自適應(yīng)WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬的視頻容錯(cuò)傳輸控制方法

常曉潔　江肖強(qiáng)　單康康

摘 要： 由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)帶寬的不穩(wěn)定性，特定的視頻碼流率在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中不可能完全適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化，因此需要根據(jù)不同編碼的特點(diǎn)如H.264設(shè)定不同的自適應(yīng)傳輸控制算法，在保障視頻幀完整性的情況下適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷變化，同時(shí)為調(diào)整后的碼流提供容錯(cuò)重傳機(jī)制，并有效控制容錯(cuò)重傳機(jī)制浪費(fèi)大量帶寬資源。文章將容錯(cuò)技術(shù)與傳輸控制算法進(jìn)行結(jié)合，以保證在充分利用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)帶寬的同時(shí)達(dá)到高可靠傳輸。仿真測(cè)試結(jié)果表明，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬波動(dòng)的情況下，能夠自適應(yīng)調(diào)整視頻碼率，并滿足終端失真率要求，降低容錯(cuò)時(shí)延。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)傳輸； 自適應(yīng)； 傳輸控制； 容錯(cuò)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2016）01-29-04

Adaptive WiFi network bandwidth control method for video fault-tolerant transmission

Chang Xiaojie， Jiang Xiaoqiang， Shan Kangkang

（Zhejiang University Library and Information center， Hangzhou， Zhejiang 310000， China）

Abstract： Due to the instability of the wireless network real-time bandwidth， specific video stream rate can't completely adapt to the change of wireless network bandwidth during transmission. So the adaptive transmission control algorithm based on different characteristics such as H.264 is needed to adapt the network bandwidth. At the same time the algorithm provides adjusted stream a fault-tolerant retransmission mechanism， and effectively controls the bandwidth resources. In this paper， the fault tolerance technology and transmission control algorithm are combined to ensure the full use of real-time network bandwidth to achieve high reliable transmission. The simulation results show that in the case of wireless network bandwidth fluctuation， the bandwidth can be adapted to the video stream rate， and meet the requirements of the terminal distortion， reduce fault tolerance delay.

Key words： network transmission； adaptive； transmission control； fault-tolerant

0 引言

隨著多媒體壓縮技術(shù)的發(fā)展和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的普及，通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸流媒體以便于在移動(dòng)終端接收音視頻將越來(lái)越受到人們的關(guān)注。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的802.11n協(xié)議雖然通過MIMO、OFDM、short GI等技術(shù)方案提高了碼流速率，但是沒有針對(duì)帶寬的擁塞控制。目前常用的流媒體傳輸控制協(xié)議[1]是實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP（Real-time Transport Protocol）和實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP（Real-time Transport Control Protocol）。這些控制協(xié)議是工作在UDP協(xié)議基礎(chǔ)之上的，不能夠解決傳輸過程差錯(cuò)所帶來(lái)的視頻質(zhì)量下降問題。目前差錯(cuò)控制的解決一般是在可靠傳輸協(xié)議TCP傳輸層的層次上，采用ARQ（Automatic Repeat reQuest）和FEC（Forward Error-Correcting）[2]，以減少數(shù)據(jù)通信中差錯(cuò)的發(fā)生。然而，ARQ 要求信道的往返延時(shí)相對(duì)較小；FEC 的冗余度較大，會(huì)進(jìn)一步降低有效視頻傳輸帶寬，降低編碼質(zhì)量。因此，需要將視頻編碼與視頻傳輸控制結(jié)合起來(lái)，并在視頻壓縮和差錯(cuò)控制之間做好調(diào)控。

1 基于容錯(cuò)的視頻流傳輸控制架構(gòu)

保證終端用戶獲取滿意的視頻播放質(zhì)量是容錯(cuò)技術(shù)的關(guān)鍵所在[3]。傳統(tǒng)自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求ARQ算法盡可能多次重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)幀，導(dǎo)致占用大量帶寬、增加延遲。為解決這個(gè)問題，文獻(xiàn)[4]提出控制部分重傳的方法進(jìn)行容錯(cuò)恢復(fù)，但受限于有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，文獻(xiàn)[5]采用的是只進(jìn)行部分重傳，以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。有效地控制視頻流的傳輸控制方法必須能夠及時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況實(shí)時(shí)調(diào)整視頻流[6]。不少文獻(xiàn)提出了基于TCP的不同解決方案的傳輸控制。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)的算法延時(shí)采用了RTT，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中不能正確計(jì)算出視頻的RTT，同時(shí)還將由此造成更嚴(yán)重的視頻錯(cuò)誤丟幀。文獻(xiàn)[8]傳輸控制方法能夠自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)可用帶寬，但是易造成視頻幀的過多丟棄以及丟棄視頻關(guān)鍵幀的情況。

針對(duì)以上提出的這些問題，本文中將容錯(cuò)技術(shù)與傳輸控制算法進(jìn)行結(jié)合，以保障在充分利用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)帶寬的同時(shí)達(dá)到高可靠傳輸。容錯(cuò)傳輸控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

本文自適應(yīng)控制算法設(shè)置了多個(gè)數(shù)據(jù)緩存，M1為編碼器輸出的字節(jié)長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的1幀視頻數(shù)據(jù)緩存；M1發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù)被分成緩存長(zhǎng)度記為L(zhǎng)2的M2和暫存M2的發(fā)送緩存M3；M4為接收緩存；M5為播放緩存。

2 基于容錯(cuò)的視頻流傳輸控制算法

2.1 自適應(yīng)傳輸控制模型

傳輸控制方法主要有丟幀、下調(diào)碼率和上調(diào)碼率。由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬的不穩(wěn)定性以及碼率調(diào)整反饋延時(shí)，若不能控制好調(diào)整碼率的時(shí)刻，則會(huì)導(dǎo)致反復(fù)上調(diào)或下調(diào)碼率，影響用戶使用效果。

首先當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬比視頻碼率小時(shí)，M2中會(huì)累積尚未發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)，但是當(dāng)L+L1>L2時(shí)，M1中的數(shù)據(jù)幀將不能轉(zhuǎn)至M2，需要進(jìn)行丟幀操作。為保障幀的完整性，需設(shè)定一個(gè)幀計(jì)數(shù)器，每次丟幀只是將M2中的非關(guān)鍵幀第k幀丟棄。

若L+L1>h*L2，（h為經(jīng)驗(yàn)值，一般取0.7～0.9），進(jìn)行視頻碼率下調(diào)，若下調(diào)之后仍L+L1>h*L2，則需再次進(jìn)行下調(diào)。為更好的控制下調(diào)時(shí)刻，本文設(shè)定了下調(diào)標(biāo)簽Tr、下調(diào)間隔控制參數(shù)n1（MAX（n1）=aC（aC+1）其中a為加權(quán)系數(shù)，取值一般為4～8）、以及下調(diào)敏感度Sr（Sr為經(jīng)驗(yàn)值，一般取值0.05～0.15）。下調(diào)之后若Tr=1、L+L1>h*L2，并且n1>SRaC（aC+1），則需要將視頻碼率再下調(diào)一級(jí)。

若L+L1?h*L2，需要進(jìn)行視頻碼率上調(diào)，但是若上調(diào)之后仍L+L1?h*L2，需再次進(jìn)行上調(diào)。為更好的控制上調(diào)時(shí)刻，本文同樣設(shè)定了上調(diào)標(biāo)簽Tu、上調(diào)間隔控制參數(shù)n2，MAX（n2）=bC（bC+1）（b為加權(quán)系數(shù)，取值一般為12～24）、以及上調(diào)敏感度Su（Su為經(jīng)驗(yàn)值，一般取值0.05～0.15）。上調(diào)之后若Tu=1、L+L1?h*L2，并且n2>SubC（bC+1），則需要將視頻碼率再上調(diào)一級(jí)。

視頻流發(fā)送線程的自適應(yīng)控制算法流程如圖2所示。根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)值h，a，b，C，Sr，Su。然后啟動(dòng)發(fā)送線程。

2.2 容錯(cuò)控制算法

本文同時(shí)考慮了終端視頻失真率、視頻碼流容錯(cuò)重傳消耗的網(wǎng)絡(luò)資源和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)帶寬等方面。假定單幀視頻碼流滿足香農(nóng)第三定理保失真度準(zhǔn)則下的有失真信源編碼定理的編碼流d0和編碼失真r0，且經(jīng)過丟包率為p的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，由此可建立模型如公式⑴：

⑴

公式⑴中d表示重傳和錯(cuò)誤恢復(fù)單幀圖像耗用的帶寬資源占總體資源的比率，r表示終端的最終失真度，α是歸一化權(quán)重代表d和r數(shù)值比例關(guān)系。

求在此模型的最小值

⑵

⑶

另設(shè)公式⑵和⑶為零，即可求得模型f（d，α）的最小值，以及此時(shí)的帶寬-失真權(quán)重α。

3 算法模擬及總結(jié)

由圖3可以看到，當(dāng)下調(diào)敏感度數(shù)據(jù)量超過閾值一段時(shí)間后，將碼率進(jìn)行了下調(diào)，之后雖然仍出現(xiàn)了下調(diào)敏感度數(shù)據(jù)量超過閾值，但由于未超過限制，未要求再次進(jìn)行下調(diào)碼率，而當(dāng)上調(diào)調(diào)敏感度數(shù)據(jù)量超過閾值后，也并沒有立即進(jìn)行上調(diào)，而是在持續(xù)一段時(shí)間后 雖然也有一段時(shí)間大于閾值，但未處于上升趨勢(shì)，待穩(wěn)定且達(dá)到達(dá)到上調(diào)視頻碼率的條件下才進(jìn)行上調(diào)工作。因此本文算法能夠提供更穩(wěn)定的視頻傳輸。

圖4是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況差，丟包率為40%時(shí)的情況，本文提出的自適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬的視頻容錯(cuò)傳輸控制方法比ARQ降低了11%。由此可知，在網(wǎng)絡(luò)狀況差的情況下，本文提出的方法更能發(fā)揮其降低視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬的優(yōu)勢(shì)。

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