基于流媒體技術(shù)簡析無線通信網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸技術(shù)

劉家劍，葛周龍

（中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字視頻傳輸技術(shù)日益成熟，圖像編碼技術(shù)取得了較大突破，在應(yīng)用實(shí)踐中取得了良好效果。進(jìn)入新時(shí)代后，無線通信網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸技術(shù)成為研究的熱門內(nèi)容，如何進(jìn)一步提高傳輸視頻的質(zhì)量和效率是目前無線通信技術(shù)研究的重點(diǎn)。無線通信的通信環(huán)境相對復(fù)雜且頻譜資源有限，為了提高視頻流技術(shù)在無線通信網(wǎng)絡(luò)中的價(jià)值，需要解決視頻傳輸數(shù)據(jù)量較大的難題，同時(shí)要解決多址接收、多徑衰落以及時(shí)延抖動(dòng)等技術(shù)難題。

1 流媒體技術(shù)

流媒體技術(shù)是一種多媒體應(yīng)用技術(shù)，是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上形成，在多媒體數(shù)據(jù)傳輸過程中主要以流的形式進(jìn)行。無論是音頻、視頻還是其他多媒體內(nèi)容，都能夠通過流媒體技術(shù)進(jìn)行有效的線上傳輸，并且能夠使用戶利用接收終端實(shí)現(xiàn)多媒體文件的實(shí)時(shí)播放，是流媒體技術(shù)的顯著特點(diǎn)之一[1]。流媒體技術(shù)能夠有效彌補(bǔ)目前多媒體信息在低帶寬網(wǎng)絡(luò)傳輸中存在的不足和缺陷，不僅能夠高效實(shí)時(shí)播放多媒體數(shù)據(jù)，還能夠?qū)崿F(xiàn)用戶與多媒體文件的有效交互，并且能夠使用戶一邊播放一邊下載任務(wù)。用戶終端在對流媒體文件進(jìn)行接收、處理或回放的過程中，多媒體文件并不會(huì)占據(jù)終端的存儲(chǔ)空間，即完成處理和播放后系統(tǒng)會(huì)及時(shí)刪除相應(yīng)的文件數(shù)據(jù)。因此，用戶不需要擔(dān)心多媒體文件占據(jù)儲(chǔ)存空間的問題，同時(shí)能夠幫助用戶獲得更好的觀看體驗(yàn)[2]。

流媒體系統(tǒng)主要由各類轉(zhuǎn)檔轉(zhuǎn)碼工具、編碼器、播放器以及制作工具4部分內(nèi)容組成。各類轉(zhuǎn)檔轉(zhuǎn)碼工具可以有效壓縮轉(zhuǎn)檔多媒體文件，同時(shí)利用流媒體系統(tǒng)服務(wù)器有效管理這些多媒體信息，完成信息的傳輸任務(wù)[3]。編碼器可有效整合多媒體信息，并將多媒體信息通過互動(dòng)的方式呈現(xiàn)在用戶終端。播放器通過終端將串流內(nèi)容呈現(xiàn)給用戶。流媒體系統(tǒng)包括各種各樣的多媒體制作工具。

一個(gè)成熟的流媒體平臺(tái)，主要包括媒體服務(wù)器硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)。目前，視頻服務(wù)器硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要分為3種類型，分別是調(diào)諧視頻服務(wù)器、緊耦合多處理機(jī)以及通用主機(jī)方法。軟件平臺(tái)的主要功能包括流服務(wù)、任務(wù)服務(wù)、媒體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)、內(nèi)容服務(wù)、媒體網(wǎng)絡(luò)、視頻泵、文件下載、上傳功能以及實(shí)時(shí)流傳輸協(xié)議（Real Time Streaming Protocol，RTSP）服務(wù)[4]。

目前受到技術(shù)條件的限制，在無線通信系統(tǒng)中無線頻譜資源相對有限，導(dǎo)致無線終端在處理信息、接收信息和顯示信息等方面存在一定的局限性。通過流媒體技術(shù)可完成無線網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸，能夠?qū)Χ嗝襟w信息進(jìn)行有效轉(zhuǎn)碼和壓縮，進(jìn)一步提高信息傳輸?shù)馁|(zhì)量和效率。

2 無線網(wǎng)絡(luò)視頻編碼技術(shù)

在移動(dòng)通信發(fā)展的過程中，各類多媒體信息最終能夠完成移動(dòng)終端的有效傳輸，是技術(shù)升級和發(fā)展的重要方向，也是推動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)不斷成熟的重要標(biāo)志。但是，由于無線頻譜資源有限且無線網(wǎng)絡(luò)通信的環(huán)境相對復(fù)雜，很容易出現(xiàn)誤碼問題，需要進(jìn)一步提高無線視頻編碼的技術(shù)要求，提高視頻傳輸質(zhì)量和效率[5]。面對新時(shí)代無線網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展的需求，視頻編碼器需要提高自身的壓縮效率，在低存儲(chǔ)、低功率的狀態(tài)下完成復(fù)雜度較高的解碼，有效恢復(fù)掉包現(xiàn)象，并且在短時(shí)間內(nèi)完成小范圍的可變位率信道的支持，同時(shí)完成大范圍位交換機(jī)制的有效支持[6]。在視頻編碼的過程中需要提高壓縮質(zhì)量和效率，保證圖像的真實(shí)性。采用低碼率的圖像編碼方式，提高抑制誤碼的技術(shù)能力，保證傳輸效果。視頻流編碼在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)不僅具有較高的效率，也有較高的伸縮性和兼容性，能夠進(jìn)一步提高無線網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸質(zhì)量。此外，需要進(jìn)一步提高移動(dòng)終端對視頻流的處理能力，確保視頻流在傳輸?shù)揭苿?dòng)終端后能順利完成解碼，提高無線網(wǎng)絡(luò)通信中視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量和效率，為用戶帶來更佳的觀看體驗(yàn)[7]。

本文以MPEG-4為例進(jìn)行編碼分析，探討無線視頻流的編碼方式，并結(jié)合逐級加密的策略實(shí)現(xiàn)有效的分級編碼，從而使得無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊曨l流具備更高的安全性。圖1為無線視頻流的編碼方案。

圖1 無線視頻流編碼方案

首先，輸入視頻后會(huì)形成相應(yīng)的圖像序列。圖像序列中的每一幀會(huì)被分割，形成大量的視頻對象平面（Video Object Plan，VOP）。每一個(gè)VOP區(qū)域都有可能對視頻中某個(gè)特定場景或某個(gè)感興趣的視頻或圖像實(shí)現(xiàn)覆蓋[8]。其次，以視頻對象層（Video Object Layer，VOL）為基礎(chǔ)，使用其擁有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成視頻的分級編碼工作，同時(shí)完成分級性精細(xì)分級編碼（Fine Granular Scalability，F(xiàn)GS），得到相應(yīng)的視頻流編碼。這種處理方式具備低碼率和高效率的特點(diǎn)，能夠加快多媒體數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡(luò)通信中的傳輸。有效收集圖像片編碼形成的特有信息頭，并整合其具備的可分級編碼數(shù)據(jù)，從中獲取相關(guān)信息以便完成整合圖像序列的任務(wù)，確保后續(xù)能夠順利完成原始圖像的復(fù)原工作。最后，完成數(shù)據(jù)報(bào)的封裝工作，并有效加密視頻編碼，確保視頻編碼在無線網(wǎng)絡(luò)通信中的安全性，避免視頻編碼在無線通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)被未獲得授權(quán)的對象接收或截取，進(jìn)一步提高視頻編碼的傳輸安全性。

通過這樣的方式視頻編碼可以保持低碼率，且在傳輸過程中不會(huì)產(chǎn)生圖像失真問題，有利于推動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)通信中視頻傳輸技術(shù)的不斷優(yōu)化和升級。此外，可以通過H.26L協(xié)議有效編碼各類視頻文件。這一協(xié)議面向移動(dòng)設(shè)備可以提供3種服務(wù)：一是會(huì)話服務(wù)，可以完成視頻會(huì)議或電話會(huì)議；二是錄制服務(wù)，能夠完成前期或現(xiàn)場的視頻流錄制；三是多媒體信息服務(wù)，能夠進(jìn)一步提高視頻格式的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，在未來的無線網(wǎng)絡(luò)通信中更好地提高視頻應(yīng)用的效果和質(zhì)量。

3 無線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸

在經(jīng)過壓縮編碼后，視頻信號(hào)想要在無線網(wǎng)絡(luò)中順利完成通信，除了需要確保視頻編碼符合無線網(wǎng)絡(luò)通信的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之外，還要與流媒體技術(shù)的相關(guān)特點(diǎn)相吻合。圖2為無線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)。

圖2 無線網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)

經(jīng)過壓縮編碼器后，視頻信號(hào)被有效壓縮編碼，同時(shí)加密相應(yīng)的數(shù)據(jù)包，完成射頻信號(hào)的有效轉(zhuǎn)變，順利將視頻傳輸?shù)较鄳?yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)。對于用戶使用的移動(dòng)終端，在接收到相應(yīng)的射頻信號(hào)后，先簡單初步處理無線網(wǎng)絡(luò)通信中接收到的各類信號(hào)如去噪和濾波，然后解密相應(yīng)的信號(hào)。數(shù)據(jù)完成解密后會(huì)被傳輸?shù)浇獯a器，隨后被壓縮編碼的數(shù)據(jù)通過整合還原成視頻信號(hào)編碼，最后通過流媒體技術(shù)將相應(yīng)的視頻信號(hào)編碼還原成視頻內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)視頻流重建[9]。

在無線通信網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行視頻傳輸時(shí)，流媒體技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。它能夠確保在無線網(wǎng)絡(luò)中更加高效地實(shí)時(shí)傳輸視頻流，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的視頻服務(wù)。多媒體技術(shù)在進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)的視頻傳輸時(shí)，會(huì)使用實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（Real-time Transport Protocol，RTP）提高實(shí)時(shí)傳輸?shù)馁|(zhì)量。RTP協(xié)議是一種網(wǎng)絡(luò)輕型傳輸協(xié)議，是專門為多媒體應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種交互式服務(wù)協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)不同終端之間視頻流的有效傳輸，具有以下6個(gè)主要特點(diǎn)。第一，RTP協(xié)議具有顯著的輕型性特征，在使用過程中主要是和相應(yīng)的應(yīng)用有效結(jié)合，以提高傳輸質(zhì)量。第二，RTP協(xié)議具有明顯的靈活性，將控制策略的算法和協(xié)議機(jī)制的算法分開，僅僅面向用戶提供實(shí)時(shí)傳輸?shù)南嚓P(guān)機(jī)制。第三，RTP協(xié)議具有顯著的獨(dú)立性，和下層其他協(xié)議沒有直接關(guān)系，可以在互聯(lián)網(wǎng)交換協(xié)議、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議/網(wǎng)際互連協(xié)議、異步傳輸模式（AsynchronousTransferMode，ATM）的AAL層上運(yùn)作。第四，RTP協(xié)議具有較好的擴(kuò)展性，既能夠滿足單播應(yīng)用相關(guān)要求，又能夠滿足組播應(yīng)用的相關(guān)要求，為無線通信網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。第五，RTP協(xié)議分離了媒體數(shù)據(jù)和控制信息，將RTP媒體數(shù)據(jù)分組和傳輸控制報(bào)文協(xié)議（Real-time Transport Control Protocol，RTCP）數(shù)據(jù)分組，實(shí)現(xiàn)了有效的數(shù)據(jù)分離，且在傳送過程中采用帶外方式。第六，RTP協(xié)議具有良好的安全性，能夠有效加密傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠阻止外界的病毒和黑客攻擊，進(jìn)一步提高視頻在無線通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸安全性[10]。

應(yīng)用流媒體技術(shù)進(jìn)一步提高了無線通信網(wǎng)絡(luò)中視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量和效率，尤其是流媒體技術(shù)的低碼率特點(diǎn)能夠進(jìn)一步提高實(shí)時(shí)傳輸?shù)男Ч?，為無線通信網(wǎng)絡(luò)中的視頻傳輸?shù)於肆己玫幕A(chǔ)。

4 結(jié) 論

目前，無線通信網(wǎng)絡(luò)中的視頻傳輸技術(shù)不斷發(fā)展，流媒體技術(shù)不斷升級，為視頻傳輸提供了新的思路和方向。后續(xù)需要加強(qiáng)對流媒體技術(shù)的研究和應(yīng)用，不斷更新移動(dòng)終端技術(shù)和無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為提高視頻傳輸質(zhì)量提供更多支持。