摘  要： 為了使實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊曨l流能夠自動(dòng)匹配動(dòng)態(tài)變化的3G網(wǎng)絡(luò)，隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化而變化，從而達(dá)到降低數(shù)據(jù)丟失率、流暢傳輸視頻數(shù)據(jù)的目的，利用RTP協(xié)議中的丟包率和時(shí)間抖動(dòng)這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)3G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和分析。根據(jù)時(shí)間抖動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)歸一化，同時(shí)與丟包率一起來評(píng)估３G網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性，并依此指導(dǎo)TMS320DM365開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。經(jīng)測(cè)試，該方法能有效地匹配３G網(wǎng)絡(luò)的有限帶寬，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的流暢傳輸。

　　關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；視頻監(jiān)控；３G無線傳輸；帶寬匹配；TMS320DM365

　　現(xiàn)在國內(nèi)流行的３G無線網(wǎng)絡(luò)有CDMA2000 EVDO、WCDMA和TD-SCDMA，它們都擁有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)性大、誤碼率高、傳輸延遲大以及相對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬比較窄[1]。而應(yīng)用在有線網(wǎng)絡(luò)的很多業(yè)務(wù)，包括視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控、IPTV等正逐步向3G無線網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)域拓展。要在這樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻的流暢傳輸，那么比較高效的傳輸策略就是非常必要的。本研究從3G網(wǎng)絡(luò)的自身特性出發(fā)，利用RTP協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，再根據(jù)統(tǒng)計(jì)的規(guī)律來指導(dǎo)經(jīng)TMS320DM365壓縮的實(shí)時(shí)視頻的傳輸，從而進(jìn)一步驗(yàn)證這種統(tǒng)計(jì)策略的可靠性。

　　1 3G網(wǎng)絡(luò)評(píng)估參數(shù)分析與量化

　　1.1 RTP協(xié)議參數(shù)分析

　　鑒于3G網(wǎng)絡(luò)的特殊性，衡量其網(wǎng)絡(luò)特性的參數(shù)也相對(duì)復(fù)雜。本研究主要是依據(jù)RTP協(xié)議[2]里定義的兩個(gè)重要參數(shù)丟包率和時(shí)間抖動(dòng)來估計(jì)3G網(wǎng)絡(luò)特性。其中，丟包率統(tǒng)計(jì)的是最近一段時(shí)間間隔內(nèi)網(wǎng)絡(luò)丟失數(shù)據(jù)的情況，而時(shí)間抖動(dòng)則是數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)刻統(tǒng)計(jì)方差的估計(jì)值，其能有效地評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的變化趨勢(shì)。這兩個(gè)參數(shù)結(jié)合起來使用，就可以對(duì)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行有效估計(jì)，同時(shí)，又能估測(cè)出網(wǎng)絡(luò)的變化趨勢(shì)，為實(shí)時(shí)視頻傳輸時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)整給予有效的參考。

　　1.2 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)歸一化

　　對(duì)于網(wǎng)絡(luò)特性參數(shù)的測(cè)試，可以采用依據(jù)RTP協(xié)議編寫的函數(shù)庫jrtplib-3.7.1[3]和jrtpthread-1.2.1[4]，該函數(shù)庫具有很好的兼容性，可以在多種操作系統(tǒng)中應(yīng)用。這里主要將其應(yīng)用在ARM開發(fā)平臺(tái)TMS320DM365上和PC平臺(tái)的VC2008開發(fā)環(huán)境中。

　　經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以得到如下的規(guī)律：（1）丟包率總體處于[0，1]之間，在網(wǎng)絡(luò)可控的條件下，丟包率大多數(shù)保持在20％以下，而出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瞬間抖動(dòng)時(shí)，丟包率會(huì)達(dá)到30％以上；（2）時(shí)間抖動(dòng)總體在[2 000，20 000]（單位為RTP時(shí)間戳）之間，網(wǎng)絡(luò)狀況較好時(shí)，時(shí)間抖動(dòng)基本在[2 000，10 000]之間，分布比較平穩(wěn)，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瞬間抖動(dòng)時(shí)，時(shí)間抖動(dòng)就會(huì)出現(xiàn)跳躍，達(dá)到20 000以上。

　　為了能夠?qū)Ξ?dāng)前網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行很好的描述及有效的估計(jì)，系統(tǒng)中需要將兩個(gè)參數(shù)結(jié)合起來研究。但由于兩個(gè)參數(shù)的分布范圍不同，那么就需要將其規(guī)范化，最有效的辦法就是將時(shí)間抖動(dòng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化。

　　首先，利用數(shù)據(jù)規(guī)范化的方式——最大最小值法進(jìn)行初步歸一化。方法如下。

　　通過對(duì)[2 000，20 000]之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化得到如圖1所示的曲線。

　　從圖1中可以看出，經(jīng)過量化的數(shù)據(jù)，在時(shí)間抖動(dòng)處于2 000~10 000之間時(shí)，分布比較平穩(wěn)集中；而在10 000~20 000之間，分布就相對(duì)比較分散。這正符合時(shí)間抖動(dòng)統(tǒng)計(jì)的規(guī)律，即網(wǎng)絡(luò)通暢時(shí)，時(shí)間抖動(dòng)較小，變化平穩(wěn)，就需要被細(xì)化，有利于視頻傳輸數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整；而網(wǎng)絡(luò)擁擠或出現(xiàn)抖動(dòng)時(shí)，通常時(shí)間抖動(dòng)都比較大，只需要粗略估計(jì)描述變化趨勢(shì)即可。

　　2 分組估計(jì)網(wǎng)絡(luò)狀況和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)[5]

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)狀況分組估計(jì)

　　考慮到3G無線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性，它總是伴隨著時(shí)間、空間的變化而逐漸變化的。系統(tǒng)中不僅要能統(tǒng)計(jì)出當(dāng)前3G網(wǎng)絡(luò)的狀況，還要能預(yù)測(cè)出隨后網(wǎng)絡(luò)的變化趨勢(shì)，那么就需要將丟包率和時(shí)間抖動(dòng)這兩個(gè)參數(shù)結(jié)合起來。本研究采用線性組合的方式估計(jì)網(wǎng)絡(luò)的整體狀況，即：

　　其中，i表示分組統(tǒng)計(jì)中的第i次；P（i）表示第i次的丟包率，描述最近時(shí)間段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的丟包狀況，即網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前狀況；J（i）表示第i次的時(shí)間抖動(dòng)，估計(jì)網(wǎng)絡(luò)即將變化的趨勢(shì)；Y（i）表示網(wǎng)絡(luò)總體狀況；比例系數(shù)?琢能有效調(diào)節(jié)丟包率和時(shí)間抖動(dòng)在整體網(wǎng)絡(luò)估計(jì)中的作用。當(dāng)丟包率起主導(dǎo)作用時(shí)，可以調(diào)節(jié)使?琢增大，反之則減小。

　　為進(jìn)一步說明式（4）對(duì)3G網(wǎng)絡(luò)的有效評(píng)估，特做出大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2所示，其中，?琢取0.7。測(cè)試條件為：TMS320DM365開發(fā)平臺(tái)的編碼模式設(shè)為圖像大小CIF，圖像質(zhì)量A，幀率15 f/s，GOP=15[6]?？梢钥闯?，網(wǎng)絡(luò)總體狀況Y（i）得到了充分地平滑，而對(duì)網(wǎng)絡(luò)的變化趨勢(shì)也能有效估計(jì)，這說明式（4）的線性組合具有一定的可靠性。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的定義

　　網(wǎng)絡(luò)狀況的分組統(tǒng)計(jì)，其時(shí)間較短，系統(tǒng)默認(rèn)為5 s，這段時(shí)間內(nèi)不利于實(shí)時(shí)傳輸視頻流的調(diào)整；同時(shí)，為了增加網(wǎng)絡(luò)狀況估計(jì)的可靠性，就有必要對(duì)這個(gè)分組統(tǒng)計(jì)的結(jié)果計(jì)算概率分布?？梢詫⒕W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分為輕載、滿載和擁塞3種狀態(tài)，如圖3所示。

　　設(shè)定閾值T1、T2，且0<T1<T2<1。當(dāng)0<Y（i）<T1的概率P1高于設(shè)定閾值PT1時(shí)，網(wǎng)絡(luò)處于輕載狀態(tài)，可以逐漸增加視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩钡骄W(wǎng)絡(luò)處于滿載狀態(tài)；當(dāng)T2<Y（i）<100%的概率P3高于設(shè)定值PT2時(shí)，網(wǎng)絡(luò)處于擁塞狀態(tài)，必須迅速減小視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩钡骄W(wǎng)絡(luò)回到滿載狀態(tài)；除此之外，都表明當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)正常，可以繼續(xù)維持這一狀態(tài)。

　　注意：T1應(yīng)取較低的值以避免產(chǎn)生QoS振蕩，T2的選取標(biāo)準(zhǔn)是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)丟失程度，雖然已比較高但解碼后的視頻效果仍在可接收的范圍內(nèi)。這里取T1=3%，T2=10%。PT1和PT2可以依照實(shí)際網(wǎng)絡(luò)狀況而定。

　　3 TMS320DM365平臺(tái)視頻數(shù)據(jù)傳輸

　　3.1 TMS320DM365平臺(tái)視頻流分析[6-7]

　　TMS320DM365采用的是TI的DaVinci系列架構(gòu)，集成了一個(gè)ARM926EJ-S內(nèi)核，一個(gè)H.264高清編解碼協(xié)處理器HDVICP和一個(gè)MPEG-4/JPEG高清編解碼協(xié)處理器MJCP，可以支持H.264/MPEG-4的高清視頻的編解碼。它能夠調(diào)節(jié)輸入視頻的亮度、對(duì)比度、色調(diào)、銳度和飽和度，同時(shí)，又能夠通過程序來設(shè)定分辨率、比特率和幀率。

　　影響TMS320DM365開發(fā)平臺(tái)上H.264格式的視頻碼流的主要參數(shù)有圖像質(zhì)量、GOP（Group of Pictures）、幀率和圖像大小。經(jīng)過對(duì)這些參數(shù)的分析，并結(jié)合對(duì)圖像質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償以及視頻流暢性等諸多方面的考慮，按照視頻數(shù)據(jù)碼流大小進(jìn)行實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，得到的結(jié)果如表1所示。

　　3.2 視頻傳輸碼流動(dòng)態(tài)控制

　　針對(duì)圖3所示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的定義，以及實(shí)時(shí)視頻流對(duì)3G網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)速度，結(jié)合如表1所示不同視頻模式碼流的區(qū)別，設(shè)計(jì)程序流程圖如圖4所示。

　　初始條件下，視頻硬件編碼器TMS320DM365設(shè)定為模式4（如表1中所示），碼流基本保證在40 kb/s左右，在現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡(luò)狀況條件下，可以保證這種視頻流的順暢傳輸。而一旦網(wǎng)絡(luò)狀況變得比較擁塞時(shí)，短時(shí)狀態(tài)中統(tǒng)計(jì)的P3超過了閾值PT2，系統(tǒng)就可以迅速將視頻編碼模式向低級(jí)模式切換，以降低視頻碼流來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬；而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況變得通暢處于輕載時(shí)，長時(shí)狀態(tài)中統(tǒng)計(jì)的P1超過了閾值PT2，系統(tǒng)就可以向高級(jí)模式切換，提高圖像質(zhì)量，直到網(wǎng)絡(luò)處于滿載。經(jīng)過系統(tǒng)總體的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這種動(dòng)態(tài)調(diào)整的視頻碼流傳輸策略能有效地適應(yīng)變化的3G網(wǎng)絡(luò)帶寬。尤其在局域范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)比較擁塞時(shí)，系統(tǒng)能夠迅速切換進(jìn)入低級(jí)模式，處于視頻碼流較低情況，以占用較少的網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)流暢的傳輸。

　　此外，在有些特殊的系統(tǒng)當(dāng)中，可能有些需要視頻質(zhì)量比較高，而有些則需要對(duì)運(yùn)動(dòng)變化的圖像有較好的補(bǔ)償，那么，就可以通過設(shè)定初始條件下的視頻模式或改變動(dòng)態(tài)調(diào)整過程中的視頻模式，來滿足這些要求?？傊瑢?duì)TMS320DM365硬件參數(shù)的不同設(shè)定，都可以有效改變實(shí)時(shí)視頻傳輸系統(tǒng)的總體性能。

　　本研究中通過對(duì)RTP協(xié)議的利用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)3G網(wǎng)絡(luò)狀況的總體估計(jì)，引入了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的判斷分布，從而指導(dǎo)TMS320DM365開發(fā)平臺(tái)不同模式之間的切換，使得實(shí)時(shí)視頻流能夠適應(yīng)變化的3G網(wǎng)絡(luò)。但是，如果能采用更多的參數(shù)來衡量網(wǎng)絡(luò)狀況的話，將能夠進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)估計(jì)的準(zhǔn)確性。此外，本研究的核心是通過網(wǎng)絡(luò)估計(jì)控制實(shí)時(shí)視頻流以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)因抖動(dòng)頻繁或是視頻模式切換不及時(shí)而出現(xiàn)丟包率比較高時(shí)，視頻的解碼顯示就會(huì)產(chǎn)生比較明顯的馬賽克現(xiàn)象。因此，系統(tǒng)可以在圖像傳輸?shù)倪^程中采取其他的辦法，比如通過增加冗余數(shù)據(jù)包來恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)，或者是在視頻解碼時(shí)加入補(bǔ)償算法來恢復(fù)丟失的圖像數(shù)據(jù)等，從而進(jìn)一步提升圖像質(zhì)量。

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