CN1859579A - 传输多媒体数据流的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于传输多媒体数据流的设备和方法。所述设备包括：数据源单元，用于输出数据流；帧划分单元，用于根据包括在数据流中的视频帧的类型来划分数据流，并输出划分的数据流；参数控制单元，使用用于控制传输层的参数来选择用于划分的数据流各自的传输控制的参数集；和网络接口单元，使用所述参数集来控制划分的数据流的传输。所述方法包括：根据视频帧的类型来划分数据流；选择用于划分的数据流各自的传输控制的参数集；和使用选择的参数集来控制划分的数据流的传输。

Description

传输多媒体数据流的设备和方法
本申请要求于2005年5月4日在韩国知识产权局提交的第10-2005-0037624号韩国专利申请的优先权，本申请完全公开于此，以资参考。
                         技术领域
本发明涉及多媒体通信，更具体地讲，涉及一种根据网络状态和视频帧的类型来有效地传输多媒体数据流的设备和方法。
                         背景技术
流传输是一种处理将被传输的数据以使得数据传输能够连续不断地进行的技术。由于大多数用户没有快得足以迅速下载大量多媒体文件的互联网连接线，所以随着互联网的发展流传输变得日益重要。当使用流传输时，即使在文件的完全传输结束之前，也可以用客户浏览器或插件来呈现数据。
对于在无线网络上进行的流传输，必须解决以下问题，例如，可变带宽、多径衰减现象、运动、切换、通信量、由于将视频帧打包而引起的部分数据损失以及各种客户装置。
作为一种用于解决以上问题的方法，跨层最优化方法已被提出。跨层最优化方法基于至少两个协议栈之间层信息的交换。
视频流由包括图像信息的帧组成。通常，根据视频压缩方法，所述帧包括各种类型的视频信息。根据运动图像专家组(MPEG)视频压缩方法，使用帧内编码的(I)帧、双向编码的(B)帧和预测编码的(P)帧，I帧不参考其它帧，它包括整个屏幕的信息，B帧包括与前面的帧和/或后面的帧的差异的信息，P帧参考前面的I帧或P帧的信息被编码。I帧大，而B帧或P帧小，并且在发送I帧之间被发送几次。一个I帧以及多个紧跟I帧的B帧和P帧形成图像组(GOP)。
I帧可被置于视频流中的任何地方，其用于随机数据访问，并且对I帧编码不参考其它帧。使用前面的I帧和前面的P帧的信息对P帧编码或解码。使用前面的I帧和后面的I帧以及前面的P帧和后面的P帧对B帧编码或解码。I帧损失影响GOP中的其它B帧和P帧。P帧损失仅影响GOP中的B帧。B帧损失不影响其它类型的帧。
因此，为了在恶劣的信道环境中保持音频/视频(AV)服务的质量，与B帧或P帧相比，I帧的发送成功率应该被提高。然而，在传输控制参数被静态地设置的传统系统中，没有反映MPEG帧的特性。当传输差错发生时，传统的多媒体传输系统以相同的方式处理I帧和其它类型的帧，因而导致服务质量降低。
                         发明内容
本发明提供了一种用于传输多媒体数据流的设备和方法，在该设备和方法中，基于音频/视频(AV)服务中所使用的数据帧的特性，提供了最优的多媒体流传输服务。
本发明还提供了一种用于传输多媒体数据流的设备和方法，在该设备和方法中，在监控媒体访问控制(MAC)层的状态的同时，基于信道的当前状态动态地设置包的传输参数。
根据本发明的一方面，提供了一种用于传输多媒体数据流的设备。该设备包括：数据源单元，被构造为输出多媒体数据流；帧划分单元，被构造为根据包括在多媒体数据流中的视频帧的类型来划分多媒体数据流，并输出划分的多媒体数据流；参数控制单元，被构造为使用用于控制传输层的参数，来选择用于划分的多媒体数据流的各自的传输控制的参数集；和网络接口单元，被构造为使用所述参数集来控制划分的多媒体数据流的传输。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于传输多媒体数据流的方法，该方法包括：根据包括在多媒体数据流中的视频帧的类型来划分多媒体数据流；使用用于控制传输层的参数，选择用于划分的多媒体数据流的各自的传输控制的参数集；和使用选择的参数集来控制划分的多媒体数据流的传输。
                         附图说明
通过下面参照附图对本发明的示例性实施例所进行的详细描述，本发明的上述和其他方面将会变得更加清楚，其中：
图1是根据本发明示例性实施例的用于传输多媒体数据流的设备的方框图；
图2是图1的帧划分单元的方框图；
图3是用于解释在图2的包划分单元中根据帧类型来划分传输流(TS)包的过程的示图；
图4是用于解释图1的参数提取单元的操作的示图；
图5是用于解释图1的参数提取单元的操作的另一示图；
图6是用于解释图1的参数选择单元的构造和操作的示图；
图7是示出根据本发明示例性实施例的用于传输多媒体数据流的方法的流程图；
图8是根据本发明示例性实施例的用于接收多媒体数据流的设备的方框图；和
图9是示出当通过根据本发明示例性实施例的用于传输多媒体数据流的设备和方法来发送预定的视频片段时所使用的带宽总量的曲线图
                      具体实施方式
图1是根据本发明示例性实施例的用于传输多媒体数据流的设备100的方框图。
设备100根据将被发送的视频帧的类型来划分视频帧，在用于发送划分的视频帧的媒体访问控制(MAC)层中对划分的视频帧设置不同的参数，从而即使在信道差错发生时，也能控制所传输的视频流的质量高于某等级。所述等级可以预先确定。更具体地讲，设备100允许通过差别视频帧传输来可靠地发送高优先级的视频帧，在所述差别视频帧传输中，根据视频帧的特性，给视频帧分配不同的优先级，从而允许稳定发送的参数被分配给高优先级的视频帧，而用于在相同带宽中增加高优先级的视频帧所使用的资源比率的参数被分配给低优先级的视频帧。设备100可作为将视频流提供给多个客户机的服务器来操作。
参照图1，设备100包括数据源单元110、帧划分单元120、网络接口单元130和参数控制单元140。
数据源单元110对用于多媒体流传输的多媒体数据编码，并输出数据流。这里，所述数据流可以是包括视频流和音频流在内的MPEG节目流(PS)。PS是为单个节目制定的标准，通过复用音频和视频的打包的基本码流(PES)包并将与节目相关的定时信息载入头来构造PS。
帧划分单元120通过组合包括在数据源单元110提供的数据流中的视频流和音频流来产生一个流，从所产生的流产生传输流(TS)包，根据帧类型划分该TS包，并将划分的TS包输出到网络接口单元130。
更具体地讲，在帧划分单元120使用传输层中所使用的协议以多个TS包为单位构造传输包之后，帧划分单元120根据帧类型划分传输包，并将划分的传输包输出到网络接口单元130。所述协议可以预先确定。例如，当7个TS包包括在一个用户数据报协议(UDP)包中时，包括至少一个指示I帧的TS包的UDP包被分成具有最高优先级的类1。包括至少一个指示P帧的TS包而不包括指示I帧的TS包的UDP包被分成具有次高优先级的类2。仅包括指示B帧的TS包的UDP包被分成具有最低优先级的类3。
网络接口单元130将指示当前传输状态的参数提供给参数控制单元140，并基于由参数控制单元140选择的参数集来控制根据帧类型划分的TS包的发送。所述参数可以是IEEE 802.11a/b/g中用于传输控制的参数，例如，包重发次数、发送功率、前向纠错(FEC)率、包的最大可允许缓冲等待时间信息、包之间的发送延迟抖动或者其它现有技术中已知的这种传输控制参数。例如，当由于包丢失而从客户接收到包重发请求时，网络接口单元130执行与包括在参数控制单元140所选择的参数集中的包重发次数相同次数的重发，从而使用所述参数来执行差别数据传输控制。
在图1中，网络接口单元130包括多个网络接口单元，即，第一网络接口单元131、第二网络接口单元132和第三网络接口单元133，这些网络接口单元独立地发送根据帧类型而分成类1至类3的TS包。在这种情况下，由参数控制单元140选择的各个参数集被提供给第一网络接口单元131、第二网络接口单元132和第三网络接口单元133。第一网络接口单元131、第二网络接口单元132和第三网络接口单元133基于所述参数集所提供的参数来控制TS包的发送，从而允许根据帧类型划分的TS包的差别传输。
网络接口单元130可以不包括多个网络接口单元，而包括单个使用调度技术有差别地发送根据帧类型划分的TS包的网卡。所述调度技术可以预先确定。
参数控制单元140从网络接口单元130接收指示网络的当前状态的参数，根据函数和将被发送的TS包所指示的帧类型来选择参数集，并将所选择的参数集提供给网络接口单元130。所述函数可以预先确定。
更具体地讲，参数控制单元140包括参数提取单元141、参数选择单元142和参数分配单元143。
参数提取单元141接收网络接口单元130提供的参数，提取高于某等级(该等级可以预先确定)的服务质量(QoS)所需的参数元素，用数字表示所提取的参数，并输出作为参数的所有可能的值的组合的参数集。
参数选择单元142基于函数和根据帧类型分类的优先级信息来选择可提供高于特定等级(该特定等级可以预先确定)的QoS的参数集。所述函数可以预先确定。
参数分配单元143将选择的参数集提供给网络接口单元130，网络接口单元130根据所选择的参数集的参数来控制TS包的发送，从而根据帧类型执行差别传输。
稍后将详细描述在参数控制单元140中选择参数集的过程。
图2是图1的帧划分单元120的方框图。
参照图2，帧划分单元120包括复用器122、TS包产生单元124和包划分单元126。
复用器122通过组合包括在由数据源单元110提供的数据流中的视频流和音频流来产生一个流。
TS包产生单元124将所述流分割成MPEG TS包。TS是MPEG系统中视频、音频数据作为单个流被同时发送的标准。TS包括至少一个节目，形成整个流的节目信息、节目时间信息和用于控制整个系统的控制信息包括在其头中。将重试位设置在TS的头中，以重发存在错误的包。
对于TS，PES包被分割成188字节的TS包。可通过包括在TS包的头中的包标识符(PID)来识别从音频和视频PES包获得的TS包。
包划分单元126根据帧类型将TS包分成类1至类3之一，并将分类的TS包分别输出到第一网络接口单元131、第二网络接口单元132和第三网络接口单元133。换句话说，对应于I帧的TS包被分成具有最高优先级的类1，并被输出到第一网络接口单元131；对应于P帧的TS包被分成具有次高优先级的类2，并被输出到第二网络接口单元132；对应于B帧的TS包被分成具有最低优先级的类3，并被输出到第三网络接口单元133。
复用器122和TS包产生单元124对应于应用层，包划分单元126对应于传输层。
图3是用于解释在图2的包划分单元126中根据帧类型来划分TS包的过程的示图。
参照图3，视频流的每个帧包括连续的TS包。为了通过网络发送TS包，对应于传输层的包划分单元126将多个TS包分组，然后通过网络接口单元130发送分组的TS包。图3显示了使用传输层中所使用的UDP根据每个TS包的帧类型将多个TS包划分成包括7个TS包的UDP包的过程。UDP包可包括对应于多种帧类型的TS包。
UDP包A包括对应于I帧的TS包I1至I5以及对应于B帧的TS包B1和B2。应该提高I帧的发送成功率以保持AV服务的质量。因而，当UDP包包括对应于I帧的TS包I1至I5时，UDP包被分为具有最高优先级的类1，然后被发送到第一网络接口单元131。换句话说，包括至少一个对应于I帧的TS包的UDP包被分成类1。
UDP包B包括对应于B帧的TS包B3至B5以及对应于P帧的TS包P1至P4。在这种情况下，由于UDP包B不包括对应于I帧的TS包，而是包括与重要级仅低于I帧的P帧对应的TS包P1至P4，所以UDP包被分成具有次高优先级的类2，然后被发送到第二网络接口单元132。换句话说，包括至少一个对应于P帧的TS包而不包括对应于I帧的TS包的UDP包被分成类2。
尽管没有在图3中示出，但是只包括对应于B帧的TS包的UDP包被分成具有最低优先级的类3，然后被发送到第三网络接口单元133。
图4是用于解释图1的参数提取单元141的操作的示图。
将来自网络接口单元130的参数提供给参数提取单元141，参数提取单元141用数字表示所述参数以用于参数选择，并输出作为参数的所有可能的值的组合的参数集。
参照图4，网络接口单元130所提供的参数可包括包重发次数、发送功率、前向纠错(FEC)率、包的最大可允许缓冲等待时间信息、包之间的发送延迟抖动或者其它现有技术中已知的这种网络参数。如上所述，所述参数可以是IEEE 802.11a/b/g中用于传输控制的参数，但是并不限于这些参数。
参数提取单元141从所述参数中选择至少一个参数，组合所选择的参数的所有可能的值，并输出参数集组M。例如，如图4所示，从网络接口单元130所提供的参数中选择包重发次数、发送功率和FEC率，组合所选择的参数的所有可能的值，并输出参数集m1至mN。在这种情况下，如果mi＝{包重发次数、发送功率、FEC率}，那么参数提取单元141输出包括具有不同值的参数的参数集组M，例如，m1＝{5，0.5，1/2}，m2＝{4，0.4，1/3}等。
此外，如图1所示，当网络接口单元130包括多个网络接口单元时，参数集m1至mN可包括用于控制所述多个网络接口单元中的每个的包传输的参数。例如，当包重发次数为k，发送功率为TX，FEC率为R时，参数集被构造为 m 1 = { ( k 1 , T X 1 , R 1 ) , ( k 2 , T X 2 , R 2 ) , ( k 3 , T X 3 , R 3 ) } , 以便(ki，TXi，Ri)可用作用于控制第i网络接口单元的参数。
图5是用于解释图1的参数提取单元141的操作的另一示图。参照图5，参数提取单元141接收用于控制网络接口单元130的参数A，并从参数A提取影响多媒体传输的参数。如图5所示，如果a1、a3和a4从网络接口单元130提供的各种参数{a1，a2，…}中被提取，那么参数提取单元141组合所提取的参数a1、a3和a4的所有可能的值来构造各种参数集mi，并将参数集组M输出到参数选择单元142。
图6是用于解释图1的参数选择单元142的构造和操作的示图。
参照图6，参数选择单元142包括最优参数计算单元142a和参数确定单元142b。
最优参数计算单元142a将来自参数提取单元141所提供的参数集组M的参数集mi代入函数，并计算所述函数的值。所述函数可以预先确定。例如，下面将描述包重发次数k被选择为参数的情况。当k1、k2和k3分别指示第一网络接口单元131、第二网络接口单元132和第三网络接口单元133的包重发次数，N1、N2和N3分别指示每个GOP通过第一网络接口单元131、第二网络接口单元132和第三网络接口单元133发送的帧的数量，L1、L2和L3分别指示每帧包序列的长度时，可以通过下式来计算通过网络接口单元130发送TS包的过程中网络带宽的消耗量：
Ω ( H ^ ) = N 1 · K 1 · L 1 + N 2 · k 2 · L 2 + N 3 · k 3 · L 3 - - - ( 1 )
通过使用诸如等式1的函数，可以计算诸如带宽的网络资源消耗量。
接下来，参数确定单元142b使用所计算的函数值来选择最适合当前QoS要求的参数集。在以上示例中，参数确定单元142b比较使用等式1计算的网络资源消耗量，并确定参数集中使网络资源消耗量最小化的参数集。
参数确定单元142b基于最优参数计算单元142a计算的函数值和当前帧类型，即，优先级来选择参数集中满足当前QoS要求的参数集，并将选择的参数集输出到网络接口单元130。当网络资源不足时，参数确定单元142b可以通过放弃(drop)划分的帧中具有最低优先级的B帧的发送来确定合适的参数集，以便网络资源可用于发送具有高优先级的I帧或P帧。
由参数确定单元142b选择的参数集通过参数分配单元143被提供给网络接口单元130，以允许网络接口单元130使用选择的参数集来控制TS包的发送。
图7是示出根据本发明示例性实施例的用于传输多媒体数据流的方法的流程图。
参照图7，在操作201，根据帧类型来划分将被发送的多媒体数据，即，TS包，并将其发送给对应于MAC层的网络接口单元130。
在操作203，将用于从网络接口单元130发送多媒体数据的参数提供给参数控制单元140。如上所述，所述参数可以是IEEE 802.11a/b/g中用于传输控制的参数。
在操作205，参数提取单元141从所提供的参数中提取将被控制的参数，组合所提取的参数的所有可能的值，并输出参数集。
在操作207，参数选择单元142的最优参数计算单元142a将所述参数集代入用于计算网络资源消耗量的函数，并计算该函数的值。所述函数可以预先确定。
在操作209，参数确定单元142b使用计算的函数值来确定所选择的参数集是否满足高于特定等级的QoS。所述等级可以预先确定。当网络资源不足时，参数确定单元142b可以通过放弃所划分的帧中具有最低优先级的B帧的发送来确定合适的参数集，以便网络资源可用于发送具有高优先级的I帧或P帧。
在操作211，如果选择的参数集不满足高于所述特定等级的QoS，那么使用另一参数集来计算函数值，并确定重新选择的参数集是否满足高于所述特定等级的QoS。
在操作213，如果选择的参数集满足高于所述特定等级的QoS，那么参数分配单元143将选择的参数集发送给网络接口单元130。
在操作215，网络接口单元130确定发送的数据是否满足特定标准。所述标准可以预先确定。如果发送的数据不满足所述特定标准，那么将选择的参数集改变为新的参数集，并重复操作207以后的操作。这里，可以通过使用诸如峰值信噪比(PSNR)的度量测量发送数据的质量来执行确定是否满足特定标准的操作。
一旦通过以上操作选择了参数，网络接口单元130就使用选择的参数来控制TS包的发送。
图8是根据本发明示例性实施例的用于接收多媒体数据流的设备300的方框图。
参照图8，设备300包括网络接口单元310、包序列队列320、解复用器330和解码器340。
网络接口单元310是用于接收传输多媒体数据流的设备100所提供的包数据的MAC层。与用作设备100的网络接口单元130的网卡相同的网卡可用作网络接口单元310。
包序列队列320排列通过不同路径接收的包数据。
解复用器330根据由包序列队列320排列的包数据来划分视频和音频流，所划分的视频和音频流由解码器340再现并输出。
图9是示出当通过根据本发明示例性实施例的用于传输多媒体数据流的设备和方法来发送视频片段(可以预先确定)时所使用的带宽总量的曲线图。
在本发明的仿真中，三个ORiNOCO 8482 PCI WLAN卡用作网络接口单元130，每个WLAN卡发送由帧划分单元120划分的I帧、B帧和P帧。WLAN卡符合802.11a。所发送的视频片段的平均数据速率为1.2Mbps，并且其符合MPEG-1。每个GOP包括24帧。
首先，当I帧、P帧和B帧中的每个的包重发次数被设置为5时，所使用的带宽量为28M字节，如图9(a)所示。另一方面，当I帧、P帧和B帧的包重发次数分别被设置为5、4和3时，所使用的带宽量大约为26M字节，如图9(b)所示。因而，可以看出，与I帧、P帧和B帧中的每个的包重发次数被设置为相同的数的(a)相比，(b)中带宽的消耗量减少了大约7.8％。
如上所述，根据本发明的示例性实施例，通过减少数据传输中所使用的带宽，可以有效地使用网络资源。
尽管以上描述集中于包重发次数用作由网络接口单元130控制的参数的情况，但是可以合适地选择用于在另一MAC层中传输的参数(例如，发送功率或FEC率)，并且可以使用所述参数来控制多媒体数据的发送。
可将所述用于传输多媒体数据流的设备和方法应用于使用流传输技术的任何领域，所述流传输技术例如，视频点播(VOD)服务、音乐点播(MOD)服务、音频点播(AOD)服务、互联网电话或者其它现有技术中已知的流传输技术。
如上所述，根据本发明的示例性实施例，通过基于视频帧的特性来控制MAC层的参数，可以有效地减少无线方式下多媒体数据通信中的网络资源消耗量。
此外，基于各种多媒体数据通信装置中将被发送的数据的特性，可将根据本发明的设备和方法应用于MAC层的控制参数。
此外，根据本发明的示例性实施例，根据帧类型来划分帧并设置MAC层的参数，从而将I帧的发送差错率保持在低于其它类型的帧的等级，因而提高了整个服务质量。
还可将本发明实施为计算机可读介质上的计算机可读代码。所述计算机可读记录介质是可存储其后可由计算机系统读取的数据的任何数据存储装置。所述计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘、光学数据存储装置和载波。所述计算机可读记录介质还可以分布在联网的计算机系统上，从而所述计算机可读代码以分布式方式被存储和执行。
尽管已参照本发明的示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离如权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (17)

1、一种用于传输多媒体数据流的设备，该设备包括：
数据源单元，被构造为输出多媒体数据流；
帧划分单元，被构造为根据包括在多媒体数据流中的视频帧的类型来划分多媒体数据流，并输出划分的多媒体数据流；
参数控制单元，被构造为使用用于控制传输层的参数，来选择用于划分的多媒体数据流的各自的传输控制的参数集；和
网络接口单元，被构造为使用选择的参数集来控制划分的多媒体数据流的传输。
2、如权利要求1所述的设备，其中，帧划分单元包括：
复用器，被构造为组合包括在多媒体数据流中的视频流和音频流以产生输出流；
TS包产生单元，被构造为将所述输出流分割成多个TS包；和
包划分单元，被构造为根据帧类型划分所述多个TS包，并输出划分的TS包。
3、如权利要求2所述的设备，其中，包划分单元使用传输层协议将所述多个TS包分组，并输出分组的TS包。
4、如权利要求3所述的设备，其中，所述传输层协议是用户数据报协议。
5、如权利要求3所述的设备，其中，包划分单元将每组TS包分成优先级类。
6、如权利要求5所述的设备，其中，所述优先级类是最高优先级类、次高优先级类和最低优先级类之一。
7、如权利要求6所述的设备，其中，如果每组TS包中存在至少一个I帧，那么包划分单元将该组TS包分成最高优先级类；如果每组TS包中存在至少一个P帧而不存在I帧，那么包划分单元将该组TS包分成次高优先级类；如果每组TS包中仅存在B帧，那么包划分单元将该组TS包分成最低优先级类。
8、如权利要求1所述的设备，其中，参数控制单元包括：
参数提取单元，被构造为从网络接口单元接收用于控制传输层的参数，用数字表示接收的参数，并输出包括所接收的参数的所有可能的值的组合的至少一个参数集；
参数选择单元，被构造为从所述至少一个参数集中选择用于划分的多媒体数据流的各自的传输控制的参数集；和
参数分配单元，被构造为将由参数选择单元选择的参数集提供给网络接口单元。
9、如权利要求8所述的设备，其中，参数选择单元包括：
最优参数计算单元，被构造为将所述至少一个参数集之一代入函数，并计算所述函数的值；和
参数确定单元，被构造为使用计算的所述函数的值来选择适合当前服务质量要求的参数集。
10、如权利要求9所述的设备，其中，所述函数用于计算在传输多媒体数据流的过程中的网络资源消耗量。
11、如权利要求9所述的设备，其中，参数确定单元确定在参数提取单元所提供的参数集中使网络资源消耗量最小化的参数集。
12、如权利要求1所述的设备，其中，使用用于划分的多媒体数据流的各自的传输控制的至少一个网络接口卡来构造网络接口单元。
13、如权利要求1所述的设备，其中，所述参数是IEEE 802.11a/b/g之一中用于传输控制的参数。
14、一种用于传输多媒体数据流的方法，该方法包括：
根据包括在多媒体数据流中的视频帧的类型来划分多媒体数据流；
使用用于控制传输层的参数，来选择用于划分的多媒体数据流的各自的传输控制的参数集；和
使用选择的参数集来控制划分的多媒体数据流的传输。
15、如权利要求14所述的方法，其中，所述参数是IEEE 802.11a/b/g之一中用于传输控制的参数。
16、如权利要求14所述的方法，其中，所述选择参数集的步骤包括：使用用于计算网络资源消耗量的函数来选择使网络资源消耗量最小化的参数集。
17、如权利要求14所述的方法，其中，所述控制划分的多媒体数据流的传输的步骤包括：当网络资源不足时，选择性地放弃划分的多媒体数据流中具有低优先级的数据的发送。
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