3G網絡實時視頻傳輸動態調整策略

趙娟

（中國地質大學（武漢）信息技術教學實驗中心，湖北 武漢 430074）

現在國內流行的3G無線網絡有CDMA2000 EVDO、WCDMA和TD-SCDMA，它們都擁有一個共同的特點，就是網絡的波動性大、誤碼率高、傳輸延遲大以及相對網絡帶寬比較窄[1]。而應用在有線網絡的很多業務，包括視頻會議、視頻監控、IPTV等正逐步向3G無線網絡的領域拓展。要在這樣的網絡環境中實現實時視頻的流暢傳輸，那么比較高效的傳輸策略就是非常必要的。本研究從3G網絡的自身特性出發，利用RTP協議對網絡關鍵參數進行統計，再根據統計的規律來指導經TMS320DM365壓縮的實時視頻的傳輸，從而進一步驗證這種統計策略的可靠性。

1 3G網絡評估參數分析與量化

1.1 RTP協議參數分析

鑒于3G網絡的特殊性，衡量其網絡特性的參數也相對復雜。本研究主要是依據RTP協議[2]里定義的兩個重要參數丟包率和時間抖動來估計3G網絡特性。其中，丟包率統計的是最近一段時間間隔內網絡丟失數據的情況，而時間抖動則是數據包到達時刻統計方差的估計值，其能有效地評估網絡的變化趨勢。這兩個參數結合起來使用，就可以對當前的網絡狀況進行有效估計，同時，又能估測出網絡的變化趨勢，為實時視頻傳輸時的動態調整給予有效的參考。

1.2 網絡參數歸一化

對于網絡特性參數的測試，可以采用依據RTP協議編寫的函數庫 jrtplib-3.7.1[3]和 jrtpthread-1.2.1[4]，該函數庫具有很好的兼容性，可以在多種操作系統中應用。這里主要將其應用在ARM開發平臺TMS320DM365上和PC平臺的VC2008開發環境中。

經過大量實驗數據統計，可以得到如下的規律：（1）丟包率總體處于[0，1]之間，在網絡可控的條件下，丟包率大多數保持在20%以下，而出現網絡瞬間抖動時，丟包率會達到30%以上；（2）時間抖動總體在[2 000，20 000]（單位為RTP時間戳）之間，網絡狀況較好時，時間抖動基本在[2 000，10 000]之間，分布比較平穩，當出現網絡瞬間抖動時，時間抖動就會出現跳躍，達到20 000以上。

為了能夠對當前網絡進行很好的描述及有效的估計，系統中需要將兩個參數結合起來研究。但由于兩個參數的分布范圍不同，那么就需要將其規范化，最有效的辦法就是將時間抖動的統計數據進行歸一化。

首先，利用數據規范化的方式——最大最小值法進行初步歸一化。方法如下。

設 x=（x1，x2，…，xn），建立映射 f1：

其 中 xmax=max（x）=max（x1，x2， … ，xn），xmin=min （x）=min（x1，x2，…，xn），這樣，原始的時間抖動數據就基本可以保證處于[0，1]之間。

其次，利用sigmoid函數進一步調整歸一化的時間抖動的分布區域。

設 x=（x1，x2，…，xn），建立映射 f2：

這樣就可以使得數據較集中于[0，0.5]之間。

最后，經過前面兩個過程的數據分析，就可以得到整體的歸一化函數

其 中 ，xmax=max（x）=max（x1，x2， … ，xn），xmin=min（x）=min（x1，x2，…，xn），α=0.000 1。

通過對[2 000，20 000]之間的數據進行歸一化得到如圖1所示的曲線。

圖1 時間抖動量化曲線

從圖1中可以看出，經過量化的數據，在時間抖動處于2 000～10 000之間時，分布比較平穩集中；而在10 000～20 000之間，分布就相對比較分散。這正符合時間抖動統計的規律，即網絡通暢時，時間抖動較小，變化平穩，就需要被細化，有利于視頻傳輸數據的動態調整；而網絡擁擠或出現抖動時，通常時間抖動都比較大，只需要粗略估計描述變化趨勢即可。

2 分組估計網絡狀況和網絡狀態[5]

2.1 網絡狀況分組估計

考慮到3G無線網絡的動態特性，它總是伴隨著時間、空間的變化而逐漸變化的。系統中不僅要能統計出當前3G網絡的狀況，還要能預測出隨后網絡的變化趨勢，那么就需要將丟包率和時間抖動這兩個參數結合起來。本研究采用線性組合的方式估計網絡的整體狀況，即：

其中，i表示分組統計中的第 i次；P（i）表示第 i次的丟包率，描述最近時間段內網絡的丟包狀況，即網絡當前狀況；J（i）表示第 i次的時間抖動，估計網絡即將變化的趨勢；Y（i）表示網絡總體狀況；比例系數 α能有效調節丟包率和時間抖動在整體網絡估計中的作用。當丟包率起主導作用時，可以調節使α增大，反之則減小。

為進一步說明式（4）對3G網絡的有效評估，特做出大量的實驗數據統計，結果如圖2所示，其中，α取0.7。測試條件為：TMS320DM365開發平臺的編碼模式設為圖像大小 CIF，圖像質量 A，幀率 15 f/s，GOP=15[6]。 可以看出，網絡總體狀況Y（i）得到了充分地平滑，而對網絡的變化趨勢也能有效估計，這說明式（4）的線性組合具有一定的可靠性。

圖2 網絡狀況測試曲線

2.2 網絡狀態的定義

網絡狀況的分組統計，其時間較短，系統默認為5 s，這段時間內不利于實時傳輸視頻流的調整；同時，為了增加網絡狀況估計的可靠性，就有必要對這個分組統計的結果計算概率分布?？梢詫⒕W絡狀態分為輕載、滿載和擁塞3種狀態，如圖3所示。

圖3 網絡狀態

設定閾值 T1、T2，且 0＜T1＜T2＜1。當 0＜Y（i）＜T1 的概率P1高于設定閾值PT1時，網絡處于輕載狀態，可以逐漸增加視頻數據傳輸的速率，直到網絡處于滿載狀態；當 T2＜Y（i）＜100%的概率 P3高于設定值 PT2時，網絡處于擁塞狀態，必須迅速減小視頻數據傳輸的速率，直到網絡回到滿載狀態；除此之外，都表明當前網絡狀態正常，可以繼續維持這一狀態。

注意：T1應取較低的值以避免產生QoS振蕩，T2的選取標準是網絡傳輸的數據丟失程度，雖然已比較高但解碼后的視頻效果仍在可接收的范圍內。這里取T1=3%，T2=10%。PT1和PT2可以依照實際網絡狀況而定。

3 TMS320DM365平臺視頻數據傳輸

3.1 TMS320DM365平臺視頻流分析[6-7]

TMS320DM365采用的是 TI的 DaVinci系列架構，集成了一個ARM926EJ-S內核，一個H.264高清編解碼協處理器HDVICP和一個MPEG-4/JPEG高清編解碼協處理器MJCP，可以支持H.264/MPEG-4的高清視頻的編解碼。它能夠調節輸入視頻的亮度、對比度、色調、銳度和飽和度，同時，又能夠通過程序來設定分辨率、比特率和幀率。

影響TMS320DM365開發平臺上H.264格式的視頻碼流的主要參數有圖像質量、GOP（Group of Pictures）、幀率和圖像大小。經過對這些參數的分析，并結合對圖像質量、運動補償以及視頻流暢性等諸多方面的考慮，按照視頻數據碼流大小進行實驗統計，得到的結果如表1所示。

表1 視頻調整參數統計

3.2 視頻傳輸碼流動態控制

針對圖3所示網絡狀態的定義，以及實時視頻流對3G網絡的反應速度，結合如表1所示不同視頻模式碼流的區別，設計程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

初始條件下，視頻硬件編碼器TMS320DM365設定為模式4（如表1中所示），碼流基本保證在 40 kb/s左右，在現有的3G網絡狀況條件下，可以保證這種視頻流的順暢傳輸。而一旦網絡狀況變得比較擁塞時，短時狀態中統計的P3超過了閾值PT2，系統就可以迅速將視頻編碼模式向低級模式切換，以降低視頻碼流來適應網絡帶寬；而當網絡狀況變得通暢處于輕載時，長時狀態中統計的P1超過了閾值PT2，系統就可以向高級模式切換，提高圖像質量，直到網絡處于滿載。經過系統總體的測試，發現這種動態調整的視頻碼流傳輸策略能有效地適應變化的3G網絡帶寬。尤其在局域范圍內網絡比較擁塞時，系統能夠迅速切換進入低級模式，處于視頻碼流較低情況，以占用較少的網絡資源，實現流暢的傳輸。

此外，在有些特殊的系統當中，可能有些需要視頻質量比較高，而有些則需要對運動變化的圖像有較好的補償，那么，就可以通過設定初始條件下的視頻模式或改變動態調整過程中的視頻模式，來滿足這些要求?？傊?，對TMS320DM365硬件參數的不同設定，都可以有效改變實時視頻傳輸系統的總體性能。

本研究中通過對RTP協議的利用，實現了對3G網絡狀況的總體估計，引入了網絡狀態的判斷分布，從而指導TMS320DM365開發平臺不同模式之間的切換，使得實時視頻流能夠適應變化的3G網絡。但是，如果能采用更多的參數來衡量網絡狀況的話，將能夠進一步提升網絡估計的準確性。此外，本研究的核心是通過網絡估計控制實時視頻流以適應網絡的變化。當網絡因抖動頻繁或是視頻模式切換不及時而出現丟包率比較高時，視頻的解碼顯示就會產生比較明顯的馬賽克現象。因此，系統可以在圖像傳輸的過程中采取其他的辦法，比如通過增加冗余數據包來恢復丟失的數據，或者是在視頻解碼時加入補償算法來恢復丟失的圖像數據等，從而進一步提升圖像質量。

[1]STOCKHAMMER T， HANNUKSELA M M， WIEGAND T.H.264/AVC in wireless environments[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology， 2003，13（7）：657-673.

[2]SCHULZRINNE H， CASNER S， FREDERICK R， et al.RTP：A transport protocol for real-time applications[S].RFC3550，2003.

[3]LIESENBORGS J.JRTPLIB 3.4.0[Z].2006.

[4]LIESENBORGS J.JThread manual（v1.2.1）[Z].2006.

[5]盛先剛.基于RTP的 H.264視頻傳輸系統研究[D].西安：西安電子科技大學，2006.

[6]TexasInstrumentsIncorporation.DM365-DVR reference design user guide document version 1.1[Z].2009.

[7]BAROT S， SHAIK K， SRINIVASAMURTHY N， et al.ApplicationparametersettingsforTMS320DM365 H.264 encoder[Z].Texas Instruments Incorporation.2010.