面向視頻承載的傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)展策略探討

田豐灃 杜清軍

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面向視頻承載的傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)展策略探討

田豐灃 杜清軍

中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司四川分公司，四川 成都 610036

針對(duì)以TCP/IP傳輸協(xié)議與分組交換為技術(shù)基礎(chǔ)的internet來講，其實(shí)為一種僅提供Best-Effort的典型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。帶寬隨著時(shí)間與位置的變化而發(fā)生改變，因擁塞而造成抖動(dòng)、傳輸延遲及分組丟失難以避免。在internet上，為了能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量、有效性視頻傳輸，需依據(jù)信道特性，進(jìn)行編碼器接口及網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，也就是信源信道聯(lián)合編碼（JSCC）?；趇nternet視頻傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，探討了面向視頻承載的傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)展策略。

視頻傳輸；視頻承載；傳輸網(wǎng)絡(luò)；信源信道聯(lián)合編碼

伴隨計(jì)算機(jī)處理能力的不斷提高以及internet帶寬的持續(xù)增長，以流媒體傳輸為基礎(chǔ)的視頻應(yīng)用得到多元化、長足發(fā)展，比如遠(yuǎn)程醫(yī)療、交互式視頻服務(wù)、遠(yuǎn)程教學(xué)等?；趇nternet進(jìn)行視頻流的傳輸技術(shù)，已成為當(dāng)前開發(fā)與研究的重心。就視頻流傳輸而言，其在穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性方面有著比較嚴(yán)格的要求。為了能夠在internet上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量視頻傳輸，需探究基于視頻承載的傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)展策略。

1 internet視頻傳輸系統(tǒng)淺析

internet視頻流傳輸主要包含兩部分：一是視頻編碼；二是通信協(xié)議設(shè)計(jì)。

1.1 視頻編碼

視頻編碼的一個(gè)主要目的就是一定重構(gòu)質(zhì)量的前提下，以盡可能少的比特?cái)?shù)，來表示視頻信息[1]。就第一代視頻編碼技術(shù)而言，其基礎(chǔ)為香農(nóng)信息論。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)概率模型對(duì)信源進(jìn)行描述，通常選用熵編碼、像素塊正交變換以及補(bǔ)償技術(shù)，消除視頻數(shù)據(jù)存在的冗余情況。能夠代表視頻編碼方向的是以內(nèi)容為基礎(chǔ)的第二代編碼技術(shù)。第二代編碼技術(shù)關(guān)心的是怎樣消除內(nèi)容的冗余。這是現(xiàn)階段視頻編碼最活躍的領(lǐng)域，并且在基于對(duì)象的壓縮標(biāo)準(zhǔn)MPEG4中，得到了比較好且全面的體現(xiàn)。但需要指出的是，這項(xiàng)技術(shù)仍然不夠成熟與完善。此外，為了使壓縮比特流在具體的健壯性方面變得更好，需根據(jù)實(shí)際情況及需要，借助增加校驗(yàn)位等方式，來達(dá)到提高碼流抗誤碼質(zhì)量與能力的目的[2]。

1.2 多媒體網(wǎng)絡(luò)的基本通信協(xié)議分析

在當(dāng)前比較發(fā)達(dá)的internet上，要想更高效、更全面地完成視頻傳播，需要始終秉持如下通信協(xié)議：基于會(huì)話層所制定的諸如RTSP等實(shí)時(shí)流協(xié)議；基于傳輸層架構(gòu)下所制定的諸如UDP等協(xié)議；基于網(wǎng)絡(luò)層所制定的IP協(xié)議等。IP借助internet技術(shù)，能夠根據(jù)實(shí)際情況及需要，傳送基于UDP數(shù)據(jù)包架構(gòu)體系下的公共平臺(tái)。UDP是一種比較典型的低層傳輸協(xié)議，不僅被用來傳送RTP、RTCP數(shù)據(jù)包，而且還用來傳送RTSP、SIP等數(shù)據(jù)包。但需要指出的是，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，傳輸層協(xié)議的選擇為其核心所在。與TCP協(xié)議處于對(duì)應(yīng)狀態(tài)的重傳機(jī)制，會(huì)引發(fā)一定程度的延遲。此影響與趨勢(shì)，不利于甚至還會(huì)阻礙流數(shù)據(jù)的高效傳輸，所以傳輸層一般情況下在選擇協(xié)議上，會(huì)選擇沒有連接的UDP協(xié)議。此協(xié)議在實(shí)施數(shù)據(jù)包方面，難以得到保障，而且還很難保證傳輸?shù)目煽啃?，因此?yīng)采用更加實(shí)用的RTP/RTCP協(xié)議，提供更能滿足實(shí)際需要的丟包檢測(cè)[3]。

2 以視頻承載為對(duì)象的傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)展策略

2.1 擁塞控制策略

2.1.1 設(shè)計(jì)原則

網(wǎng)絡(luò)擁塞會(huì)給internet視頻通信技術(shù)造成比較大的影響，而且影響因素也比較多樣。網(wǎng)絡(luò)擁塞在實(shí)際操作中，除了會(huì)減少信道具體的吞吐量外，還會(huì)造成不同程度的分組丟失及延遲增長等狀況。對(duì)此，需采取切實(shí)有效的措施，限制網(wǎng)絡(luò)載荷，控制擁塞。

擁塞控制策略需要能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓叫耘c平穩(wěn)性提供保障，盡可能地提升視頻流傳輸?shù)姆?wù)水平與質(zhì)量。傳統(tǒng)的TVP協(xié)議經(jīng)常運(yùn)用的擁塞控制方法為：快速恢復(fù)、擁塞避免、慢啟動(dòng)等。由于TCP的面向連接與重傳機(jī)制，會(huì)引入較大延遲不適合流數(shù)據(jù)傳輸，因此通常在視頻傳輸上，會(huì)選用面向視頻承載或無連接的UDP協(xié)議。UDP協(xié)議在具體的編制上，并沒有專門設(shè)置擁塞控制機(jī)制，因此在實(shí)際操作中，在減少寬帶時(shí)，UDP發(fā)送的數(shù)據(jù)并不會(huì)隨之減少[4]。所以TCP流與UDP流之間存在著比較明顯的不公平。在應(yīng)用實(shí)時(shí)視頻時(shí)，應(yīng)采用一定的擁塞控制策略，以此來實(shí)現(xiàn)TCP友好性，使TCP數(shù)據(jù)流和UDP數(shù)據(jù)流公平地共享帶寬。

2.1.2 判別網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

評(píng)估網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)主要有兩種方法：一是探察；二是以模型為基礎(chǔ)。就前者而言，發(fā)送方通過調(diào)整發(fā)送速率探察網(wǎng)絡(luò)寬帶；就丟包率而言，其與某個(gè)丟包極限相比較，存在偏低情況時(shí)便可以根據(jù)實(shí)際需要，以發(fā)送速率為對(duì)象，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。基于模型的擁塞，通過TCP連接吞吐量，計(jì)算模型并估計(jì)帶寬，在微觀上可模仿TCP并進(jìn)行速率控制，因而具有TCP友好性。此外，基于模型的擁塞還能最大限度規(guī)避AIMD算法造成的瞬時(shí)流量波動(dòng)。

2.2 差錯(cuò)控制策略

2.2.1 重傳ARQ

ARQ技術(shù)的基礎(chǔ)是重新發(fā)送丟失的分組，借助RTCP報(bào)告分組，得到丟失分組的序號(hào)。因?yàn)锳RQ技術(shù)是一種在TCP控制機(jī)制中比較常用的方法，會(huì)延遲附加。此延遲等同于發(fā)送方與接收方間的往返時(shí)間（RTT）。現(xiàn)階段，以重傳為基礎(chǔ)的差錯(cuò)控制方，已經(jīng)得到重大改進(jìn)，僅對(duì)那些在最后期限內(nèi)實(shí)施分組的目標(biāo)進(jìn)行傳送即可[5]。

2.2.2前向糾錯(cuò)FEC

前向糾錯(cuò)借助相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際需要，適當(dāng)?shù)靥砑有ｒ?yàn)塊，在具體的接收端對(duì)一定范圍進(jìn)行糾錯(cuò)[6]。在設(shè)計(jì)FEC時(shí)，對(duì)于此時(shí)的發(fā)送端而言，需以分組丟失為對(duì)象，了解實(shí)際概率，在寬帶利用率以及誤碼校驗(yàn)之間得到平衡。FEC的缺點(diǎn)：即使沒有分組丟失，仍會(huì)含有額外開銷；重構(gòu)丟失的分組也會(huì)引入延遲。

3 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)持續(xù)發(fā)展，在寬帶業(yè)務(wù)方面提出了更多且更嚴(yán)格的要求，發(fā)展日漸趨向智能化與寬帶化。用戶在各種業(yè)態(tài)得到發(fā)展的大背景下，能夠從中享受到更多高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)，如高清視頻點(diǎn)播等。因此面向視頻承載的傳輸網(wǎng)絡(luò)非常重要且十分迫切。在此需求下，應(yīng)規(guī)劃有效且全面的發(fā)展路徑。

[1]葛青，白光偉，沈航，等. 無線網(wǎng)絡(luò)面向視頻傳輸優(yōu)化的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)制[J]. 電子與信息學(xué)報(bào)，2014，36（7）：1706-1712.

[2]曾群，馬斌，高青，等. 面向視頻承載的IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐[J]. 電信技術(shù)，2016（4）：81-84.

[3]田波，蔡述庭，楊宜民，等. 面向無線網(wǎng)絡(luò)的可伸縮視頻編碼傳輸策略[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2016（8）：2467-2469.

[4]張鵬. 面向互聯(lián)網(wǎng)的若干視頻傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 通訊世界，2017（8）：13-14.

[5]唐奮飛. 面向網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)亩嗝襟w技術(shù)研究[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)，2009，5（5）：1209-1210.

[6]鄭科峰. 面向網(wǎng)絡(luò)的立體視頻編碼和傳輸技術(shù)研究[J]. 赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（5）：128-130.

Research on Development Strategy of Transmission Network for Video

Tian Fengfeng Du Qingjun

China Information Consulting and Designing Institute Co., Ltd., Sichuan Branch, Sichuan Chengdu 610036

For the internet based on TCP/IP transmission protocol and packet switching, it is a typical heterogeneous network that only provides best-effort. Bandwidth changes with time and location, and it is difficult to avoid jitter, transmission delay and packet loss due to congestion. On the internet, in order to achieve high quality and effective video transmission, encoder interface and network design should be carried out according to the channel characteristics, that is, joint coding of source channel (JSCC). Based on the structure of internet video transmission system, the paper discusses the development strategy of transmission network for video.

video transmission; video bearing; transmission network; source channel joint coding

TP277

A