無線視頻傳輸系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)

摘 要： 分析了現(xiàn)有的無線視頻傳輸系統(tǒng)，介紹了實現(xiàn)無線視頻傳輸系統(tǒng)相關技術的研究現(xiàn)狀和技術動態(tài)，包括無線網(wǎng)絡接入方式、嵌入式處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、視頻傳輸協(xié)議、視頻編解碼等，展望了未來的技術發(fā)展趨勢。

關鍵詞： 無線網(wǎng)絡； ARM； 嵌入式操作系統(tǒng)； 視頻傳輸

中圖分類號： TN919.8?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）15?0029?03

0 引 言

隨著通信技術和計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，基于嵌入式的視頻傳輸系統(tǒng)得到了廣泛的應用，但是目前大部分嵌入式視頻傳輸系統(tǒng)都是采用有線網(wǎng)絡傳輸[1]，有線網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)存在線路布設復雜、成本高、施工周期長、移動性差等缺陷。由于無線網(wǎng)絡傳輸速率的提高，無線視頻傳輸逐漸成為人們研究的熱點。與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡視頻傳輸相比，無線網(wǎng)絡視頻傳輸系統(tǒng)安裝便捷、使用靈活、維護方便、易于擴展、性價比高，逐漸成為視頻傳輸系統(tǒng)研究開發(fā)的主流。無線視頻傳輸系統(tǒng)可以廣泛地應用于視頻監(jiān)控、信息家電、智能小區(qū)、遠程抄表等領域，因此對無線視頻傳輸系統(tǒng)的開發(fā)和研究有著重要的意義。

目前，無線視頻傳輸系統(tǒng)的研究開發(fā)還處于起步階段，研究者在設計實現(xiàn)系統(tǒng)的過程中對軟硬件資源的選型、關鍵技術的選擇不盡相同，本文在總結現(xiàn)有研究工作的基礎上，比較分析了各種技術方案，介紹了無線視頻傳輸系統(tǒng)的現(xiàn)狀并展望了其發(fā)展趨勢。

1 無線網(wǎng)絡接入方式

目前，無線網(wǎng)絡接入方式主要有：2G的GPRS[2]，3G的CDMA [3?5]，和以WiFi技術為代表的無線局域網(wǎng)[6?9]。

無線視頻傳輸對于誤碼率、切換效率、時延、帶寬穩(wěn)定性等方面要求較高，歐洲、美國、韓國一些國家已經(jīng)運營基于2G網(wǎng)絡的家庭無線移動監(jiān)控業(yè)務，但由于無線網(wǎng)絡帶寬受限，存在時延較大和圖像清晰度差的問題，效果不盡如人意[5]。國內(nèi)的一些研究者也有采用GPRS網(wǎng)絡進行無線視頻傳輸?shù)模浅晒Π咐⒉欢唷?/p>

3G網(wǎng)絡高至2 Mb/s的速率將為無線視頻傳輸提供有力的支持，無線網(wǎng)絡帶寬的瓶頸再一次被突破。3G主要的技術優(yōu)點是極大地增加了系統(tǒng)容量、提高了通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率，不少研究者在此基礎上研究設計無線視頻傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了相比于2G更高清晰度、更加流暢的視頻圖像。

基于IEEE802.11協(xié)議的無線局域網(wǎng)WLAN可以提供高達54 Mb/s的傳輸速率，其帶寬足以應對視頻數(shù)據(jù)的傳輸。WLAN具有安裝便捷、維護方便、易于擴展、保密性強等特點，相較于其他無線接入方式還具有經(jīng)濟性好、部署容易、局部最優(yōu)等優(yōu)勢。因此，許多研究者采用無線局域網(wǎng)絡進行無線視頻傳輸，并取得較理想的實驗效果。

以上的無線網(wǎng)絡接入方式各有特色，但也存在各自的問題[10]：

（1）基于2G/3G無線移動網(wǎng)絡的視頻傳輸系統(tǒng)業(yè)務承載速率較低，畫面清晰度差；

（2）基于WLAN無線局域網(wǎng)的視頻傳輸系統(tǒng)的攝像頭無法滿足攝像前端高速跨區(qū)移動的需求。

LTE作為3G的長期演進，在當前的移動行業(yè)無疑是最引人關注的話題。其下行峰值速率為100 Mb/s、上行峰值速率為50 Mb/s，被視作從3G向4G演進的主流技術。未來即將成熟的LTE?Advanced，下行峰值速率為1 Gb/s、上行峰值速率為500 Mb/s。因此，基于LTE的無線網(wǎng)絡帶寬完全可以與有線網(wǎng)絡媲美。

LTE/LTE?Advanced具有高帶寬、低時延、低成本等優(yōu)勢，比其他無線網(wǎng)絡更加適合大規(guī)模開展無線視頻傳輸業(yè)務。基于LTE/LTE?Advanced的無線視頻傳輸系統(tǒng)主要有以下特點[10]：實現(xiàn)高清視頻圖像傳輸；實現(xiàn)高質(zhì)量視頻傳輸業(yè)務的移動化；保障視頻傳輸設備的小型化。

采用LTE網(wǎng)絡進行無線視頻傳輸可有效解決當前無線視頻傳輸面臨的主要問題，為用戶提供低成本高清晰度的視頻圖像，可以應用于車載、即攝即傳、工地及其他偏遠地區(qū)的視頻監(jiān)控等行業(yè)，未來必將極大地帶動無線視頻傳輸業(yè)務的發(fā)展[11]。

2 嵌入式處理器

在無線視頻傳輸系統(tǒng)設計中，嵌入式處理器作為主控單元，實現(xiàn)各個模塊之間的調(diào)度，其性能好壞影響整個系統(tǒng)。所以，要根據(jù)系統(tǒng)的功能，對所需的硬件進行綜合的考慮與選擇。

嵌入式處理器種類繁多，常見的有MIPS、DSP、ARM、Power PC等系列。ARM處理器具有高性能、低成本、低功耗的特點，目前應用最為廣泛。在無線視頻傳輸系統(tǒng)的設計中，常用的嵌入式處理器內(nèi)核主要有ARM7， ARM9 [6，8?9]， ARM11[2，7]。

相較于ARM7，ARM9在高性能和低功耗方面提供了最佳的配合，其時鐘頻率更高，有MMU（內(nèi)存管理單元），能更好地支持Linux、WinCE等大型的操作系統(tǒng)。而ARM7沒有MMU，只能運行小型的系統(tǒng)如μClinux、eCos等。

ARM11處理器在提供超高性能的同時，還保證了低功耗、小面積。其媒體處理能力和低功耗特點，特別適用于無線和消費類電子產(chǎn)品。

然而，在無線視頻傳輸系統(tǒng)設計中，嵌入式處理器的選取主要從以下三方面考慮：性能穩(wěn)定，能夠滿足系統(tǒng)需求；成本低，經(jīng)濟實用；方便功能擴展。由于ARM9在高性能和低功耗方面提供了最佳的配合，既能滿足系統(tǒng)要求，又具有較成熟、廣泛的應用，因此，ARM9更經(jīng)濟實用，更具有市場競爭力，成為無線視頻傳輸系統(tǒng)中最常用的處理器。

3 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operating System，EOS）是嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，負責嵌入式系統(tǒng)全部軟件和硬件資源的分配、任務調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)程序，通過裝卸某些功能模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有Linux [2，6-9]，WinCE，VxWorks等。

3.1 嵌入式Linux

嵌入式Linux是將標準的Linux操作系統(tǒng)進行裁剪修改，使之運行在嵌入式設備上的一種操作系統(tǒng)。它以自身的諸多優(yōu)勢，在嵌入式領域中已成為應用最廣泛的操作系統(tǒng)。

嵌入式Linux具有的優(yōu)勢如下：

（1）內(nèi)核精簡，各部分的功能明確，可擴展性強，容易剪裁；

（2）源代碼完全開放，軟件支持廣泛，開發(fā)環(huán)境良好；

（3）性能穩(wěn)定，適應多種CPU和硬件平臺；

（4）網(wǎng)絡通信功能完善，支持千百兆以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡、光纖等。

3.2 WinCE

WinCE是微軟公司開發(fā)的一個多任務、多線程、完整優(yōu)先權的嵌入式操作系統(tǒng)，它與Windows系統(tǒng)有很好的兼容性，通信功能強大，支持多種CPU。但是由于其源代碼是非公開的，因此使用該操作系統(tǒng)需要版權費用，且價格較高，這使得產(chǎn)品的開發(fā)成本也隨之提高。此外，該系統(tǒng)還存在可定制性差、應用程序龐大、占用內(nèi)存大等缺點。

3.3 VxWorks

VxWorks系統(tǒng)是1983年美國WindRiver公司研發(fā)的一種嵌入式操作系統(tǒng)，具有良好的實時性、可靠性、可剪裁性、微秒級中斷處理和開發(fā)環(huán)境友好等諸多的優(yōu)勢。它以其高可靠性和良好的實時性被廣泛地應用在軍事通信、航空航天、彈道制導、飛機導航等高精尖技術領域中。但是該操作系統(tǒng)存在著費用昂貴的弊端，且其局限性太強。

4 視頻傳輸協(xié)議

目前網(wǎng)絡傳輸協(xié)議主要有TCP協(xié)議[7]和UDP協(xié)議兩種，而TCP協(xié)議的應用最為廣泛。

TCP協(xié)議是面向連接的協(xié)議，能夠保證數(shù)據(jù)的相對可靠傳輸，但其傳送機制和擁塞控制不能滿足實時性傳輸，一般都采用UDP協(xié)議進行實時數(shù)據(jù)傳輸。UDP協(xié)議是一種無連接、不可靠的傳輸協(xié)議，具有資源消耗小，處理速度快等優(yōu)點，在視頻傳輸過程中偶爾丟失一兩個數(shù)據(jù)包也不會對接收結果產(chǎn)生太大影響。

雖然UDP協(xié)議能夠滿足傳輸?shù)膶崟r性，卻無法提供差錯控制，因此也不適合視頻傳輸。在這種情況下，Internet工程任務組（Internet Engineering Task Force，IETF）提出了實時傳輸協(xié)議（Real?time Transport Protocol，RTP），它是針對Internet上實時數(shù)據(jù)流的一種傳輸協(xié)議，運行于UDP之上，為數(shù)據(jù)包提供時間信息和實現(xiàn)流同步。RTP本身只保證實時數(shù)據(jù)的傳輸，依靠實時傳輸控制協(xié)議（Real?time Transport Control Protocol，RTCP）提供可靠的傳送機制、流量控制和擁塞控制這些服務。因此，RTP和RTCP配合使用特別適合傳送實時數(shù)據(jù)。

由于無線視頻傳輸系統(tǒng)對實時性有較高的要求，為了滿足高實時性的特點，許多研究者采用RTP/RTCP協(xié)議作為視頻傳輸協(xié)議[3?4，6，9]。目前RTP是公認的最好的流媒體實時傳輸方案。

5 視頻編解碼

巨大的視頻信息量給存儲和傳輸帶來極大的困難，因此，在視頻進行網(wǎng)絡傳輸前對其進行壓縮處理是十分必要的。目前，國內(nèi)外研究者已提出多種有效的視頻編解碼技術并制定一系列視頻編碼標準。

國際上制定視頻編碼標準主要有兩大標準化組織：國際電信聯(lián)盟（ITU?T）的視頻編碼專家組（Video Coding Expert Group，VCEG）和國際標準化組織（ISO/IEC）的運動圖像專家組（Motion Picture Expert Group，MPEG）。他們針對不同的應用目的，制定形成多個系列的視頻編碼標準。常見的有ITU?T提出的H.26X系列標準，如H.261，H.262，H.263， H.263+和H.263++等；ISO/IEC提出的MPEG系列標準，如MPEG?1，MPEG?2和MPEG?4等。2003年，這兩大視頻編碼標準化組織聯(lián)合制定了H.264/AVC。該標準在ITU?T稱為H.264；在ISO/IEC則稱為MPEG4?Part 10 AVC（Advanced Video Coding）。

H.264/AVC是目前最先進的編碼標準，具有高質(zhì)量、低比特率、高編碼效率、網(wǎng)絡適應能力強、容錯能力強等優(yōu)點，特別適合應用于無線視頻傳輸中。由于其出色的視頻編解碼能力，被很多人所青睞[12]。

6 結 語

無線視頻傳輸系統(tǒng)是一個綜合性的系統(tǒng)，其發(fā)展受制于各種相關技術的發(fā)展。在不斷發(fā)展的嵌入式技術、網(wǎng)絡技術和多媒體技術的綜合推動下，無線視頻傳輸系統(tǒng)即將進入快速發(fā)展期，并朝著產(chǎn)業(yè)化、智能化、高清化發(fā)展。

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