無線視頻傳輸QoS優(yōu)化研究
2018-05-15 08:31:14馮靈霞張亞娟
軟件導(dǎo)刊 2018年4期
馮靈霞 張亞娟
摘 要：隨著智能手機信息處理能力的增強和移動互聯(lián)網(wǎng)傳輸速率的大幅提升，使用手機通過移動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻傳輸越來越普及。Android操作系統(tǒng)雄踞智能手機終端操作系統(tǒng)榜首。由于無線信道環(huán)境惡劣，利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸高質(zhì)量視頻極富挑戰(zhàn)。選擇使用H.264作為視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，基于現(xiàn)有AMID算法，提出一種將丟包率和接收緩沖區(qū)使用情況相結(jié)合的改進(jìn)AMID擁塞控制算法。實驗表明：在網(wǎng)絡(luò)狀況良好情況下，雖沒有明顯改善接收端丟包率，但發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包個數(shù)明顯增加；在網(wǎng)絡(luò)狀況較差時，對改善丟包率作用明顯，說明該系統(tǒng)對保障視頻傳輸QoS有一定作用。
關(guān)鍵詞：視頻傳輸；RTCP；擁塞控制；AMID算法；Android
DOI：10.11907/rjdk.172670
中圖分類號：TP319
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）004-0148-03
Abstract：With the enhancement of the information processing ability of smart phones and the promotion of the mobile Internet transmission rate， it has become more and more popular to use mobile phones to transmit video via mobile network. In the smartphone platform， Android operating system in the intelligent terminal operating system list on the top. Because the wireless channel environment is abominable， to achieve high quality video transmission over wireless networks is a challenging task. Therefore， the system chooses to use H.264 as the video compression standard by comparison. At the same time， on the basis of H.264， an improved AMID congestion control algorithm combining the packet loss rate and the received buffer usage is proposed based on the existing AMID algorithm. The experiment shows that， When the network is in good condition， although the packet loss rate of the receiver is not obviously improved， the number of packets sent at the transmitter has increased significantly. When the network is poor， it has obvious effect on improving the packet loss rate. So the system has some significance to ensure video transmission QoS.
Key Words：video transmission； RTCP； congestion control； AMID algorithm； Android
0 引言
智能手機既具有手機功能，又具有掌上電腦的信息處理功能，深受人們喜愛。智能手機通過無線方式切入網(wǎng)絡(luò)，幫助人們從網(wǎng)絡(luò)中獲取信息。Android因其開源性代碼和良好的應(yīng)用占據(jù)了智能手機操作系統(tǒng)的大半壁江山。智能手機可通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸信息給遠(yuǎn)程處理終端。諸多信息中，多媒體視頻信息量巨大，將智能手機和傳統(tǒng)的視頻實時通信需求相結(jié)合具有廣闊的應(yīng)用前景。視頻實時通信涉及到視頻采集、編碼、傳輸、解碼和顯示等多項技術(shù)，本文通過合理選擇視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)、精心設(shè)計網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊以及改進(jìn)常用的擁塞控制算法，以保證基于Android平臺的無線視頻傳輸QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）。
1 無線視頻傳輸系統(tǒng)分析
基于Android手機的無線視頻傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)端到端的無線視頻傳輸，包含視頻采集和視頻播放兩大部分[1]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
視頻信息由基于Android的智能手機實時采集并編碼，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，而手機播放終端則要完成視頻的接收、解碼和播放等工作。
2 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)選擇
2.1 視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)
視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）和國際電信聯(lián)盟（International Telecommunications Union，ITU）制定，ISO主要標(biāo)準(zhǔn)有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21，ITU標(biāo)準(zhǔn)有H.261、H.263和H.264[2]。MPEG標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于廣播電視、視頻存儲、互聯(lián)網(wǎng)或無線互聯(lián)網(wǎng)流媒體等，而ITU制定的標(biāo)準(zhǔn)主要用于網(wǎng)絡(luò)傳輸，尤其是實時的視頻通信領(lǐng)域。另外，ITU-T視頻專家組和ISO動態(tài)圖像專家組組成的聯(lián)合視頻組（JVT）共同制定了新一代的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264[3]。
當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)最常用的視頻編碼技術(shù)是MPEG-4和H.264。
2.2 常用視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)劣比較
MPEG-4于1998年11月公布，其設(shè)計初衷是針對視頻會議、可視電話的超低比特率編碼，經(jīng)調(diào)整后更加側(cè)重于多媒體系統(tǒng)的交互性和靈活性[4]。MPEG-4主要應(yīng)用于視頻電話、視頻電子郵件和電子新聞等，對傳輸速率要求較低，可以利用很窄的帶寬傳輸數(shù)據(jù)，從而以最少數(shù)據(jù)獲得最佳圖像質(zhì)量。
H.264是繼MPEG-4之后的新一代數(shù)字視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，它既保留了以往壓縮技術(shù)的精華，又具有其它壓縮技術(shù)無法比擬的優(yōu)點。
在同等圖像質(zhì)量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-4的1.5～2倍，采用H.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有MPEG-4的1/3[5]，大大節(jié)省了用戶的下載時間和數(shù)據(jù)流量收費。同時，H.264技術(shù)采用視頻編碼層（VCL）和網(wǎng)絡(luò)提取層（NAL）的分層設(shè)計，不僅使信號處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸分離，而且在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，網(wǎng)關(guān)不需對VCL比特流進(jìn)行重構(gòu)和重編碼。
綜上所述，無線視頻傳輸適合采用H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。
3 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊設(shè)計
基于手機的無線視頻傳輸系統(tǒng)，由于無線通信帶寬穩(wěn)定性不強，因而時快時慢現(xiàn)象時有發(fā)生。而實時傳輸系統(tǒng)采用的RTP通信協(xié)議并不提供任何保證傳輸質(zhì)量的措施[6]，所以需要在應(yīng)用程序中增加保障視頻傳輸QOS的相關(guān)策略。
3.1 擁塞控制策略
當(dāng)視頻信息通信量激增時，常常會發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，從而造成視頻數(shù)據(jù)包的傳輸延遲和大量丟失，影響視頻傳輸?shù)腝OS。
常見的擁塞控制機制有速率控制和速率整形兩種[7]。前者是指將視頻的發(fā)送速率和網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的傳輸帶寬匹配，后者是指對編碼后的視頻流進(jìn)行修正以匹配當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)帶寬。由于速率控制比速率整形更容易實現(xiàn)，所以常通過速率控制對RTP的傳輸過程進(jìn)行擁塞控制。基于速率的擁塞控制策略根據(jù)應(yīng)用環(huán)境分為基于發(fā)送端、基于接收端和混合方式3種。其中基于發(fā)送端的速率控制常通過調(diào)整發(fā)送端的傳輸速率以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化。本系統(tǒng)中，接收端（客戶端）的計算和處理能力遠(yuǎn)比不上發(fā)送端（服務(wù)器端），所以采用基于發(fā)送端的速率控制。
3.2 AIMD算法
擁塞控制算法中行之有效的是AMID算法，即“加法增大”（Additive Increase）和“乘法減小”（Multiplicative Decrease）[8]。其實現(xiàn)思想是：根據(jù)實際應(yīng)用要求設(shè)定丟包率的上限值和下限值，當(dāng)丟包率處在上限值和下限值之間時，維持發(fā)送速率；當(dāng)丟包率超過上限值時，快速降低發(fā)送速率（比如減半）；當(dāng)丟包率低于下限值時，緩慢增大發(fā)送速率（比如加上某個值）[9]。
AMID算法在實現(xiàn)時，關(guān)鍵是如何確定發(fā)送速率的變化參數(shù)，從而保證傳輸平穩(wěn)。
3.3 AIMD算法改進(jìn)
3.3.1 RTP丟包率計算
RTP協(xié)議包含RTP數(shù)據(jù)協(xié)議和RTCP控制協(xié)議兩部分[10]。RTCP一般采用和RTP相同的分發(fā)機制，周期性地向參與會話的所有成員發(fā)送控制信息，根據(jù)此控制信息計算出丟包率，計算公式如下：
式（1）中，Psend（t）表示發(fā)送端在時間段t內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包的個數(shù)，Prec（t）表示接收端在時間段t內(nèi)接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)， Plost（t）就是t時間段內(nèi)的丟包率。
3.3.2 網(wǎng)絡(luò)狀況評估
設(shè)置丟包率上限值Plostmax和下限值Plostmin，若Plostmin≤Plost≤Plostmax，則網(wǎng)絡(luò)狀況正常，維持發(fā)送速率；若Plostmax
3.3.3 改進(jìn)算法描述
由于智能手機的性能配置較PC機低，所以對視頻信息的解碼處理速度較慢，因此在擁塞控制算法中除了通過丟包率查看網(wǎng)絡(luò)狀況外，還要結(jié)合接收端的緩存狀況，在客戶端的接收緩沖區(qū)設(shè)置兩個臨界點C1（位于緩沖區(qū)1/4處）和C2（位于緩沖區(qū)3/4處），如圖2所示。
算法實現(xiàn)描述如下：
依據(jù)丟包率計算公式計算此刻的丟包率Plost（n），與設(shè)置的丟包率上限值Plostmax和下限值Plostmin進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果分別進(jìn)行處理：
3.3.4 改進(jìn)算法偽碼
算法的偽碼表示如下：
IF Plost（n） {IF Buff（n） {S（n）= Smax； } ELSE IF Buff（n）<（C2-C1）/2 //緩沖區(qū)較空 {S（n）=min{Smax，（S（n-1）+α）}； } ELSE IF C2>Buff（n）>（C2-C1）/2 //緩沖區(qū)較滿 {S（n）=min{Smax，（S（n-1）+α/2）}； } ELSE //緩沖區(qū)很滿 {S（n）=S（n-1）； } } ELSE IF Plostmin≤Plost（n） ≤Plostmax//網(wǎng)絡(luò)狀況正常 {S（n）=S（n-1） } ELSE //網(wǎng)絡(luò)擁塞 {IF Buff（n） {S（n）=max{Smin，（S（n-1）× β）}； } ELSE
{S（n）=max{Smin，（S（n-1）× β2）}；
}
}
3.3.5 改進(jìn)算法結(jié)果分析
為驗證改進(jìn)的擁塞控制算法對丟包率的影響，進(jìn)行以下測試：
實驗平臺包括1個發(fā)送端和5個接收端，設(shè)定每隔5s發(fā)送一次RTPC報文，選取其中的兩個接收端進(jìn)行重點觀察。設(shè)定丟包率的上限值和下限值分別為5%和3%。為驗證擁塞控制算法，設(shè)定接收端A所處的網(wǎng)絡(luò)帶寬處于平均水平之上，接收端B所處的網(wǎng)絡(luò)帶寬處于平均水平之下。統(tǒng)計兩個接收端分別采用傳統(tǒng)的AIMD算法和改進(jìn)后的AIMD算法下的丟包率，如表1所示，表中統(tǒng)計時間段為200s。
從表1可以看出：
（1）由于接收端A所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境明顯高于接收端B，所以不管采用何種算法，發(fā)往A的數(shù)據(jù)量和A接收到的數(shù)據(jù)量都明顯高于B。
（2）對于接收端A，由于其所處網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較好，所以根據(jù)改進(jìn)的AIMD算法，會導(dǎo)致對A發(fā)送的數(shù)據(jù)量稍微偏大，造成丟包率有所上升，但總的接收數(shù)據(jù)量有所提高。
（3）接收端B所處網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差，根據(jù)改進(jìn)的AIMD算法，會以較快速度降低發(fā)送速率，造成發(fā)給B的數(shù)據(jù)包個數(shù)減少，但丟包率卻明顯提高，說明視頻播放質(zhì)量得到提升。
4 結(jié)語
本文以提高視頻傳輸質(zhì)量為研究目的，通過精心選擇合適的編碼標(biāo)準(zhǔn)和對傳輸過程中的擁塞控制，在現(xiàn)有AIMD算法基礎(chǔ)上，提出了一種將丟包率和接收端緩沖區(qū)使用情況相結(jié)合的改進(jìn)的AIMD擁塞控制算法。對該算法進(jìn)行實驗驗證，結(jié)果表明：在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好的情況下，雖沒有改善接收端的丟包率狀況，但發(fā)送數(shù)據(jù)包的個數(shù)卻有所增加；在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)較差的情況下，接收端的丟包率有較好的改善，表明該措施在保障視頻傳輸QoS時有一定作用。
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（責(zé)任編輯：杜能鋼）
