移动IP网络的视频通信

北方交通大学 冯玉珉 徐红艳

　　随着IP网络建设的逐渐完善，IP移动多媒体通信成为近年来多媒体业务发展的新标志，英国的Abdul H.Sadka博士在这方面做了大量研究与开发工作，并拥有了几项专利成果。本文介绍了在GPRS和3G移动网络上提供视频服务所存在的问题，并且评价了在上述网络的各种运行条件下的视频传输服务质量。

一、GPRS/UMTS网络上的视频传输

　　移动网络上的视频服务的性能依赖于很多因素。首先，为视频服务分配的带宽规定了视频源的输出速率以及视频序列的时间和空间质量，由于移动无线接口的多时隙兼容性，视频源所提供的吞吐量可随着差错保护的不同速率而变化；其次，在移动接入网协议结构（GPRS/UMTS）的较低层所提供的数据速率与视频应用层所提供的数据速率不同。在协议堆栈的每层，报头与视频包的有效载荷相联系，这就引入了各层次中每层的包头比特速率，并减少了提供给视频信源的网络吞吐量。

　　此外，信道编码机制和应用在视频传输中的时隙数目的结合也是影响移动视频服务性能的主要因素。在无线接口中使用的时隙数目决定了物理层的数据速率，而视频业务所使用的信道编码机制确定了视频载荷提供的差错保护等级以及每时隙的吞吐量。不同的视频质量等级能获得不同的信道编码方案和时隙分配的组合，时隙分配在很大程度上影响着解码视频的质量。

　　除了带宽效率，信道编码机制还影响着视频服务的差错性能，为高冗余量和较有效带宽的应用方案提供更高的保护速率。信道编码方法必须根据实际的信道条件来选择，目的是在带宽有效性和视频服务的差错性能之间找到最佳平衡点。在良好稳定的信道条件下，视频信源会减少差错保护速率来增加视频源的吞吐量，相反，在恶劣的信道条件下，视频信源将首先提升差错保护速率，以使视频网络获得可保证的服务质量来传输视频数据。

　　总体来说，当所有的差错恢复工具都被使用时，视频通信可以获得最佳的效果。这也是差错恢复工具重要性的一个体现。同步字的使用减少了视频源的吞吐量，从而在低比特差错率下使差错恢复比特流容易产生比无恢复机制标准下更低质量的视频输出，这表明，GPRS环境下的差错恢复较为困难，GPRS不仅在差错特性上比UMTS的WCDMA环境有更高的要求，而且，较低的源比特速率会导致压缩的视频更易受差错干扰。

　　为了提供比GSM中数据速率更高的各种多媒体服务，第三代移动系统引入许多允许高吞吐量接入和真正实时多媒体服务的新接入技术，移动终端将能够接入远端站点和多媒体数据库，这是通过嵌入在终端Web浏览器中的插件程序实现的。3G网络上的会话视频通信也支持多用户应用，例如在多个固定和移动用户中的多方视频会议等。便携式移动终端的随处接入将会极大地提高终端产品的功能，特别是在电子贸易和电子商务应用的情况下，移动工作环境和虚拟办公室都将使移动IP网络上的视频通信成为可能。

二、移动网络上视频服务的QoS问题

　　移动无线接口的多时隙能力有助于提高移动终端的吞吐量，使新一代移动网络更好地提供视频服务。提供给移动终端的时隙数目以及信道编码机制所提供的差错保护，是控制视频服务质量的两个主要因素。选择好时隙和信道编码机制间最佳组合就可以调节好差错性能和视频应用吞吐量间的平衡，此外，视频服务质量还受到所应用的打包策略影响。GPRS和UMTS上移动视频服务的性能评价表明，组合使用的差错恢复机制可以获得在视频质量上的显著提高。

　　1．打包机制

　　与数据流不同，经过压缩编码的视频流对传输延迟非常敏感，且丢弃的视频信息不能被重传。压缩的视频数据传输结构称作数据包，由视频载荷和协议头组成。使得视频载荷符合包结构的处理称作打包，通信系统中其相应的执行部分称作打包器。图1是一个输入视频源的典型打包器的流程图。

　　视频码标准的层结构需要在每一层次级别视频包中列入一定信息。例如，在帧级别，诸如暂时参考和画面头信息都包含在输出流中；在GOB级别，指出GOB号和整个GOB的量化级别；在MB级别，确定编码和未编码的MB，列出可选择量化级别，还有已编码块的信息。这一结构需要帧头首先被解码，再将GOB解码，包含在GOB头中的信息再将MB解码。因此，帧组成的逻辑序列表明，在画面部分顺利重组之前，携带这一画面信息的所有包要被完全接收到。

　　为了保证数据包传送过程中的QoS，打包策略采用MB作为分裂单元，使数据包的起始至结束都在MB边界上。为了限制各种包之间的错误传播，每个数据包都包含一个视频帧的独立部分，并且每一部分彼此分离编码；此外，在发生包丢失的情况时，为了使解码重新同步，每个数据包应该包含画面头和GOB头，画面头和GOB头可以区分视频有效载荷分别属于哪个帧和GOB。

　　另外，当数据包有固定长度时，在48个字节有效载荷中，已编码视频可以使用紧打包、松打包两种不同方法来给视频数据打包。

　　2．吞吐量和信道编码方案

　　除数据包结构外，基于未来移动网络的视频服务质量与其他参数有关。例如，在使用四种可能的信道保护方案中的一种之后，GPRS数据通过包数据传输信道（PDTCH）传输。这四种信道保护方案分别为CS-1、CS-2、CS-3、CS-4。前三种编码采用卷积码和不同长度的分组校验序列，这样就产生不同的保护率。CS-2和CS-3使用CS-1编码的收缩版本，而CS-4仅提供出错检测功能，因此不适合用于视频信息传输。为实现视频应用，实验证明，只有CS-1和CS-2能满足视频接收质量的要求。

三、移动IP网络上的实时视频传输

　　移动网络上的视频业务主要提供图像交互和对话服务，这就意味着在GPRS上提供的视频服务必须实时运行，每次服务的单路延迟不超过200ms，而使用重传和重复请求的系统就不容易实现此目标。相反地，RLC层（无线链接控制）运行在不确认模式下，不涉及任何的重传情况。在点对点的应用层，使用的传输层协议是用户数据报协议（UDP），与TCP不同，UDP覆盖IP层并不使用重复请求机制。

　　1．视频数据的细化打包

　　视频数据的细化打包可以保证信道使用和差错健壮性之间的最优化关系。研究人员曾经试图改进优化技术，将压缩的视频数据打包成RTP分组，实现IP网络上的实时传输。他们工作的主要重点是将MPEG-4数据流与其他的RTP载荷实现同步，在反向信道上使用RTP控制协议监视MPEG-4传送性能，以及依靠RTP的混合，将MPEG-4和其他实时数据流组合到统一的数据流中。然而，这些打包器技术并不是针对分组视频的差错健壮性的，视频载荷的大小以及每个分组中的视频序列直接影响着差错健壮性和视频应用的信道利用，因此，为实现最佳服务质量，打包器机制中的差错恢复问题需要着重考虑，同时，由于移动信道条件的时变特性，打包器技术应具备自适应性，以使网络在任何时刻都维持吞吐量和差错恢复间的最优化关系。

　　MPEG-4数据流经常被分成有规则长度的分组序列，这些序列都是独立可解码的视频分组，每个分组都以复同步字开始。由于这些分组是在应用层被创建的，并被当作MPEG-4视频压缩算法的一部分，因此它们应与IP、UDP和RTP层所创建的分组分开。对一个固定大小的报头来说，视频载荷的大小是控制平衡的重要因素，可调整打包机制中的差错健壮性和吞吐量的最佳关系。

　　有两种打包机制可将MPEG-4数据封装进RTP分组中，在第一种机制中，每个MPEG-4分组被封装进单一的RTP分组，而在第二种机制中，每个RTP分组包含一个视频帧（许多个MPEG-4分组），每个MPEG-4分组末尾都插入8位的循环冗余效验码（CRC），来帮助实现视频分组数据中的差错隐藏，同时保持和标准MPEG-4解码器的向后兼容性。

　　2．移动网络上视频传输的质量优化

　　确保视频内容以可接受的质量传送到终端用户是非常重要的，移动IP网络上采用了多种机制来优化视频服务的性能，除了前面提到的在传输层和应用层所采用的打包机制，差错和流量控制在视频传输的质量优化过程中也起到了重要作用，主要应用形式为：

　　使用先进的差错保护来提高视频质量；

　　移动视频传输的基于内容自适应性质量控制。

　　3．在移动网络上的优先级传输

　　分层视频编码除了在传输过程中有很多优点外，其固有的差错恢复性也是一大特点。分层视频编码通常伴随着UEP（不平等的差错保护）的使用，使高优先级基本层获得一个可保证的服务质量并使之细化。这种方法被称为带传输优先级的分层编码，在视频传输系统中专门用来使差错恢复变得更加容易。

　　为实现视频传输质量的提高还可以通过将视频数据作为两个独立的数据流发送，来实现视频比特流不同部分的优化。这种情况下编码器要求网络通过不同优先级的信道来发送数据，将更重要的和差错敏感的数据分配给更可靠更安全的信道。因此，运动和报头数据流被设定为更高的差错保护等级，再经比纹理数据流更可靠的载体来传送。在MPEG-4压缩标准系统中，数据分割是将关键数据放在每个视频分组的开始，从而在第二部分中低敏感性的纹理数据出错时，抑制丢失视频分组的可能性。

　　优先级传输方法的应用范围包括视频分层、视频数据分割、UEP和分优先级的多重载体的视频传输，然而在移动无线网络中，在应用层优先级机制的应用将使得所有网络和传输层报头失去保护，高差错比特率也会导致由于分组附件重要部分的损坏，例如敏感载荷数据的报头等。而且，在应用层使用优先级机制会对各种应用的共同运行产生限制，这意味着系统提高服务质量需要修改所有运行的网络协议。为了在移动网络上高效地使用数据优先级方案，就必须完善视频传输机制，由于视频信息被设计成不同的数据流，高优先级的数据流包含着敏感视频信息，每个数据流在不同的移动载体信道上传输，由所运行的网络来提供传输载体，因此在该网络上，每个信道需要满足不同的QoS等级，从而实现视频通信的传输质量优化。

四、小结

　　不久的将来，人们将会看到全球范围内的第三代移动接入网的飞速发展，与第二代GSM网络所提供的传统话音服务不同，第三代移动网络将会提供更广范围的服务，包括TDMA和多种CDMA无线接入，如直接序列扩频的CDMA（WCDMA）、多载波CDMA等。与第二代的GSM系统相比，3G的标准和协议实现了更高的传输效率，使得网络可以支持实时的移动多媒体服务，提供QoS控制的语音/音频和数据/文本的业务流。

----《通信世界》