CN101909208A - 一种适用于cdma2000的视频无线传输控制方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于CDMA2000的视频无线传输控制方法，包括以下步骤：1)采用CDMA2000EVDO作为无线接入方式；2)基于实时传输协议RTP对H.264视频流进行重新封装；3)引入RTCP反馈机制来实现拥塞控制，具体有：3.1)接收端从发送端获取视频数据包；3.2)在接收端采用实时传输协议/实时传输控制协议判断当前网络的状态并以接收端报告的形式反馈给发送端；3.3)发送端通过调整视频分辨率和帧率调整视频发送的传输速率；4)采用点对点互联的模式实现任意设备终端对任意监控点的实时互联。本发明能够有效适用于低带宽、高误码、高延迟的不稳定无线信道中传输实时视频。

Description

一种适用于CDMA2000的视频无线传输控制方法

技术领域

本发明属于无线信号传输技术领域，涉及一种视频无线传输控制方法。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，移动数据业务已获得广泛应用，流媒体视频数据的无线传输开始成为研究的新热点。从此新一代的监控系统也渐渐开始摆脱“线”的枷锁，进入真正的IP监控的时代。

对于目前的无线信道来说，可以用来实现视频传输的压缩标准主要有ISO的MPEG4和ITU-T的H.26X。而最新的H.264编码技术拥有更高的编码效率，更强的容错能力以及更好的网络适应性，同时H.264编码技术还可以通过改变每一帧的量化精度或时间/空间分辨率来适应无线信道的大比特率变化，所以目前情况下H.264压缩标准是无线视频传输的最佳选择。

无线信道由于其自身特点，极易受到外界环境干扰而产生瑞利衰落、多径效应、抖动延迟等。同时无线信道的带宽有限，且波动较大，很难为视频传输等大码流的数据传输提供可靠的服务质量保证。H.264拥有高效的编码算法，视频编码层和网络适配层的分层结构，以及先进的抗误码特性都显示了其优良的网络适应性，但是无线信道的高误码特性仅靠编码层的优化还达不到视频传输的要求。要实现H.264视频的无线传输，还必须引入传输控制、误码控制等策略。

目前的数字视频监控系统中，大部分仍旧使用UDP协议直接传送媒体数据包。UDP协议适用于独立的、网络状况较好的小型视频监控网络，而在网络状况较为复杂、网络带宽等资源受限的情况下，直接利用UDP协议传输媒体流数据就会带来一些问题。由于UDP数据包没有编号，无法提供差错控制，更不能加载媒体流的时间信息。当网络状况不佳时就会出现丢包和抖动，从而不能达到良好的实时传输和播放效果。市面上也有部分视频传输系统使用了提供QoS及差错控制的TCP协议，但是其不适用于存在较大误码的带宽受限的无线信道。TCP协议是通过3次握手来保证数据的正确到达，这种QoS的保障是通过引入冗余信息来换取的。当无线信道突发错误时，TCP协议为了保证数据的正确到达将不断的重发数据包，这样即破坏了视频的实时性同时也会加剧网络的拥塞。

目前视频监控系统主要可以分为模拟和数字两种。模拟监控技术容易提供较好的图像质量，但是其结构模式单一、扩展能力较差、成本高且系统资源的利用率低。数字监控系统相比模拟监控技术拥有更为强大的组网能力、结构灵活、可扩展能力。而传统数字视频监控系统大多是基于C/S(C1ient/Server)构架的，即客户机和服务器结构。C/S构架结构简单，具有固定模式的运行机制，较容易做到QoS。但是随着客户端数量的增加，服务端的负荷会呈指数式的上涨，同时系统稳定性也急剧下降，因此不适合大规模的监控系统。

随着网络技术的飞速发展，人们对监控系统的要求也在不断的变高。C/S结构的网络监控系统已经不再适应社会的需求，现代网络视频监控系统的要求主要有如下五点：易扩展，实时传输，易维护，高效稳定，网络自适应。因此，如何在低带宽、高误码、高延迟的不稳定无线信道中传输实时视频已成为目前的研究重点。

发明内容

为了克服已有视频无线传输控制方法不能适用于低带宽、高误码、高延迟的不稳定无线信道中传输实时视频的不足，本发明提供一种能够有效适用于低带宽、高误码、高延迟的不稳定无线信道中传输实时视频的适用于CDMA2000的视频无线传输控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于CDMA2000的视频无线传输控制方法，所述视频无线传输控制方法包括以下步骤：

1）采用CDMA2000 EVDO作为无线接入方式；

2）基于实时传输协议RTP（Real-time Transport Protocol）对H.264视频流进行重新封装，当有H.264的数据要发送时，获取一个网络提取层NAL（Network Abstraction Lay）单元的数据；如果NAL单元长度小于RTP 的最大传输单元MTU（Maximum Transmission Unit），则打包发送；否则要分包发送，分包发送时判断是否是FU-A的第一个包，是则加FU-A起始包头并发送，否则判断是否是FU-A的最后一个包，是则加FU-A的结束包头并发送，否则加FU-A中间包的包头并发送；判断分包是否完成，是则结束，否则继续分包发送；

3）引入RTP控制协议RTCP（RTP Control Protocol）反馈机制来实现拥塞控制，具体有：

3.1）接收端从发送端获取视频数据包；

3.2）在接收端采用实时传输协议/实时传输控制协议判断当前网络的状态并以接收端报告的形式反馈给发送端，具体过程为：

设定阀值上门限M和阀值下门限N ，当丢包率大于阀值上门限M时，判定此时网络已经过载；当丢包率小于阀值下门限N时，判定此时网络轻载；当丢包率位于阀值下门限N和阀值上门限M之间时，判定网络满载；

3.3）发送端通过调整视频分辨率和帧率调整视频发送的传输速率，所述传输速率R(n)为：

  （1）

其中，

和

为调整比例因子，以保证当网络拥塞后传输速率能尽快地下降，它们通过实验测定；

是

时刻编码器输出码流的速率；

是平滑后的数据；

是最大传输速率，是最小传输速率；

为了在真正拥塞发生时及时调整传输速率，并保证传输速率的平滑，避免出现码率的振荡调节，引入低通滤波器，公式如下：

               (2)

其中，

是

时刻丢包率的估计值，

是

时刻的根据RTCP反馈计算出的丢包率，

(0<<1)是滤波因子，相当于滤波器的截止频率。当前网络带宽的预测值是由前一时刻的预测值、前一时刻RTCP反馈值和滤波因子共同决定，当网络发生拥塞时，

会向

收敛。

4）采用点对点互联的模式实现任意设备终端对任意监控点的实时互联，为了保证视频监控点和客户端的网络透明性，使用点对点互联P2P（Peer-to-Peer）的网络地址转换NAT（Network Address Translation）穿透技术。

作为优选的一种方案：为了减少发送端的计算量，本发明采用基于Gilbert信道吞吐量公式的一个简化模型：

       

             （3）

式中MTU是传输所采用的最大传输单元(字节)，

是丢包率，RTT(Round-Trip Time)是回路往返时间，SendRate为该公式确定的吞吐量(字节/秒)。其中往返时间的计算需要用到RR包中的LSR字段，用当前时间减去LSR可得往返时间RTT。

本发明的技术构思为：该方案主要针对点对点监控系统的应用，采用CDMA2000 EVDO作为无线接入方式，基于实时传输协议RTP对H.264视频流进行重新封装，引入RTCP反馈机制来实现拥塞控制，并采用P2P的模式实现任意设备终端对任意监控点的实时互联。系统可重用性强，扩展性好，既可以作为独立的系统使用，也可以方便地集成到其它应用系统之中，比如视频会议、视频监控系统等。

本发明的有益效果主要表现在：能够有效适用于低带宽、高误码、高延迟的不稳定无线信道中传输实时视频，克服了无线信道高误码、低带宽等不利因素，实现了拥塞控制。

附图说明

图1为无线视频传输分层结构示意图。

图2为RTCP控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种适用于CDMA2000的视频无线传输控制方法，所述视频无线传输控制方法包括以下步骤：

1）采用CDMA2000 EVDO作为无线接入方式；

2）基于实时传输协议RTP对H.264视频流进行重新封装，当有H.264的数据要发送时，获取一个网络提取层NAL单元的数据；如果网络提取层NAL单元长度小于RTP 的最大传输单元MTU，则打包发送；否则要分包发送，分包发送时判断是否是FU-A的第一个包，是则加FU-A起始包头并发送，否则判断是否是FU-A的最后一个包，是则加FU-A的结束包头并发送，否则加FU-A中间包的包头并发送；判断分包是否完成，是则结束，否则继续分包发送；

3）引入RTCP反馈机制来实现拥塞控制，具体有：

3.1）接收端从发送端获取视频数据包；

3.2）在接收端采用实时传输协议/实时传输控制协议判断当前网络的状态并以接收端报告的形式反馈给发送端，具体过程为：

设定阀值上门限M和阀值下门限N ，当丢包率大于阀值上门限M时，判定此时网络已经过载；当丢包率小于阀值下门限N时，判定此时网络轻载；当丢包率位于阀值下门限N和阀值上门限M之间时，判定网络满载；

3.3）发送端通过调整视频分辨率和帧率调整视频发送的传输速率，所述传输速率R(n)为：

  （4）

其中，和

为调整比例因子，以保证当网络拥塞后传输速率能尽快地下降，它们通过实验测定；

是

时刻编码器输出码流的速率；

是平滑后的数据；是最大传输速率，

是最小传输速率；

为了在真正拥塞发生时及时调整传输速率，并保证传输速率的平滑，避免出现码率的振荡调节，引入低通滤波器，公式如下：

               (5)

其中，

是时刻丢包率的估计值，

是

时刻的根据RTCP反馈计算出的丢包率，

(0<

<1)是滤波因子，相当于滤波器的截止频率。当前网络带宽的预测值是由前一时刻的预测值、前一时刻RTCP反馈值和滤波因子共同决定，当网络发生拥塞时，

会向

收敛。

为了减少发送端的计算量，本发明采用基于Gilbert信道吞吐量公式的一个简化模型：

       

             （6）

式中MTU是传输所采用的最大传输单元(字节)，

是丢包率，RTT(Round-Trip Time)是回路往返时间，SendRate为该公式确定的吞吐量(字节/秒)。其中往返时间的计算需要用到RR包中的LSR字段，用当前时间减去LSR可得往返时间RTT。

4）采用点对点互联的模式实现任意设备终端对任意监控点的实时互联，为了保证视频监控点和客户端的网络透明性，使用P2P的NAT穿透技术。

本发明的整个设计如图1所示，本发明将视频序列分成条带划分，再对数据进行分割，最后细分为NAL单元，采用CDMA2000 EVDO作为无线接入方式，基于实时传输协议RTP对H.264视频流进行重新封装，引入RTCP反馈机制来实现拥塞控制，并采用P2P的模式实现任意设备终端对任意监控点的实时互联。

本发明采用了具有ARM和DSP双核的处理器GM8180，其中ARM核心负责操作系统的运行和外围设备的协调，DSP则独立负责H.264的视频编码。经过GM8180编码出来的H.264数据是NAL单元格式的。为了使整个系统拥有更好的鲁棒性，本项目将视频压缩模块和RTP组包模块分为2个独立的进程来实现。由于本系统硬件资源有限，所以选择System V IPC的共享内存来实现进程间的通信。鉴于传输的视频数据量较大，采用拥有更高压缩比的第二代压缩技术的H.264算法来进行视频压缩。

本发明中经过H.264编码后的数据以每2帧为一个单位，按照NAL字节流的格式通过共享内存的方式传递给RTP发送模块。一个NAL单元流中可以包含一个或者多个编码视频序列，每个编码视频序列都可以独立解码。编码视频序列包含一系列接入单元AU(Access Unit)，而这些AU使用同一个序列参数集SPS（Sequence Parameter Set）。

出于从低带宽传输视频的角度考虑并兼顾视频传输的高效性和传输的可控性，网络传输协议在网络层用UDP来实现，而可靠性和可控性就由应用层的RTP/RTCP来完成。对于NALU的长度小于MTU大小的包, 一般采用单一NAL单元模式。RTP封包的NS-2仿真显示当将RTP的包封到1500时，整体性能明显比500和1000时差。为了提高网络利用率，预先将RTP包的MTU定为1024。在系统完成之后的实测发现，有线网络下RTP包的大小设为1024和512传输性能基本没差别，但使用3G信道时RTP包的大小设为512时的综合传输性能更加优良。

当有H.264的数据要发送时，获取一个NAL单元的数据。如果NAL单元长度小于RTP MTU，则打包发送；否则要分包发送。分包发送时判断是否是FU-A的第一个包，是则加FU-A起始包头并发送，否则判断是否是FU-A的最后一个包，是则加FU-A的结束包头并发送，否则加FU-A中间包的包头并发送。判断分包是否完成，是则结束，否则继续分包发送。

RTP协议是专门为多媒体应用而设计的轻型传输协议，本身不提供QoS服务，也不提供流量统计和拥塞控制，而是借助于RTCP协议实现。RTCP控制流程图如图2所示。接收端将接收到的信息通过RTP/RTCP接收分析进行QoS控制及反馈控制，将RTCP包反馈给发送端，发送端接收并分析接收端反馈的RTCP包，从中获取网络信息，包括丢包率、抖动、延迟、接收到的最大序列号等。以此估计当前网络状态，制定流量控制策略，调整传输码率。

当网络发生拥塞时，RTCP的报文会受到不同程度的影响。所以，单纯依靠RTCP的发送者报告SR和接收者报告RR报文信息中解读出的丢包率去评估网络状况并不合理。同时，由于3G无线网络极易受外界干扰，远近效应、小尺度衰落等都会导致丢包率的波动，突然达到一个峰值然后马上又恢复正常。这种状况下其实网络并没有发生拥塞，不需要调整发送速率。如果仅把瞬时的丢包率作为对发送端调整输出码率的依据，往往会造成对发送端输出码率的振荡调节，输出码率呈正弦波振荡。这种平凡的负反馈调节对于带宽有限的3G网络和资源有限的嵌入式系统都是极大的负担。为了解决这个问题，可以采用延迟决策或引入一个低通滤波器。以便在真正拥塞发生时及时调整传输速率，并保证传输速率的平滑，避免出现码率的振荡调节。引入的低通滤波器的公式如下：

               (7)

其中，

是

时刻丢包率的估计值，

是

时刻的根据RTCP反馈计算出的丢包率，

(0<

<1)是滤波因子，相当于滤波器的截止频率。当前网络带宽的预测值是由前一时刻的预测值、前一时刻RTCP反馈值和滤波因子共同决定，当网络发生拥塞时，

会向

收敛。

经过滤波的丢包率数据能更好的反映网络的实际情况，从而有效调整视频数据的发送模式。经过NS-2网络仿真证明，EVDO信道带宽可以实现QCIF 30帧每秒的H.264视频，和CIF 6帧的H.264视频，而30帧的CIF图像将会出现较严重的马赛克。所以默认可以按照30帧QCIF或6帧CIF文件，在网络状况较好的情况下可以使用CIF画质并逐渐提升帧率，但是如果网络出现了拥塞可以改为QCIF画质并逐渐下调帧率。

目前码率控制算法中，基于AIMD(additive increase and multiplicative decrease)即加性增乘性减算法，由于其较小的计算复杂度得到了广泛的应用。当网络空闲时，线性增加发送的码率；而当网络拥塞时，则乘性快速减小发送速率。

      （8）

其中，

是门限误码率，

是加性增长指数，

是乘性衰减指数，

，。MaxRate是网络带宽所能承受的最大发送速率，MinRate是用户能接受的最小发送速率。

此算法的计算量较小，但是由于是线性算法，所以不能对快速变化的无线网络提供较好的适应性和快速收敛性。如果常数

和

设定得太大，虽然可以增强收敛特性，但发送速率的抖动也会同时变大，从而加剧网络的拥塞；如果设定得太小，发送速率就不能快速向实际带宽快速收敛，不利于网络带宽利用率的提高。为了减少发送端的计算量，本发明采用基于Gilbert信道吞吐量公式的一个简化模型：

            (9)

式中MTU是传输所采用的最大传输单元(字节)，

是丢包率，RTT(Round-Trip Time)是回路往返时间，SendRate为该公式确定的吞吐量(字节/秒)。其中往返时间的计算需要用到RR包中的LSR字段，用当前时间减去LSR可得往返时间RTT。发送端根据B(P)调整编码器输出码率。

由于3G无线信道容易受到外界干扰而导致网络堵塞，本发明由于引入了RTCP反馈机制，在网络出现堵塞后会降低视频发送的帧率从而保证视频的实时传输。

Claims (2)

1.一种适用于CDMA2000的视频无线传输控制方法，其特征在于：所述视频无线传输控制方法包括以下步骤：

1）采用CDMA2000 EVDO作为无线接入方式；

2）基于实时传输协议RTP对H.264视频流进行重新封装，当有H.264的数据要发送时，获取一个网络提取层NAL单元的数据；如果网络提取层NAL单元长度小于RTP 的最大传输单元MTU，则打包发送；否则要分包发送，分包发送时判断是否是FU-A的第一个包，是则加FU-A起始包头并发送，否则判断是否是FU-A的最后一个包，是则加FU-A的结束包头并发送，否则加FU-A中间包的包头并发送；判断分包是否完成，是则结束，否则继续分包发送；

3）引入RTCP反馈机制来实现拥塞控制，具体有：

3.1）接收端从发送端获取视频数据包；

3.2）在接收端采用实时传输协议/实时传输控制协议判断当前网络的状态并以接收端报告的形式反馈给发送端，具体过程为：

设定阀值上门限M和阀值下门限N ，当丢包率大于阀值上门限M时，判定此时网络已经过载；当丢包率小于阀值下门限N时，判定此时网络轻载；当丢包率位于阀值下门限N和阀值上门限M之间时，判定网络满载；

3.3）发送端通过调整视频分辨率和帧率调整视频发送的传输速率，所述传输速率R(n)为：

所述传输速率R(n)为：

  （1）

其中，

和

为调整比例因子，以保证当网络拥塞后传输速率能尽快地下降，它们通过实验测定；是

时刻编码器输出码流的速率；

是平滑后的数据；

是最大传输速率，

是最小传输速率；

引入低通滤波器，公式如下：

               (2)

其中，

是

时刻丢包率的估计值，

是时刻的根据RTCP反馈计算出的丢包率，

是滤波因子，0<

<1，相当于滤波器的截止频率；当前网络带宽的预测值是由前一时刻的预测值、前一时刻RTCP反馈值和滤波因子共同决定，当网络发生拥塞时，

会向收敛；

 4）采用点对点互联的模式实现任意设备终端对任意监控点的实时互联。

2.如权利要求1所述的一种适用于CDMA2000的视频无线传输控制方法，其特征在于：在所述步骤3）中，采用基于Gilbert信道吞吐量公式的简化模型：

       

             （3）

式中，MTU是传输所采用的最大传输单元，是丢包率，RTT是回路往返时间，SendRate为该公式确定的吞吐量，其中回路往返时间RTT的计算需要用到RR包中的LSR字段，用当前时间减去LSR可得RTT往返时间RTT。

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