選擇性重傳法在IPTV中的應用

蒲若錕

（陜西電視臺廣告中心，陜西 西安 710061）

0 引言

IP網(wǎng)絡本身具有丟包，時變的有效帶寬和可變時延等特性，加之網(wǎng)絡異構(gòu)和接收端異構(gòu)等綜合因素對視頻信號傳輸帶來影響，IPTV視頻傳輸需要考慮到這些因素的影響，使用差錯控制或者擁塞控制方法盡可能減小其影響，提高視頻傳輸質(zhì)量。收端發(fā)生丟包事件，該冗余數(shù)據(jù)即用來重建原始數(shù)據(jù)。FEC需要權(quán)衡網(wǎng)絡帶寬和冗余數(shù)據(jù)，而且不夠靈活，很難適用于丟包率時變比較大的網(wǎng)絡環(huán)境。因此，在實際的視頻通信系統(tǒng)中，F(xiàn)EC應與其他方法結(jié)合使用。

圖1 各種差錯控制在分層結(jié)構(gòu)中的位置

1 差錯控制方法

現(xiàn)有的差錯控制方法主要有重傳、前向糾錯（FEC：Forward Error Correction）、誤碼掩蓋技術和交織技術等。圖1是各種差錯恢復技術在分層結(jié)構(gòu)中的位置。

1.1 FEC保護

FEC[1-2]利用增加冗余數(shù)據(jù)來恢復錯誤數(shù)據(jù)的開環(huán)差錯控制方法。發(fā)送端給原始數(shù)據(jù)增加一定的冗余數(shù)據(jù)，如果接

1.2 誤碼掩蓋

誤碼掩蓋[3-4]是基于丟失數(shù)據(jù)前或者后的信息產(chǎn)生近似的數(shù)據(jù)替換，在接收端掩蓋某些不可避免的傳輸錯誤的一種方法，一定程度上可以降低丟包引起的視覺失真度。該方法的結(jié)果好壞和誤碼掩蓋算法的效率有關，但它不能抗突發(fā)錯誤。

1.3 數(shù)據(jù)交織

糾正突發(fā)錯誤可以采用數(shù)據(jù)交織的方法，如行存列取的交織方法、列存行取的交織方法和行存對角線取的交織方法等。交織保護技術[5]，每個數(shù)據(jù)包分割成大小相等的小單元，然后在發(fā)送前重新排列每個單元使得相鄰的數(shù)據(jù)就隔開一定的距離，在接收端恢復原始順序。交織技術不會增加帶寬需求，但它會增加傳輸時延，所以在實時視頻通信應用中限制了其使用范圍。

1.4 交互式抗誤碼方法

交互式視頻抗誤碼方法[6]是傳輸視頻信號的一種有效的抑制和防止誤碼擴散的方法。解碼端將檢測出的誤碼位置信息發(fā)往編碼端，并對最鄰近后繼幀（NF）的誤碼擴散進行準確定位及其誤碼掩蓋，然后通過編解碼端的交互，對繼續(xù)影響的后繼幀（ANF）做防止誤碼擴散。該方法可有效保證視頻質(zhì)量，防止誤碼擴散，但引入計算復雜度和處理時延。

1.5 數(shù)據(jù)重傳

重傳是一種閉環(huán)的錯誤控制方法，如果接收端有丟包事件，則通知發(fā)送端重新傳輸該丟失包直到正確接收的一種差錯控制方法。該方法需要發(fā)送端和接收端的信息交互，帶來重傳延時較大，但它僅需要較小的帶寬和處理代價，而且能有效地恢復丟失數(shù)據(jù)。自動重傳請求（ARQ）可分為：停等式 ARQ：發(fā)送端每發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組包就暫時停下來，等待接收端的確認信息。返回n-ARQ：發(fā)送端連續(xù)發(fā)送n個數(shù)據(jù)分組信息，接收端將每個數(shù)據(jù)包相應的確認信息（ACK或NACK）反饋回發(fā)送端。選擇重發(fā)式 ARQ：只重傳出現(xiàn)差錯的數(shù)據(jù)包。

2 視頻傳輸差錯控制

各種差錯控制方法各有其優(yōu)缺點，在不同環(huán)境下使用可以獲得不同的效率。也可以將多種差錯控制方法聯(lián)合使用[7-9]獲得更好的性能。

IPTV視頻應用對實時性要求較高，卻不要求完全可靠傳輸。因此視頻傳輸?shù)牟铄e控制方法在可靠性和實時性之間權(quán)衡以獲得更好的視頻質(zhì)量。FEC可以有效的提高視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量，但浪費帶寬資源和降低傳輸有效性；重傳可以保證傳輸質(zhì)量但引入較大時延。選擇性重傳方法只重傳部分丟失數(shù)據(jù)包，顯著減少了重傳包的數(shù)量，提高帶寬利用率，選擇對重建視頻質(zhì)量影響較大的重要數(shù)據(jù)進行重傳，能獲得較好的視頻質(zhì)量性能。

選擇性重傳方法都是在一定選擇依據(jù)上提出的，比如依據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先級，生存期，重傳的最大次數(shù)，分組丟包率以及可靠性等選擇依據(jù)，或者將幾種選擇依據(jù)聯(lián)合使用。各種選擇性重傳方法根據(jù)不同的應用需求利用各種選擇依據(jù)之間的均衡，并考慮時延、帶寬和丟包特性獲得最佳的恢復視頻質(zhì)量性能。

3 選擇性重傳方法

根據(jù)重傳決策的位置、重傳的內(nèi)容和網(wǎng)絡狀態(tài)對重傳的影響等，選擇性重傳可以分為基于決策位置、基于優(yōu)先級、基于網(wǎng)絡狀態(tài)和基于不同層面的選擇重傳方法，如圖2所示。

圖2 選擇性重傳方法分類

3.1 基于決策位置的選擇性重傳

決策位置可以是接收端、發(fā)送端或者接收端和發(fā)送端聯(lián)合。

（1）基于接收端的選擇性重傳方法

接收端利用對重要數(shù)據(jù)包選擇重傳等準則，發(fā)送重傳請求，減少重傳請求包的數(shù)量。接收端需要反饋額外的消息（如NACK）或重傳請求等給發(fā)送端，實現(xiàn)信息的交互。該方法比較容易實現(xiàn)，且靈活性較好。

文獻[10]中為連續(xù)媒體（CM）傳輸提出一種選擇性重傳錯誤控制方案。實驗結(jié)果表明，在相同的條件下，只選擇重傳重要數(shù)據(jù)包可以使幀率得到顯著的改善。

（2）基于發(fā)送端的選擇性重傳方法

基于發(fā)送端的選擇性重傳方法，接收端只需對丟失包反饋 NACK等簡單信息，而由發(fā)送端決策重傳哪些數(shù)據(jù)包。發(fā)送端選擇重傳可以減少不必要的重傳數(shù)據(jù)包，降低網(wǎng)絡擁塞發(fā)生的概率等。

árpád Huszák[11]提出多媒體流發(fā)送端控制且面向播放時間的選擇性重傳方法，其突出特點是可以減少不必要的重傳包。

（3）接收端和發(fā)送端聯(lián)合決策方法

收發(fā)端聯(lián)合決策的方法具有多樣性和靈活性，一方面可以聯(lián)合多種選擇性重傳原理，一方面均衡了收發(fā)端的承載能力?？梢栽诮邮斩诉x擇重傳重要數(shù)據(jù)包，發(fā)送端根據(jù)往返時間（RTT：Round-Trip-Time）及死亡時間（數(shù)據(jù)包的播放時間,deadline）來決定是否重傳；也可以在接收端先判斷死亡時間決定請求重傳，發(fā)送端依據(jù)數(shù)據(jù)重要性選擇重傳。該方法與單端決策的方法相比，系統(tǒng)性能提高了，設備復雜度較小，并能自適應網(wǎng)絡狀況的變化，避免擁塞發(fā)生和改善傳輸數(shù)據(jù)質(zhì)量。

文獻[12]中給出了一種重傳決策的邏輯結(jié)構(gòu)。

3.2 基于內(nèi)容優(yōu)先級的選擇性重傳

由于視頻壓縮技術的應用，不同的數(shù)據(jù)包對數(shù)據(jù)重建質(zhì)量的影響不同，基于內(nèi)容優(yōu)先級的選擇性重傳方法是針對視頻數(shù)據(jù)的重要性，或者接收端數(shù)據(jù)解碼對重建視頻質(zhì)量的影響度進行數(shù)據(jù)分類。每個包根據(jù)其內(nèi)容重要性分配優(yōu)先級，優(yōu)先級較高的包比優(yōu)先級低的包優(yōu)先傳輸。

基于優(yōu)先級的選擇性重傳不需要重傳所有的丟失數(shù)據(jù)包，可以節(jié)省網(wǎng)絡帶寬資源，減少延時，有效恢復丟失的數(shù)據(jù)包，提高視頻質(zhì)量。內(nèi)容優(yōu)先級需要和死亡時間等因素聯(lián)合考慮以達到更好的性能[13]。

3.3 基于網(wǎng)絡狀態(tài)的選擇性重傳

網(wǎng)絡性能變化可能導致傳輸時延變大或者丟包率增加等，基于網(wǎng)絡狀態(tài)的選擇性重傳方法，根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)的變化選擇重傳數(shù)據(jù)包，放棄重傳無效的包。

（1）基于丟包的重傳方法

Piecuch[14]提出根據(jù)多媒體應用最大允許時延和最大允許丟包率設計了選擇性請求重傳協(xié)議（SRP, Selective ARQ transmission Protocol）。SRP協(xié)議利用兩種決策算法決定是否需要重傳丟失的包：平等損失延遲算法（ELL，Equal Loss Latency）和最佳質(zhì)量算法（OQ,Optimum Quality）。當檢測到一個丟包時，ELL依據(jù)丟包時的估計平均丟包率和時延率之差的絕對值決定是否重傳；而 OQ依據(jù)丟包時的估計平均丟包率和時延率之和選擇重傳丟失包。

該算法控制了多媒體應用的丟包和時延之間的平衡，可以提高傳輸?shù)耐掏铝?，但時延比較長，可以利用內(nèi)容選擇重傳補償該缺點。

（2）基于時延的重傳方法

時延決策方法主要依據(jù)死亡時間和 RTT選擇重傳那些可以在播放時間之前到達接收端的數(shù)據(jù)包。該方法可以避免不必要的重傳，減輕網(wǎng)絡負擔，從而避免傳輸時延增大。

Huszák[15]根據(jù) RTT和播放緩存時延（TBD：Transmit Buffer Delay）來決定選擇性重傳。如圖3，Tbd表示播放緩存時延，t1表示發(fā)送時刻，t0表示發(fā)送端收到請求重傳包時刻。

圖3 往返時間與緩存時延

當接收到一個重傳請求，發(fā)送端決定是否重傳。該決策算法要求重傳包至其播放時刻的剩余時間大于單向網(wǎng)絡時延即可重傳成功。這種方法適應網(wǎng)絡狀況的變化，減少了不必要的重傳，尤其是網(wǎng)絡時延很長的情況；視頻質(zhì)量在適當?shù)牟シ啪彺鏁r延下可以得到較大的改善，甚至恢復初始視頻質(zhì)量。

（3）基于信道帶寬的重傳方法

如果在解碼端用誤碼掩蓋能很好地恢復視頻質(zhì)量的情況下則不必要重傳丟失包，因此文獻[10]為了進一步提高信道帶寬的利用率，提出了聯(lián)合使用誤碼掩蓋技術的選擇性重傳方法。這里利用率失真(R-D)框架結(jié)構(gòu)（a Rate-distortion Framework）分析其應用，用均方誤差（MSE）計算僅使用誤碼掩蓋時的失真率（DCE），和給定的極限值T以及信道條件比較決定是否需要重傳丟失的數(shù)據(jù)包。當DCE＜T并且信道條件差時不需要重傳該丟失包，一方面因為誤碼掩蓋可以起很好的作用，另一方面信道條件差可能導致重傳再次出錯。但是相比較無錯傳輸誤碼掩蓋降低了解碼效率，增加了質(zhì)量損毀。因此在DCE＜T但信道條件好的情況下，仍然值得重傳該丟失包。當DCE＞T時不管信道條件如何都要求重傳該包。

總的來說，基于網(wǎng)絡狀態(tài)選擇重傳方法可以適應網(wǎng)絡的變化，減輕網(wǎng)絡的負擔，避免擁塞事件。還可以提高帶寬資源的利用率，增加傳輸?shù)耐掏铝?。在視頻傳輸過程中，起到了提高傳輸效率以及保證視頻質(zhì)量的作用，但準確評估時變網(wǎng)絡狀態(tài)比較困難。

4 結(jié)語

選擇性重傳方法的一個關鍵問題是什么時候重傳，選擇重傳哪些內(nèi)容，如何進行重傳。選擇重傳的目的是提高視頻信號傳輸質(zhì)量和滿足用戶終端的需求，所以該類問題需要聯(lián)合時變的網(wǎng)絡環(huán)境、解碼端恢復視頻的主觀質(zhì)量、用戶終端的不同需求等因素來調(diào)整視頻數(shù)據(jù)傳輸策略，保證用戶需求的視頻質(zhì)量最大化。時變的網(wǎng)絡環(huán)境會導致丟包和時延增加，在視頻通信中，高效的壓縮視頻數(shù)據(jù)傳輸對丟包事件比較敏感；實時視頻傳輸對時延要求較高，接收端延時到達的數(shù)據(jù)包被認為是丟失包而忽略。因此視頻選擇重傳方法需要考慮網(wǎng)絡狀態(tài)，來減小丟包和時延對視頻通信的影響。解碼端恢復視頻的主觀質(zhì)量直接反映了視頻傳輸?shù)男阅?，獲得良好的恢復視頻主觀質(zhì)量是研究視頻傳輸?shù)闹饕康摹Ａ硗?，用戶終端的不同需求也是視頻質(zhì)量的一個限定因素。而各種差錯控制方法如選擇重傳等都是為了達到用戶終端的視頻質(zhì)量需求服務的，因此可以利用視頻主觀質(zhì)量客觀化模型評估視頻質(zhì)量，并采取適當?shù)倪x擇重傳方法，滿足用戶需求。

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