摘 要： 通過(guò)對(duì)基于TD-SCDMA無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究，提出了一種無(wú)線(xiàn)傳輸環(huán)境下的視頻碼率動(dòng)態(tài)調(diào)整策略。針對(duì)TD-SCDMA信道低帶寬、高時(shí)延、高誤碼率的特征，該策略可以根據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)整碼率，以便視頻數(shù)據(jù)能夠適應(yīng)其傳輸。經(jīng)過(guò)TD-SCDMA無(wú)線(xiàn)視頻系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，證明本策略能夠有效解決由于TD-SCDMA信道特征給視頻傳輸帶來(lái)的不利影響。

　　關(guān)鍵詞： TD-SCDMA；幀率；RTP/RTCP

0 引言

　　隨著3G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的廣泛商用和普及，移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)不斷表現(xiàn)出越來(lái)越明顯的優(yōu)勢(shì)。手機(jī)電視、手機(jī)電影甚至是手機(jī)監(jiān)控都不再是夢(mèng)想，讓用戶(hù)能夠“隨時(shí)、隨地”獲取想要的視頻信息，極大地滿(mǎn)足了用戶(hù)的視頻業(yè)務(wù)需求。

　　移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，推動(dòng)著視頻監(jiān)控系統(tǒng)向無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域發(fā)展延伸，改變了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控有人值守、組網(wǎng)復(fù)雜和成本高昂等不足。新一代視頻監(jiān)控系統(tǒng)還能通過(guò)短信、郵件提醒以及平板電腦等移動(dòng)終端實(shí)施圖像查詢(xún)和實(shí)時(shí)告警，極大地提升了視頻監(jiān)控的靈活性、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

　　傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)依賴(lài)于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。它們雖然基本滿(mǎn)足了視頻監(jiān)控的需求，但是存在著通信距離短、視頻傳輸質(zhì)量低等劣勢(shì)?；赥D-SCDMA的無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是移動(dòng)性很好、適合遠(yuǎn)程傳輸、國(guó)產(chǎn)化程度高和功耗相對(duì)較低等，帶寬相對(duì)于2G通信系統(tǒng)有了較大提升。然而在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)對(duì)于高清視頻的帶寬需求仍顯不足，網(wǎng)絡(luò)易受干擾等，這些影響將不利于高清視頻數(shù)據(jù)的傳輸處理。

　　本文基于TD-SCDMA無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中的實(shí)際情況，提出一種解決3G通信系統(tǒng)實(shí)際帶寬與高清視頻需求帶寬之間矛盾的新策略。

1 基于TD-SCDMA的無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

　　1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　基于TD-SCDMA的無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是國(guó)產(chǎn)3G技術(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)統(tǒng)一融合的綜合系統(tǒng)。主要由攝像機(jī)、視頻服務(wù)器或錄像機(jī)、監(jiān)控中心和監(jiān)控終端組成。圖1是基于TD-SCDMA的無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)圖。

　　本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流分為信令流和視頻數(shù)據(jù)流。監(jiān)控中心將錄像、實(shí)時(shí)瀏覽和報(bào)警模塊發(fā)出的控制命令交給SIP協(xié)議模塊所對(duì)應(yīng)的錄像、實(shí)時(shí)瀏覽和報(bào)警模塊進(jìn)行編碼，然后對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，通過(guò)TD-SCDMA單元發(fā)送到公共網(wǎng)絡(luò)并由其路由發(fā)送到視頻服務(wù)器端，該設(shè)備通過(guò)TD-SCDMA模塊接收并解析數(shù)據(jù)內(nèi)容，取出控制命令并進(jìn)行信令處理。

　　數(shù)據(jù)流由視頻采集前端完成采集，源數(shù)據(jù)通過(guò)視頻服務(wù)器的編碼單元進(jìn)行H.264編碼操作[1]，實(shí)現(xiàn)模擬視頻的數(shù)據(jù)化，并得到適合通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)提取層（Network Abstraction Layer，NAL）。經(jīng)過(guò)RTP協(xié)議和IP協(xié)議對(duì)NAL單元的處理后就完成了原始碼流單元到IP數(shù)據(jù)的適配，并通過(guò)TD-SCDMA單元進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。反之則完成IP數(shù)據(jù)到原始視頻數(shù)據(jù)的解適配過(guò)程。

　　1.2 RTP/RTCP協(xié)議

　　在本系統(tǒng)中采用了RTP協(xié)議對(duì)視頻數(shù)據(jù)NAL單元進(jìn)行處理，RTCP用于視頻數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的擁塞控制。實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP(Realtime Transport Protocol)[2]：針對(duì)Internet上多媒體數(shù)據(jù)流的一個(gè)傳輸協(xié)議， 由IETF(Internet工程任務(wù)組)作為RFC1889發(fā)布；實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP(Realtime Transport Control Protocol)[2]：負(fù)責(zé)管理傳輸質(zhì)量，在當(dāng)前應(yīng)用進(jìn)程之間交換控制信息。

2 視頻碼率動(dòng)態(tài)調(diào)整策略

　　基于TD-SCDMA的無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中采用了H.264這種高壓縮比的編碼方式，在保證高清晰度圖像的前提下極大降低了視頻數(shù)據(jù)量，為后面的數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。由于監(jiān)控終端在移動(dòng)通信中會(huì)出現(xiàn)扇區(qū)切換和網(wǎng)絡(luò)帶寬動(dòng)態(tài)變化等情況，所以通常對(duì)于無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，攝像機(jī)發(fā)送視頻數(shù)據(jù)的速率應(yīng)該與網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)帶寬保持協(xié)調(diào)一致，才能保證傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)的完整性。

　　2.1 算法策略分析

　　本文提出的基于一種新型的動(dòng)態(tài)視頻實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸[3]控制方法，可應(yīng)用于帶寬動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)中，以實(shí)現(xiàn)視頻在無(wú)線(xiàn)條件下的傳輸。控制方法實(shí)現(xiàn)的核心思想是通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和帶寬實(shí)現(xiàn)自動(dòng)感知，自動(dòng)調(diào)整攝像機(jī)的發(fā)送速率，以適應(yīng)視頻圖像[4]對(duì)于視頻傳輸帶寬的要求。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要分成網(wǎng)絡(luò)感知和動(dòng)態(tài)調(diào)整兩大方面。

　?、啪W(wǎng)絡(luò)感知：攝像機(jī)按每5 s一次的頻率發(fā)送發(fā)送者報(bào)告，視頻服務(wù)器接收后給出應(yīng)答消息，攝像機(jī)的嵌入式處理器根據(jù)該應(yīng)答消息進(jìn)行實(shí)時(shí)帶寬計(jì)算，得出需要調(diào)整帶寬的標(biāo)準(zhǔn)。

　　⑵動(dòng)態(tài)調(diào)整：攝像機(jī)根據(jù)計(jì)算出的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)帶寬，調(diào)整自身的發(fā)送速率以適應(yīng)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求進(jìn)行變速率發(fā)送。

　　通過(guò)這兩個(gè)處理策略就可以使視頻系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整相應(yīng)發(fā)送狀態(tài)[5]，使視頻傳輸效果與實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相匹配。

　　2.2 詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方法

　　通過(guò)以上討論，速率調(diào)整可以基于周期探測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)帶寬的方式，攝像機(jī)根據(jù)反饋消息計(jì)算出當(dāng)前的實(shí)際帶寬容量，與現(xiàn)在的發(fā)送速率進(jìn)行對(duì)比，判斷需要增加還是減小發(fā)送速率，一般用加性增加和乘性減少或乘性增加和乘性減少的方式探測(cè)性地調(diào)整發(fā)送速率，并根據(jù)接收端的反饋判斷當(dāng)前探測(cè)是否成功。速率調(diào)整也可以基于模型，發(fā)送方根據(jù)TCP連接的吞吐率模型和網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)獲得模型參數(shù)，并調(diào)整發(fā)送速率，帶寬測(cè)試模型公式如下：

　　其中，λ是網(wǎng)絡(luò)帶寬；μmt是一次網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)；τn是數(shù)據(jù)交互的時(shí)間；p是網(wǎng)絡(luò)平均丟包率。

　　發(fā)送速率將根據(jù)以下兩個(gè)條件進(jìn)行調(diào)整：

　?、?網(wǎng)絡(luò)探測(cè)獲取的實(shí)時(shí)帶寬；

　　⑵ 發(fā)送視頻緩沖區(qū)將滿(mǎn)的最小發(fā)送頻率。

　　網(wǎng)絡(luò)帶寬探測(cè)調(diào)整，應(yīng)該以滑動(dòng)窗口的方式進(jìn)行發(fā)送閾值的選擇?；瑒?dòng)窗口動(dòng)態(tài)移動(dòng)，不斷調(diào)整發(fā)送閾值，避免引起發(fā)送端的震蕩狀態(tài)。

　　客戶(hù)端根據(jù)丟包率和視頻延時(shí)判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況?？蛻?hù)端根據(jù)視頻數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)包序列號(hào)字段計(jì)算丟包率，根據(jù)時(shí)間戳字段計(jì)算視頻延時(shí)，結(jié)合兩者判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況，并給監(jiān)控終端發(fā)送反饋信息報(bào)。

　　攝像機(jī)端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器給用戶(hù)發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，它通過(guò)反饋信息包的信息，結(jié)合上述公式計(jì)算出λ，這個(gè)值體現(xiàn)了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況。由于μmt需結(jié)合TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)視頻的測(cè)試進(jìn)行取值（200 B），算出每秒發(fā)送數(shù)據(jù)包的最大數(shù)量應(yīng)該小于等于λ。這種方式需要設(shè)計(jì)一個(gè)緩沖區(qū)系統(tǒng)進(jìn)行視頻報(bào)文的緩沖，把視頻報(bào)文的發(fā)送速率控制在一定范圍內(nèi)，使攝像機(jī)的發(fā)送速率與視頻服務(wù)器端的接收速率保持一致。這樣就能在網(wǎng)絡(luò)帶寬因環(huán)境影響改變時(shí)保證視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和正確性。

　　動(dòng)態(tài)視頻實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制方法的核心是協(xié)調(diào)視頻質(zhì)量與變化網(wǎng)絡(luò)帶寬之間的矛盾。其主要目標(biāo)是把攝像機(jī)的數(shù)據(jù)輸出量控制在一定的水平上，同時(shí)確保發(fā)送端緩存區(qū)不丟失數(shù)據(jù)。視頻在TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)環(huán)境上的傳輸與該網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，而視頻服務(wù)器獲得的監(jiān)控畫(huà)面質(zhì)量與攝像機(jī)的發(fā)送速率及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有關(guān)。根據(jù)視頻服務(wù)器緩存的大小以及接收端返回的RTCP反饋數(shù)據(jù)，可以得知接收端的當(dāng)前狀態(tài)；再結(jié)合當(dāng)前瞬時(shí)攝像機(jī)緩存的數(shù)據(jù)占有量與設(shè)定的閾值之間的關(guān)系，攝像機(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)視頻質(zhì)量控制進(jìn)行處理后得到參考視頻質(zhì)量。并根據(jù)此參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送速率的調(diào)整，從而使得視頻報(bào)文的發(fā)送速率與不斷變化的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬相匹配。

　　此方法是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，采用線(xiàn)性化模型進(jìn)行分析。用snd(t)表示發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)占有量；rec(t)表示接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)占有量；qu(t)表示參考視頻質(zhì)量；h表示給定的閾值。為了防止發(fā)送緩沖區(qū)溢出，采用閾值控制的策略，每當(dāng)發(fā)送方緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)占有量snd(t)小于一給定閾值h時(shí)，數(shù)據(jù)幀調(diào)度器就從存儲(chǔ)設(shè)備取下一幀數(shù)據(jù)放到發(fā)送方緩沖區(qū)中。不斷重復(fù)該過(guò)程直到發(fā)送方緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)占有量超過(guò)h值：

　　其中，p、s是常數(shù)。若參數(shù)p和s滿(mǎn)足p<1，s<1，則系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，此系統(tǒng)可以近似認(rèn)為穩(wěn)定，從而接收緩存區(qū)的數(shù)據(jù)保有量將趨于穩(wěn)定。

3 仿真及結(jié)果分析

　　基于緩存區(qū)[6]的報(bào)文發(fā)送控制方法中主要有3個(gè)功能模塊。攝像機(jī)端實(shí)現(xiàn)發(fā)送緩沖控制模組、視頻質(zhì)量和發(fā)送速率控制模組；視頻服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)接收緩沖區(qū)監(jiān)視模組。發(fā)送緩沖監(jiān)視模組時(shí)刻監(jiān)測(cè)發(fā)送緩沖區(qū)的空滿(mǎn)程度，并把參數(shù)snd(t)發(fā)送給視頻質(zhì)量控制模組和發(fā)送速率控制模組。視頻質(zhì)量和發(fā)送速率控制模塊通過(guò)上述公式計(jì)算出參考視頻質(zhì)量Ref(t)，從而自動(dòng)調(diào)整發(fā)送速率。調(diào)整前后的仿真參數(shù)如表1、表2所示。

　　通過(guò)測(cè)試儀可以看到，在通過(guò)未進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整發(fā)送速率的系統(tǒng)進(jìn)行傳輸時(shí)，網(wǎng)絡(luò)丟棄報(bào)文數(shù)量較大以至于無(wú)法在視頻服務(wù)器端進(jìn)行NAL單元重組，無(wú)法在顯示設(shè)備進(jìn)行顯示；通過(guò)調(diào)整，測(cè)算出當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬為107 KB/s時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整幀率為8 f/s，可以通過(guò)舍棄冗余字節(jié)和非關(guān)鍵幀，控制發(fā)送速率在96 KB/s范圍內(nèi)，保證報(bào)文丟失數(shù)量在10個(gè)左右，顯示設(shè)備可以顯示視頻圖像。

　　圖2描述了隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化，實(shí)際發(fā)送報(bào)文速率也會(huì)相應(yīng)變化?？梢钥闯龆咦兓俾实南嚓P(guān)性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬由115 KB/s變化為107 KB/s時(shí)，攝像機(jī)和視頻服務(wù)器之間通過(guò)發(fā)送者報(bào)文和接收者報(bào)文進(jìn)行通信，攝像機(jī)處理模塊根據(jù)通信交互協(xié)議計(jì)算出當(dāng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際帶寬和時(shí)延，并設(shè)定發(fā)送緩沖區(qū)深度，降低視頻幀的存儲(chǔ)數(shù)量，從而達(dá)到降低發(fā)送速率的目的。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，本策略能夠動(dòng)態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，調(diào)整發(fā)送頻率，保證高清視頻數(shù)據(jù)在TD-SCDMA無(wú)線(xiàn)信道上的傳輸。

4 結(jié)論

　　上述研究中，攝像機(jī)和視頻服務(wù)器之間通過(guò)軟件協(xié)議來(lái)獲知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀況，并且通過(guò)發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)送速率。仿真結(jié)果表明這種方式可以增強(qiáng)高清視頻報(bào)文在TD-SCDMA無(wú)線(xiàn)信道上的傳輸能力，減輕了發(fā)送方和網(wǎng)絡(luò)承載的負(fù)擔(dān)，保證了視頻圖像的質(zhì)量，能夠適用于遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建。

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