IPTV業務中的應用層差錯控制技術分析

夏宏飛 呂曉鵬 劉 峰

摘要:在IP網絡上提供網絡電視(IPTV)業務要面對傳輸帶寬、傳輸延時和抖動、丟包等困難。以終端為中心的實現方案通過在接收終端以及信源編碼中加入一定的控制策略如擁塞控制策略、差錯控制策略,可以較好地改善圖像質量。在IP網絡上采用端到端的應用層可靠性解決方案,能很好的提供IPTV業務。應用層前向糾錯(AL-FEC)技術解決網絡丟包問題,從而保證端到端的可靠性。

關鍵詞:IP網絡;網絡電視;應用層差錯控制;應用層前向糾錯

Abstract: IP networks will face such difficulties as transmission bandwidth, delay, jitter and packet loss when they provide IPTV services. A terminal-centric implementation solution can better improve the image quality by add certain control policies like congestion control and error control to both the receiving terminal and source code. An end-to-end application layer reliability method is often required to satisfy the IPTV requirements in the IP network. The Application Layer Forward Error Correction (AL-FEC) technology solves the problem of packet loss, therefore, it can ensure the end-to-end reliability for IPTV services.

Key words:IP networks; IPTV; application layer error control; AL-FEC

隨著現代網絡和多媒體業務的發展,人們已經不再滿足于在IP網絡上進行傳統的網頁瀏覽、視頻下載、郵件發送等,開始關注并利用IP網絡提供交互式電視業務,即網絡電視(IPTV)業務。

IPTV這類視頻流業務具有信息量大,實時性強等特點。由于傳統的IP網絡更多考慮的是不保證實時傳輸的數據通信,而如今要在IP網絡上進行實時多媒體業務的傳輸,面臨著許多問題[1]。

目前的解決方案主要從網絡和終端兩方面進行研究[2]。根本的解決方案是從網絡本身入手,但基于網絡的解決策略對網絡的體系結構有較為嚴格的要求,在實際應用中存在較多困難。而以終端為中心的實現方案通過在接收終端以及信源編碼中加入一定的控制策略如擁塞控制策略、差錯控制策略,可以較好地改善圖像質量。這種不改變IP網絡結構體系,針對IP網絡中擁塞產生碼流數據包丟包或者傳輸錯誤造成的圖像質量下降問題,選擇基于應用層的差錯控制技術來提高IPTV業務的服務質量(QoS)成為研究熱點。應用層差錯控制技術主要分為編碼端的前向糾錯編碼、解碼端的后處理差錯隱藏、編碼端和解碼端的交互差錯控制等[3]。

1 應用層差錯控制技術

1.1 編碼端的前向糾錯編碼

編碼端的前向糾錯編碼是指在進行信源編碼及信道編碼時,采取某種措施使編碼碼流具備一定的差錯復原能力,即糾錯編碼。主要有分層編碼(LC)、多描述編碼(MDC)以及結合兩者的分層多描述或多描述分層編碼策略等。

(1)分層編碼

分層編碼(LC)是指將視頻信息編碼成一個基本層(BL)和一個或多個增強層(EL)。其中,BL提供較低但是可接受的視頻質量,每個EL在BL的基礎上逐漸提高視頻質量。在BL中包含了視頻信息中最重要的內容,如運動矢量信息等,一旦BL信息丟失,那么EL信息就是無效的。分層編碼使得具有不同帶寬或解碼能力的接收者能訪問同一個視頻源,獲得不同的服務質量。分層編碼的可分級形式很多,通常包括空域可分級、時域可分級、信噪比可分級以及這些分級選項的組合等。

(2)多描述編碼

多描述編碼(MDC)是解決多媒體信息實時傳輸問題的一種有效方法。在這種系統中,一個原始視頻序列將被編碼成兩個或者更多的數據流(我們將這樣的數據流稱為對視頻源的描述),且每一個數據流都可以被獨立地解碼出來。多描述編碼有幾個主要的屬性:(a)多描述編碼產生的每一個描述都是獨立的,都可以重構一定質量的視頻。(b)每個描述符之間都存在著互補的信息,收到的描述符數量越多,重構的視頻質量越高。(c)多描述適合于丟包的環境,例如網絡傳輸,因為對同一視頻的多個描述被封裝在不同的數據包里,這樣當某些數據包丟失時,解碼端就可以根據己接收到的數據包來獲得一個較差質量的圖像,而當接收到的數據包越多時,解碼端的重建圖像質量越好。多描述編碼實現的方法很多,主要多描述量化、多描述變換編碼、多描述運動補償以及多描述亞采樣等。

(3)分層多描述或多描述分層編碼

基于分層編碼與多描述編碼的特點,可以將多描述編碼與分層編碼技術相結合,發揮兩者各自的優勢,在保證系統性能的前提下,實現對多終端用戶的實時傳輸。根據結合方式的不同可分為具有多描述性的可分級編碼和具有可分級性的多描述編碼兩種。

1.2 解碼端的后處理差錯隱藏

在編碼端,通過利用碼流中的冗余信息來對抗差錯。而解碼端的后處理差錯隱藏是一種可以獨立于編碼的處理技術,它本身并不改變由于網絡傳輸而引起的差錯,而是充分利用已接收到的視頻序列在時域和空域的相關性,采取某些后處理技術,盡可能掩蓋出現的差錯,使圖像的視覺效果接近于不發生差錯時的效果。換句話說,差錯隱藏技術不對編碼器作任何要求,不需要增加編碼冗余度,即不增加通信的傳輸負擔,這種方法屬于視頻信息的后處理方法,原則上對任何圖像編解碼格式和標準都適用,因此其應用范圍很廣,是一類較為有效的提高視頻質量方法。差錯隱藏主要分為空域差錯隱藏、無運動補償的時域差錯隱藏和基于運動補償的時域差錯隱藏等三大類。

1.3 編碼端和解碼端的交互差錯控制

除了在編碼端的前向糾錯編碼和解碼端的后處理差錯隱藏外,還可以利用解碼端的反饋信息來控制編碼,以進行差錯控制。另一類交互手段就是普通數據傳輸中常用的重傳機制。

1.4 存在的問題

上述幾種差錯控制技術,確實可以在一定程度上提高視頻傳輸的魯棒性。但同時也存在著一些明顯的缺點,降低了它們的實用價值。

在第一類編碼端的前向糾錯編碼方法中,都是通過增加冗余信息來實現的。由于信道的時變特性,在進行差錯控制時,都是依據信道的最壞情形來添加冗余信息,缺乏靈活性,浪費有限的帶寬資源。而且添加的冗余信息改變了原來的碼流結構,不利于編解碼的進行。

第二類解碼端的后處理差錯隱藏技術既不會降低編碼效率,又不會破壞碼流結構和兼容性。但是它的差錯控制能力有限,只能針對誤碼率較低的情況,一旦信道誤碼率較高時,圖像受損的部分過多,僅僅靠后處理的方法很難獲取可接受的圖象質量。

第三類編碼端和解碼端的交互差錯控制需要通過反饋信息來實現,如果是少數丟包情況出現的話,此方法比較適用;但出現丟包較多時,只可能導致網絡狀況的進一步惡化。

IPTV業務中規定的視頻質量要求至少達到廣播電視的視頻質量[4],從分辨率來講,標清電視(SDTV)的分辨率為720×576,而高清電視(HDTV)的分辨率可以為1 920×1 080。針對這樣的視頻質量要求,將分層編碼或者多描述編碼技術應用于IPTV中,實際上是以降低視頻質量為代價來達到可以觀看的效果,對于要實現真正IPTV的視頻質量是不可能的。而且多描述編碼在低丟包率情況下的效果反而不如單描述編碼。換句話說,通過分層編碼或者多描述編碼技術無法從根本上解決IPTV中的問題。但對于開展與IPTV業務相似的其他業務時,這些技術是可利用的。比如采用P2P技術的Joost、PPlive、Sopcast等(因為它們對視頻質量沒有具體要求)。而差錯隱藏作為一種后處理技術,抵抗差錯的能力有限,但在解碼端的后處理差錯隱藏中提到的特點決定了可以將此技術應用于IPTV業務中。編解碼端的交互差錯控制在IPTV業務中被廣泛用到,通過重傳來解決小部分的丟包問題是切實可行的。總的來說,這些技術無法從根本上保障IPTV業務的順利開展。

2 應用層前向糾錯

基于以上這些缺點,使用這幾種差錯控制技術并不能保證IPTV業務的視頻傳輸質量,但如果在IP網絡上采用端到端的應用層可靠性解決方案,則能很好的提供IPTV業務[5]。事實上應用層前向糾錯(AL-FEC)技術就提供了這樣一種簡單而強有力的方法來解決網絡丟包問題,從而保證了端到端的可靠性。與鏈路層和物理層FEC(主要是實現糾錯功能)相比,AL-FEC透明地工作在IP層之上的應用層,它應用在諸如IPTV流之類的特殊的端到端應用流。一種典型的應用情況是,AL-FEC發送端在IPTV服務器處對所有或選擇的一組IPTV流進行處理,然后相應的AL-FEC接收端在終端設備處進行處理。AL-FEC的價值在于IPTV流在即使有丟包的情況下,終端用戶的觀看質量可以和原始視頻流一樣高。IPTV中的AL-FEC大致可分為3種[6]:Raptor編碼、Pro-MPEG CoP3編碼以及FEC與重傳相結合。

AL-FEC的基本思想在于糾刪碼的使用。在AL-FEC發送端,對IPTV流進行分割,分成大小相同的數據包,通過糾刪碼編碼器對這些數據包編碼產生修復數據包,將修復數據包和原始數據包一同發往接收端。在AL-FEC接收端,糾刪碼譯碼器通過修復數據包和原始數據包來恢復所有的原始IPTV流。理想的情況是:接收端只要接收到N 個編碼數據包中的任意K 個數據包就能完全恢復所有數據,整個過程如圖1所示。

2.1 Raptor編碼

從整個AL-FEC機制來看,操作比較簡單,不需要對原有的網絡協議棧進行大的改動。但是糾刪碼的種類很多,選擇何種糾刪碼成為AL-FEC成敗的一個關鍵因素。噴泉碼作為一類新興的具有創新性的糾刪碼可被用于任何概率的刪除信道。第一種有效和實用的噴泉碼即LT碼。并在此基礎上,擴展LT碼后形成了Raptor碼。Raptor碼擁有很低的接收開銷和系統碼等特性。將Raptor碼應用于IPTV業務中成為一種很具吸引力的選擇。數字視頻廣播(DVB)的IPTV應用和3GPP的多媒體廣播組播業務(MBMS)都選擇了Raptor碼作為其AL-FEC規范[7-8]。

數字噴泉碼[9]的編碼器就像噴泉噴涌,能夠源源不斷的產生無窮多個編碼數據包。假設源文件的大小為Kl比特,編碼器每次輸出的碼元大小為l 比特,而接收端接收過程可以形象地比喻成拿水桶到噴泉下接水一樣,當接收的碼元數目比K 稍大一點時,就能恢復源文件。

噴泉碼是碼率無關的,由源文件經過編碼產生的碼元數目不受限制,可以產生無限多的碼元,這樣一種與碼率無關的編碼方式決定了它具有很重要的實際應用價值,它不需要像傳統的糾刪碼那樣對信道的刪除情況有個預判,靈活性大大增強。

Michael Luby[10]找到了一種具有線形編譯碼復雜度的數字噴泉碼編碼方式,稱為LT碼。LT碼編碼和譯碼的代價僅為k logek(其中k 是文件大小),而Raptor碼是一種比LT碼編譯碼復雜度更低的噴泉碼,它通過預編碼技術可以允許在無損誤碼性能的條件下,進一步降低LT碼度分布概率(用來形成編碼生成矩陣)的復雜度,實現大數據包條件下,編碼復雜度與k無關,譯碼復雜度與k 呈線形關系。換句話說,因為有了預編碼這一過程,通過LT碼譯碼只需恢復一部分間接數據包,再用傳統糾刪碼來恢復所有的數據包。圖2為Raptor碼編碼過程[11]。

通過使用AL-FEC(Raptor),提供了應用層端到端的可靠性[12]。

AL-FEC(Raptor)的優勢:

被DVB-H、3GPP、IETF采用,足以說明該方法存在的巨大優勢;

能對抗高丟包率情況,擁有靈活的糾錯能力(針對不同的文件及不同的丟包率設置不同的保護參數);

高效性,只需很少的修復數據來保證重構源文件;

高效的編譯碼效率,只需用軟件實現,很容易部署;

縮短了整個文件的傳輸時間;

無約束的源塊大小來適應各種文件;

提高覆蓋范圍,適合于廣播和組播環境;

與物理層FEC結合,成為一種最為高效的解決方案;

很好的向后兼容性。

AL-FEC(Raptor)的劣勢:

必須與物理層及鏈路層的FEC相結合使用;

網絡帶寬代價一般在5%～10%;

文件過小并不適用。

2.2 Pro-MPEG CoP3編碼

Pro-MPEG CoP3[13]編碼其實就是一種簡單的奇偶檢驗碼,它可以分為CoP3 1D(對行或列進行編碼)和CoP3 2D(對行與列都編碼)。圖3為編碼過程:分別對一行或一列數據包進行異或產生一個編碼數據包。

當僅使用CoP3 1D時,生成的編碼數據包為圖3中最下面一行或者最右面一列,它只能保護一行或一列中出現一個數據包丟失的情況,如果原始數據包序列中出現連續兩個數據包被丟失(比如數據包0和數據包1或者數據包0和數據包L ),則丟失的兩個數據包將無法恢復。但當使用CoP3 2D時,這種情況將不會出現。

如果使用CoP3 2D,一般需要20%的冗余。它最大的優點就是操作簡單,但由于它以極大的消耗網絡帶寬為代價換取傳輸的成功率,使得它的利用率很低。

2.3 FEC與重傳相結合

當使用這種解決方案時,先通過FEC恢復絕大部分的丟失數據,然后剩余的小部分未被恢復的數據通過重傳來獲取。由于網絡狀況的不同,選擇何種FEC技術成為此方案好壞的一個關鍵。

在通過不對稱數字用戶線(ADSL)來開展的IPTV業務中已經使用到了這樣的技術[14],其中絕大多數選擇使用Pro-MPEG CoP3編碼作為FEC技術(編解碼過程簡單)。它的優點就是增大了恢復丟失數據的概率以及減輕了原來重傳服務器的負擔。它的缺點是沒有一個快速的頻道切換方案,當使用Pro-MPEG CoP3編碼時,應對隨機丟包情況時保護程度不夠。

3 結束語

隨著IPTV業務的深入開展,如何保證視頻質量成為IPTV業務成敗的關鍵。無論是編碼端的前向糾錯編碼、解碼端的后處理差錯隱藏或者編碼端和解碼端的交互差錯控制技術,雖然能夠在一定程度上提高視頻傳輸的魯棒性,但它們自身存在的缺點使得它們不可能成為解決IPTV業務問題的完美方案。近幾年,標準化組織已經對AL-FEC進行了評估并由于它的極佳性能而采用了這種技術。而且隨著Raptor碼的研究深入,使得AL-FEC技術由理論開始轉向實用。

4 參考文獻

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[14] LI Zhi, ZHU Xiaoqing, BEGEN A C, et al. Forward and retransmitted systematic lossy of error protection for IPTV video multicast[C]//Proceedings of the 17th International Packet Video Workshop (PV09), May,11-12,2009, Seattle, WA,USA. Piscataway, NJ,USA: IEEE, 2009: 9.

收稿日期:2009-05-25

夏宏飛,中興通訊股份有限公司業務研究院預研部主任工程師,從事IPTV、視頻監控等多媒體業務關鍵技術的預研工作。

呂曉鵬,南京郵電大學圖像處理與圖像通信江蘇省重點實驗室在讀碩士研究生,研究方向為實時視頻傳輸中的信道編碼技術——噴泉編碼。

劉峰,南京郵電大學通信與信息工程學院副院長、教授,長期從事圖像處理與多媒體通信的教學與科研工作。