CN101053215A - 用于在QoS使能的WLAN上传输分层视频的系统和方法 - Google Patents

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CN101053215A CNA2005800379568A CN200580037956A CN101053215A CN 101053215 A CN101053215 A CN 101053215A CN A2005800379568 A CNA2005800379568 A CN A2005800379568A CN 200580037956 A CN200580037956 A CN 200580037956A CN 101053215 A CN101053215 A CN 101053215A
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Abstract

公开了一种用于在服务质量(QoS)使能的无线局域网(WLAN)上传输分层视频的系统和方法，其中流量控制层(614)被利用来当无线网变得拥挤时从具有基本层(BL)分组(608)和增强层(EL)分组(610)的多层可变速率(VR)视频流中丢弃增强层(EL)分组(610)。示例的系统包括编码器(602)，适用于接收视频数据和把视频数据编码成包括基本层BL分组(608)和增强层EL分组(610)的视频比特流；流量控制层(612)，由此与视频流有关的一个或多个所述增强层EL分组(610)可以取决于无线媒体的状态按需要被丢弃；调度器(SE)(614)，用于调度分组；以及MAC层(616)，用于准备视频流以便通过空中传输。

Description

用于在QoS使能的WLAN上传输分层视频的系统和方法
本发明总的针对通信系统。更具体地，本发明针对用于在服务质量(QoS)使能的无线局域网(WLAN)上传输分层视频数据的系统和方法。
诸如机顶盒、高端电视、数字电视、个人电视、存储器产品、个人数字助理(PDA)、无线互联网设备等那样的高质量多媒体设备的开发导致各种各样的结构和对这些设备的更多新特性的公开。这些新的多媒体产品的开发保证大众将继续增加其对于多媒体服务的要求。网络设计师和工程师所以继续设计这样的系统，所述系统能够满足对于通过综合网络的实时和非实时多媒体传输的增加的要求。
近年来，IEEE 802.11无线局域网(WLAN)作为用于移动/便携设备(室内)宽带无线接入的流行技术脱颖而出。IEEE 802.11工作组最新开发了802.11e，是对于802.11媒体接入控制(MAC)的补充以支持Qos，通过在无线局域网(WLAN)上实现诸如语音和视频服务的应用来扩展802.11应用领域。IEEE 802.11e标准提供了在家庭、企业、和公共接入联网环境下无缝互操作性，同时仍旧提供了满足每种类型网络的独特需要的特性。不像其它无线倡议，IEEE 802.11e是通过把QoS特性和多媒体支持添加到现有的IEEE 802.11标准并同时保持与传统的标准的完全后向兼容性而进入家庭和商业环境的第一个无线标准。
对于多媒体业务的QoS支持，对于其中话音、音频和视频是通过多个联网的家庭电子设备和个人计算机传递的无线家庭网络来说是关键的。宽带业务供应商把QoS和多媒体能力家庭网看作是为住宅客户提供诸如视频点播、音频点播、IP语音和高速互联网接入的增值服务的重要的组成部分。
在802.11e中，其特征为数据业务流(例如，数据速率、分组大小、延时、抖动、服务间隔等等)的流量规范(TSPEC)被利用作为信令机制，来向接入点(AP)表示预期的无线联网业务的类型。这些业务流被传递到受QoS参数控制的AP。在同级调度器与MAC层之间的TSPEC协商提供用于控制业务流的许可、建立、调节和去除的机制。业务流的许可控制是特别重要的，因为在无线媒体中可得到的是有限的带宽。带宽接入必须被控制，以避免业务拥挤，这往往导致破坏已建立的QoS以及总吞吐量的急剧恶化。
在视频数据的无线传输中，视频信号的分级表示包含基本层(BL)分组和多个增强层(EL)分组。BL分组提供了基本的质量水平，它可以独立于增强层EL分组被译码。而增强层EL分组仅仅用来改进基本层BL分组的质量，并且单独是无用的。因此，因为基本层BL分组代表分级表示的最关键的部分，所以利用分层表示的流应用的性能对于BL分组的丢失是敏感的。
包括视频编码器的无线发射机生成具有基本层BL分组和增强层EL分组的多层可变速率(VR)视频流，基本层BL分组包含对于译码是关键的数据，增强层EL分组包含改进视频输出的质量的数据。分组帧被顺序地传输，其数目取决于可变信道条件。为了可得到分组用于译码，一帧的分组必须在该帧的预定译码时间到达接收机以被译码。因此，有一个临界时间，在此时间后，一帧的任何未传输的分组可被丢弃，这是因为它们将不会在预定的帧译码时间内到达接收机/译码器。
传统的TSPEC机制允许传输可变速率VR视频流。然而，这样的TSPEC机制没有规定如果无线网不能(由于错误)兑现协商的服务水平何时不准许(de-admit)或丢弃应用。例如，TSPEC没有规定在单组分组丢失时与两个或多个分组丢失时之间确定何时不准许数据业务流。因此，由于在无线媒体中不可能保证(在绝对的意义下)通信信道保持为无错误的，且由于当残余误差是零时同样不可能规定分组错误率的合理上限，所以如果分组丢失的话，调度器和MAC层的性能不能完全地规定。这意味着，由于至少某些调度器/MAC层可能不准许不能提供必需的QoS的某些业务流，因此不同的实施方案将不同地工作。
所以在技术上需要一种与现有的TSPEC机制合作的设备和方法，以便保持在不可靠的无线信道上的分层视频传输连接。
本发明通过提供这样一种机制来解决上述需要和克服与在不可靠无线信道上的分层视频数据传输有关的其它不利条件和/或缺点，所述机制使用802.11中现有的TSPEC信令以及流量控制算法来实现存在时变信道时的灵活性并利用分层表示来提高总的图像质量。在本发明的说明性实施例中，流量控制用来丢弃在帧译码时间之前未达到接收机以供译码的增强层EL分组。因此，分组调度器然后可以调度基本层BL分组和剩余的增强层EL分组用于传输，而不需要确定业务流是否由于QoS不适当而应当不被准许。因此，按照本发明的有利的特性，流量控制特性提供用于在不可靠的无线信道上有效地传输分层视频数据的手段。
按照本发明的说明性方面，提供了用于在QoS使能的无线局域网上传输分层视频的方法，其中利用流量控制层以当无线网变得拥挤时，从具有基本层BL分组和增强层EL分组的多层可变速率VR视频流中丢弃增强层EL分组。按照本发明的另一个示例性方面的系统包括：编码器，所述编码器适用于接收视频数据和把视频数据编码成具有基本层BL分组和增强层EL分组的视频比特流；流量控制层，由此与视频流有关的一个或多个增强层EL分组可以按需要被丢弃，这取决于无线媒体的状态；调度器SE，用于调度所述分组；以及MAC层，用于准备视频流，用于通过空中传输。
通过参照下面本发明的示例性实施例的详细说明，将明白本发明的附加的和/或替换的方面、特性和优点。
为了更好地了解本发明，将结合附图参考以下的详细说明，其中：
图1示意地显示无线局域网(WLAN)的示例性现有技术的扩展服务集；
图2示意地显示现有技术开放系统互联(OSI)网络的七层；
图3示意地显示用于IEEE 802.11e QoS数据的示例性现有技术帧格式；
图4示意地显示用于IEEE 802.11e流量规范单元的示例性现有技术帧格式；
图5示意地显示QoS无线站的示例性现有技术结构；以及
图6示意地显示按照本发明的系统和方法的示例性实施例。
参照图1，示意地显示了无线局域网(WLAN)的现有技术示例性扩展服务集100。所示出的扩展服务集100包括主机110、分布系统120、第一服务质量(QoS)基本服务集(QBSS)130、和第二服务质量(QoS)基本服务集(QBSS)140。典型的QBSS 130，140包括多个无线QoS站(QSTA)150，所述无线QoS站利用同一个媒体接入控制(MAC)协议，并为到同一个共享媒体的接入而竞争。每个QBSS 130，140可被隔离或可操作地连接到分布系统120。
如图1所示，每个QBSS 130，140通过服务质量(QoS)接入点(QAP)160被连接到分布系统120。QAP 160是可操作连接到分布系统120的无线QoS站。QAP 160传统上作为在QBSS 130，140与分布系统120之间的桥路工作。QBSS 130，140的MAC协议可以经由在QBSS 130，140的QAP 160内的中央协调功能被完全地分布和/或控制。
现在参照图2，图上示意地显示现有技术开放系统互联(OSI)网络的七个层。这些层中的每个层在本领域是熟知的，包括在此以供参考。第一层是物理层200。物理层200是OSI模型的初始层，它作为比特流或二进制级别工作。物理层200聚焦在通过和处在实际的物理网络结构中的电脉冲和射频信号。第二层是数据链路层210。数据链路层210传统上负责分组处理，具体地，关于比特级别分组编码和译码的分组处理。数据链路层210还处理有关物理层200的错误检验的方面和传输协议知识。数据链路层210被划分成两个子层，媒体接入控制层(MAC层)和逻辑链路控制层(LLC层)，媒体接入控制层(MAC层)控制对于在层上行进的数据的接入和许可限制，逻辑链路控制层(LLC层)负责帧同步、流量控制和错误检验。第三层是网络层220。网络层220负责网络内数据的引导和移动。第四层是运输层230。运输层230主要负责保证在终端系统与主机之间的完全和有效的数据移动。第五层是会话层240。会话层240管理和协调在与网络交互的不同应用和它的数据之间的连接。第六层是表示层250。表示层250主要负责进入的和输出的数据的精确的解译和显示。最后，第七层是应用层260。应用层260负责提供对于终端用户处理的支持(例如，解决服务质量的问题)。
图3示意地显示用于IEEE 802.11e服务质量(QoS)数据的现有技术帧格式300。每个单个QoS数据帧携带有业务标识符(TID)数值，所述标识符数值标识了优先化Qos的帧的优先权或参数化QoS的相应的业务流。为了携带这样的信息，IEEE 802.11e QoS数据帧头部包括两个(2)八位位组的QoS控制字段310。该QoS控制字段310使用四个(4)比特来表示TID数值，还携带了某些其它QoS相关信息。典型地，定义两种类型的QoS动作管理帧来建立、修改和删除业务流。第一种类型包括添加TS请求与应答QoS动作帧，用来建立和/或修改QoS流。第二种类型包括删除TS请求与应答QoS动作帧，用来删除QoS流。每个QoS动作管理帧表示流量规范(TSPEC)信息单元，以传送相应的QoS要求和流量规范。
在图4中示意性显示了用于流量规范(TSPEC)单元的说明性现有技术帧格式。TSPEC单元400包含参数组，所述参数组规定了在具体的无线站(WSTA)情况下支持参数化的QoS业务传送的单向业务流的特性和QoS预期，以供混合协调器(HC)和无线站(WSTA)使用。传统的TSPEC单元信息字段包括图4所示的项。对于参数化的QoS业务的任何具体实例，TSPEC单元400允许参数组远大于可能需要的或可得到的参数组。任何未规定的参数值的字段被设置为零(0)。TSPEC单元的建议的参数包括：用于分组传送的平均比特速率、分组输送的最大允许延时、标称分组大小、分组输送优先权排序、最大分组大小、在峰值速率时最大数据子帧(data burst)大小、最小物理速率、和用于分组传送的最大比特速率。在同级MAC层之间的TSPEC协商提供了用于控制业务流的许可、建立、调节、和去除的机制。在无线媒体中可用带宽有限时，这种业务流许可变得非常重要，以使得业务拥挤最小化，所述的业务拥挤往往导致建立的QoS被破坏以及总的吞吐量的显著恶化。
现在转到图5，图上说明性地显示了服务质量(QoS)无线站(QSTA)的示例性现有技术结构500。如图所示，站管理实体(SME)502从应用层260扩展到物理层200。物理层200，如图所示，由物理层聚合协议(PLCP)504和物理层管理实体(PLME)506代表。媒体接入控制层(MAC层)508位于物理层聚合协议(PLCP)504的上方，MAC层管理实体(MLME)510位于物理层管理实体(PLME)506的上方。MLME 510，如图所示，包括带宽管理器(BM)512和调度实体(SE)514。指定的子网络带宽管理器(DSBM)516位于MLME 510的上方。DSBM 516能够与逻辑链路控制层(LLC层)518、MLME 510、和SME 502通信。LLC层518，如图所示，位于MAC层508的上方。LLC层518包括分类实体(CE)520和流量控制(FC)522。任何的各种各样中间层524可以位于LLC层518的上方。应用层526又位于中间层524上方。MAC层508，如图所示，包括混合协调功能(HCF)528。混合协调功能(HCF)528具有混合协调器(HC)530。MAC层508还包括增强的分布协调功能(EDCF)532。HCF 528和EDCF 532典型地位于QAP 160中。
EDCF 532是基于被称为带有冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)的先听后说协议，其中一个帧可以在收听信道一段随机的时间量后被传输。传统上，CSMA/CA提供了不同的信道接入由较高层标记的不同优先级的帧。由于基于分布竞争的信道接入的特性以及无线媒体的不确定性，EDCF 532不能保证任何严格的QoS。例如，在不可靠无线信道上的分层视频数据的传输中，当无线媒体的容量下降到低于压缩数据的最小比特速率时，某些数据分组将丢失或被丢弃，由此QoS被折衷。即，经由允许可变比特速率VBR视频传输的TSPEC完成的信令不考虑何时不许可应用，何时无线网由于错误而不能兑现协商的QoS。因此，即使一个分组丢失，TSPEC信令也不能确定是否应当不许可应用。因此，某些调度器(例如，SE 514)和MAC层(例如，MAC层508)不能完全规定何时数据分组丢失和/或何时不提供需要的QoS。这意味着，不同的应用将以不能预测的方式工作。
按照本发明的有利特性的系统和方法提供了一种机制，所述机制使用具有流量控制算法的TSPEC来实现存在时变信道时的灵活性并利用分层视频表示来提高总的图像质量。例如，参照图6，说明性地显示示例性流量控制算法600，其中图像/视频编码器602适合于接收视频数据604和把它编码成视频比特流，更优选地，编码成具有帧606的多层可变速率数字视频比特流，帧606具有预定数目的基本层(BL)分组608和预定数目的增强层(EL)分组610。BL分组608优选地包含对于译码是关键的数据，EL分组610优选地包含提高视频质量的数据。
如图所示，每个帧606的分组608，610在接着的帧的分组之前被传输。另外，由于为了具有资格译码每个帧606的分组608，610必须在预定的时间帧(即，帧译码时间)内到达接收机/译码器，以及由于可被传输的分组608，610的数目至少部分地取决于可变的信道条件，因此对于每个帧606，BL分组608优选地在EL分组610之前传输，这样，关键的BL分组608更可能在预定的时间帧内到达，由此保持通信信道。
数据流一旦被编码，就被传送到流量控制(FC)层612，由此视频帧的一个或多个分组可以取决于无线媒体的状态(例如，拥挤或不拥挤)按需要被丢弃，以便保持连接。例如，如图所示，当无线网变为过分拥挤时，FC层612优选地丢弃一个或多个EL分组610。这可以以各种不同的方式被确定，包括例如设置预定的EL和/或BL层缓存器占用率数值(即，在不可靠的无线网中适合于保证有效通信的数值)。因此，如果超过预定的缓存器占用率数值，则按需要丢弃一个或多个EL层，以便保持连接。替换地，EL分组610可以在与BL分组608相隔预定的延时内被传输。预定的延时优选小于总的端到端延时，以便确保如果EL分组610被传输就保证它在预定的时间帧内被接收机/译码器接收到用于译码。
FC层612发送BL分组608和任何剩余的EL分组610到调度器(SE)614，所述调度器优选地调度分组608，610，用于传输到MAC层管理实体(MLME)616。由于SE 614根据通信信道条件调度/传输较少数目的分组，不论通信信道条件如何，调度器优选地不需要丢弃任何分组和/或确定是否不许可应用。MLME 616，如图所示，优选地作为TSPEC接口工作，由此，可以优选地通过空中传输具有修改的最小比特速率618的TSPEC。
在已经规定和描述本发明的各种方面和/或特性后，将会看到，以上描述的实施例以及它的各种方面和特性仅仅是示例性的，本领域技术人员可以作出许多变化和/或修改，而不背离本发明的精神和范围。所有的变化和修改都打算包括在如在所附权利要求书中规定的本发明的范围内。

Claims (19)

1.一种用于在服务质量(QoS)使能的无线局域网(WLAN)上传输分层视频的信令方法，包括以下步骤：提供具有基本层(BL)分组(608)和增强层(EL)分组(610)的多层可变速率(VR)视频流；以及利用流量控制(612)在无线网变得拥挤时丢弃一个或多个EL分组(610)。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：提供调度器(614)；和利用所述调度器(614)调度BL分组(608)和剩余EL分组(610)用于传输。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述流量控制(612)确定何时丢弃一个或多个EL分组(610)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述流量控制操作，以当BL分组(608)与该EL分组(610)的任一项或二者的预定的缓存器占用率超过预定的数值时，丢弃一个或多个EL分组(610)。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述流量控制(612)操作，以当一个或多个EL分组(610)无法在预定的时间间隔内传输时，丢弃所述一个或多个EL分组(610)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述预定的时间间隔从BL分组(608)被发送的时间开始测量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述预定的时间间隔小于帧(606)可供解码的预定的端到端帧延时。
8.一种系统包括：编码器(602)，适用于接收视频数据和把视频数据编码成视频比特流，所述视频比特流具有预定数目的基本层(BL)分组(608)和预定数目的增强层(EL)分组(610)的帧(606)；流量控制层(612)，由此与所述视频流有关的一个或多个所述增强层EL分组(610)可以取决于无线媒体的状态按需要被丢弃；以及调度器(SE)(614)，用于调度所述分组(608，610)。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述视频流是多层可变速率数字视频流。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述编码的视频流从所述编码器(602)经由无线发射机被传输到所述流量控制层(612)。
11.根据权利要求8所述的系统，其中当所述无线媒体变得拥挤时，所述流量控制层(612)丢弃所述一个或多个增强层EL分组(610)。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述基本层BL分组(608)和任何剩余的增强层EL分组(610)从所述流量控制层(612)被发送到所述调度器SE(614)。
13.根据权利要求8所述的系统，其中所述调度器SE(614)调度和传输所述预定的数目的基本层BL分组(608)和小于所述预定的数目的增强层EL分组(610)到MAC层管理实体(MLME)(616)。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述MAC层管理实体MLME(616)作为TSPEC接口工作，由此具有修改的最小比特速率的TSPEC可以通过空中被传输。
15.一种用于在服务质量(QoS)使能的无线局域网(WLAN)上传输分层视频的方法，包括以下步骤：
生成多层可变速率视频流，该多层可变速率视频流具有包括一个或多个基本层BL分组(608)和一个或多个增强层EL分组(610)的视频帧(606)；
把所述多层可变速率视频流传输到流量控制层(612)；以及
利用所述流量控制(612)，通过在无线网拥挤时丢弃所述一个或多个增强层EL分组(610)中的至少一个来修改所述多层可变速率视频流。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：传输所述修改的多层可变速率视频流到调度器(SE)(614)，用于调度所述基本层BL分组(608)和任何剩余的增强层EL分组(610)。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：发送所述调度的分组到MAC层管理实体(MLME)(616)，用于通过空中传输。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述MAC层管理实体MLME(616)作为TSPEC接口工作，由此具有修改的最小比特速率的TSPEC可以通过空中被传输。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述多层可变速率视频流具有减少的最小比特速率字段，从而保持了不可靠的WLAN上的通信信道。
CNA2005800379568A 2004-11-05 2005-11-04 用于在QoS使能的WLAN上传输分层视频的系统和方法 Pending CN101053215A (zh)

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