎng)絡(luò)的特殊性，衡量其網(wǎng)絡(luò)特性的參數(shù)也相對復(fù)雜。本研究主要是依據(jù)RTP協(xié)議[2]里定義的兩個重要參數(shù)丟包率和時間抖動來估計3G網(wǎng)絡(luò)特性。其中，丟包率統(tǒng)計的是最近一段時間間隔內(nèi)網(wǎng)絡(luò)丟失數(shù)據(jù)的情況，而時間抖動則是數(shù)據(jù)包到達時刻統(tǒng)計方差的估計值，其能有效地評估網(wǎng)絡(luò)的變化趨勢。這兩個參數(shù)結(jié)合起來使用，就可以對當前的網(wǎng)絡(luò)狀況進行有效估計，同時，又能估測出網(wǎng)絡(luò)的變化趨勢，為實時視頻傳輸時的動態(tài)調(diào)整給予有效的參考。

1.2 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)歸一化

對于網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)的測試，可以采用依據(jù)RTP協(xié)議編寫的函數(shù)庫 jrtplib-3.7.1[3]和 jrtpthread-1.2.1[4]，該函數(shù)庫具有很好的兼容性，可以在多種操作系統(tǒng)中應(yīng)用。這里主要將其應(yīng)用在ARM開發(fā)平臺TMS320DM365上和PC平臺的VC2008開發(fā)環(huán)境中。

經(jīng)過大量實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可以得到如下的規(guī)律：（1）丟包率總體處于[0，1]之間，在網(wǎng)絡(luò)可控的條件下，丟包率大多數(shù)保持在20%以下，而出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瞬間抖動時，丟包率會達到30%以上；（2）時間抖動總體在[2 000，20 000]（單位為RTP時間戳）之間，網(wǎng)絡(luò)狀況較好時，時間抖動基本在[2 000，10 000]之間，分布比較平穩(wěn)，當出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瞬間抖動時，時間抖動就會出現(xiàn)跳躍，達到20 000以上。

為了能夠?qū)Ξ斍熬W(wǎng)絡(luò)進行很好的描述及有效的估計，系統(tǒng)中需要將兩個參數(shù)結(jié)合起來研究。但由于兩個參數(shù)的分布范圍不同，那么就需要將其規(guī)范化，最有效的辦法就是將時間抖動的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行歸一化。

首先，利用數(shù)據(jù)規(guī)范化的方式——最大最小值法進行初步歸一化。方法如下。

設(shè) x=（x1，x2，…，xn），建立映射 f1：

其 中 xmax=max（x）=max（x1，x2， … ，xn），xmin=min （x）=min（x1，x2，…，xn），這樣，原始的時間抖動數(shù)據(jù)就基本可以保證處于[0，1]之間。

其次，利用sigmoid函數(shù)進一步調(diào)整歸一化的時間抖動的分布區(qū)域。

設(shè) x=（x1，x2，…，xn），建立映射 f2：

這樣就可以使得數(shù)據(jù)較集中于[0，0.5]之間。

最后，經(jīng)過前面兩個過程的數(shù)據(jù)分析，就可以得到整體的歸一化函數(shù)

其 中 ，xmax=max（x）=max（x1，x2， … ，xn），xmin=min（x）=min（x1，x2，…，xn），α=0.000 1。

通過對[2 000，20 000]之間的數(shù)據(jù)進行歸一化得到如圖1所示的曲線。

圖1 時間抖動量化曲線

從圖1中可以看出，經(jīng)過量化的數(shù)據(jù)，在時間抖動處于2 000～10 000之間時，分布比較平穩(wěn)集中；而在10 000～20 000之間，分布就相對比較分散。這正符合時間抖動統(tǒng)計的規(guī)律，即網(wǎng)絡(luò)通暢時，時間抖動較小，變化平穩(wěn)，就需要被細化，有利于視頻傳輸數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)整；而網(wǎng)絡(luò)擁擠或出現(xiàn)抖動時，通常時間抖動都比較大，只需要粗略估計描述變化趨勢即可。

2 分組估計網(wǎng)絡(luò)狀況和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)[5]

2.1 網(wǎng)絡(luò)狀況分組估計

考慮到3G無線網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性，它總是伴隨著時間、空間的變化而逐漸變化的。系統(tǒng)中不僅要能統(tǒng)計出當前3G網(wǎng)絡(luò)的狀況，還要能預(yù)測出隨后網(wǎng)絡(luò)的變化趨勢，那么就需要將丟包率和時間抖動這兩個參數(shù)結(jié)合起來。本研究采用線性組合的方式估計網(wǎng)絡(luò)的整體狀況，即：

其中，i表示分組統(tǒng)計中的第 i次；P（i）表示第 i次的丟包率，描述最近時間段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的丟包狀況，即網(wǎng)絡(luò)當前狀況；J（i）表示第 i次的時間抖動，估計網(wǎng)絡(luò)即將變化的趨勢；Y（i）表示網(wǎng)絡(luò)總體狀況；比例系數(shù) α能有效調(diào)節(jié)丟包率和時間抖動在整體網(wǎng)絡(luò)估計中的作用。當丟包率起主導(dǎo)作用時，可以調(diào)節(jié)使α增大，反之則減小。

為進一步說明式（4）對3G網(wǎng)絡(luò)的有效評估，特做出大量的實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)果如圖2所示，其中，α取0.7。測試條件為：TMS320DM365開發(fā)平臺的編碼模式設(shè)為圖像大小 CIF，圖像質(zhì)量 A，幀率 15 f/s，GOP=15[6]。 可以看出，網(wǎng)絡(luò)總體狀況Y（i）得到了充分地平滑，而對網(wǎng)絡(luò)的變化趨勢也能有效估計，這說明式（4）的線性組合具有一定的可靠性。

圖2 網(wǎng)絡(luò)狀況測試曲線

2.2 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的定義

網(wǎng)絡(luò)狀況的分組統(tǒng)計，其時間較短，系統(tǒng)默認為5 s，這段時間內(nèi)不利于實時傳輸視頻流的調(diào)整；同時，為了增加網(wǎng)絡(luò)狀況估計的可靠性，就有必要對這個分組統(tǒng)計的結(jié)果計算概率分布?？梢詫⒕W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分為輕載、滿載和擁塞3種狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

設(shè)定閾值 T1、T2，且 0＜T1＜T2＜1。當 0＜Y（i）＜T1 的概率P1高于設(shè)定閾值PT1時，網(wǎng)絡(luò)處于輕載狀態(tài)，可以逐漸增加視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩钡骄W(wǎng)絡(luò)處于滿載狀態(tài)；當 T2＜Y（i）＜100%的概率 P3高于設(shè)定值 PT2時，網(wǎng)絡(luò)處于擁塞狀態(tài)，必須迅速減小視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩钡骄W(wǎng)絡(luò)回到滿載狀態(tài)；除此之外，都表明當前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)正常，可以繼續(xù)維持這一狀態(tài)。

注意：T1應(yīng)取較低的值以避免產(chǎn)生QoS振蕩，T2的選取標準是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)丟失程度，雖然已比較高但解碼后的視頻效果仍在可接收的范圍內(nèi)。這里取T1=3%，T2=10%。PT1和PT2可以依照實際網(wǎng)絡(luò)狀況而定。

3 TMS320DM365平臺視頻數(shù)據(jù)傳輸

3.1 TMS320DM365平臺視頻流分析[6-7]

TMS320DM365采用的是 TI的 DaVinci系列架構(gòu)，集成了一個ARM926EJ-S內(nèi)核，一個H.264高清編解碼協(xié)處理器HDVICP和一個MPEG-4/JPEG高清編解碼協(xié)處理器MJCP，可以支持H.264/MPEG-4的高清視頻的編解碼。它能夠調(diào)節(jié)輸入視頻的亮度、對比度、色調(diào)、銳度和飽和度，同時，又能夠通過程序來設(shè)定分辨率、比特率和幀率。

影響TMS320DM365開發(fā)平臺上H.264格式的視頻碼流的主要參數(shù)有圖像質(zhì)量、GOP（Group of Pictures）、幀率和圖像大小。經(jīng)過對這些參數(shù)的分析，并結(jié)合對圖像質(zhì)量、運動補償以及視頻流暢性等諸多方面的考慮，按照視頻數(shù)據(jù)碼流大小進行實驗統(tǒng)計，得到的結(jié)果如表1所示。

表1 視頻調(diào)整參數(shù)統(tǒng)計

3.2 視頻傳輸碼流動態(tài)控制

針對圖3所示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的定義，以及實時視頻流對3G網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)速度，結(jié)合如表1所示不同視頻模式碼流的區(qū)別，設(shè)計程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

初始條件下，視頻硬件編碼器TMS320DM365設(shè)定為模式4（如表1中所示），碼流基本保證在 40 kb/s左右，在現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡(luò)狀況條件下，可以保證這種視頻流的順暢傳輸。而一旦網(wǎng)絡(luò)狀況變得比較擁塞時，短時狀態(tài)中統(tǒng)計的P3超過了閾值PT2，系統(tǒng)就可以迅速將視頻編碼模式向低級模式切換，以降低視頻碼流來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬；而當網(wǎng)絡(luò)狀況變得通暢處于輕載時，長時狀態(tài)中統(tǒng)計的P1超過了閾值PT2，系統(tǒng)就可以向高級模式切換，提高圖像質(zhì)量，直到網(wǎng)絡(luò)處于滿載。經(jīng)過系統(tǒng)總體的測試，發(fā)現(xiàn)這種動態(tài)調(diào)整的視頻碼流傳輸策略能有效地適應(yīng)變化的3G網(wǎng)絡(luò)帶寬。尤其在局域范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)比較擁塞時，系統(tǒng)能夠迅速切換進入低級模式，處于視頻碼流較低情況，以占用較少的網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)流暢的傳輸。

此外，在有些特殊的系統(tǒng)當中，可能有些需要視頻質(zhì)量比較高，而有些則需要對運動變化的圖像有較好的補償，那么，就可以通過設(shè)定初始條件下的視頻模式或改變動態(tài)調(diào)整過程中的視頻模式，來滿足這些要求?？傊?，對TMS320DM365硬件參數(shù)的不同設(shè)定，都可以有效改變實時視頻傳輸系統(tǒng)的總體性能。

本研究中通過對RTP協(xié)議的利用，實現(xiàn)了對3G網(wǎng)絡(luò)狀況的總體估計，引入了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的判斷分布，從而指導(dǎo)TMS320DM365開發(fā)平臺不同模式之間的切換，使得實時視頻流能夠適應(yīng)變化的3G網(wǎng)絡(luò)。但是，如果能采用更多的參數(shù)來衡量網(wǎng)絡(luò)狀況的話，將能夠進一步提升網(wǎng)絡(luò)估計的準確性。此外，本研究的核心是通過網(wǎng)絡(luò)估計控制實時視頻流以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化。當網(wǎng)絡(luò)因抖動頻繁或是視頻模式切換不及時而出現(xiàn)丟包率比較高時，視頻的解碼顯示就會產(chǎn)生比較明顯的馬賽克現(xiàn)象。因此，系統(tǒng)可以在圖像傳輸?shù)倪^程中采取其他的辦法，比如通過增加冗余數(shù)據(jù)包來恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)，或者是在視頻解碼時加入補償算法來恢復(fù)丟失的圖像數(shù)據(jù)等，從而進一步提升圖像質(zhì)量。

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