基于多路并行的3G視頻傳輸系統設計與實現

萬云杰，張 磊，吳澤民，柳 林

(1.解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007；2.海軍92665部隊，湖南 慈利 427200；3. 中船重工集團第722所，湖北 武漢 430079)

基于多路并行的3G視頻傳輸系統設計與實現

萬云杰1,2，張 磊1，吳澤民1，柳 林3

(1.解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007；2.海軍92665部隊，湖南 慈利 427200；3. 中船重工集團第722所，湖北 武漢 430079)

針對3G視頻傳輸時低帶寬、高丟包以及不穩定的特點，提出一種利用WCDMA和CDMA2000多張網卡并行傳輸720P高清視頻的方案。該方案通過測試WCDMA和CDMA2000兩種3G上行帶寬，分析了3G上行的特點，確定了使用3G網卡的數量；提出了一種帶寬自適應方案和一種換路丟包重傳算法。測試結果顯示，該方案能夠很好地聚合帶寬、增強傳輸魯棒性，將丟包控制在1%以下，并且能夠流暢的傳輸視頻。

3G；視頻傳輸；帶寬聚合；帶寬自適應；丟包重傳

第三代移動通信在MTSI(Media Telephony Service for IMS)中提供了視頻通信的功能[1]。這種3GPP標準支持將H.264/AVC視頻數據封裝在RTP中進行傳輸[2]。MTSI這種典型的移動多媒體傳輸系統對端到端的延遲要求不超過 400 ms[3]， 以保證可接受的視頻質量和良好的用戶體驗。然而，信號衰減、設備移動、其他用戶接入以及其他原因都將引起帶寬抖動并且造成網絡擁塞[4]。無線誤碼丟包、擁塞引起的路由排隊丟包以及高延時引起的無效到達包會造成嚴重的視頻質量下降，因此需要盡量避免傳輸過程中出現嚴重的丟包現象。

在流媒體傳輸過程中，需要對網絡可用帶寬進行感知并且實時改變H.264編碼速率和發送速率[5]。當信道質量突然降低時，發送端將通過某種機制感知到可用帶寬的降低，并且改變編碼和發送速率。當編碼速率降低時，視頻質量也隨之下降。特別地當可用帶寬下降得特別厲害甚至網絡斷開時，視頻傳輸接近中斷。此時，視頻傳輸的魯棒性得不到保障[6]。

針對上述問題，本文設計了一種基于多3G鏈路聚合的傳輸方案，提出了一種可用的網絡自適應方案降低丟包率，利用多路3G負載均衡在聚合帶寬[7-8]的同時增強系統的魯棒性，同時提出了一種利用高帶寬鏈路重傳丟包的方案來加快重傳速度以保證視頻質量。

1 物理與系統框架設計

1.1 物理框架

本文設計系統分為客戶端和服務器端兩部分組成。客戶端負責采集和發送數據并對速率進行控制，服務器端負責接收、儲存和播放視頻，并反饋相關信息。其物理框架如圖1所示。

圖1 物理框架

圖1中客戶端主要由帶攝像頭的PC和3G發送模塊。客戶端通過攝像頭采集原始的視頻數據、經過H.264編碼通過多路3G發送至服務器端。在傳輸過程中，客戶端可通過服務器端反饋回來的RTT值判斷網絡擁塞狀況，并實時改變編碼速率以及發送速率，并根據當前情況進行丟包重傳。服務器端收到數據后進行H.264解碼并播放，同時返回客戶端所需參數。

1.2 系統結構框架

在使用3G進行視頻傳輸時，要求在保證實時性的條件下盡可能地提高視頻的傳輸質量。傳輸層協議TCP能夠無損地傳輸視頻數據，但其過多的重傳嚴重影響傳輸的實時性和效率。面向無連接的UDP協議能夠保證傳輸的實時性，但其本身沒有確認、重傳以及流量控制機制，無法很好地保障視頻傳輸的質量。

本系統根據3G信道低帶寬、高誤碼、帶寬不穩定的特點，在UDP協議的基礎上設計了一種帶寬自適應方案進行帶寬估計與丟包重傳，并且利用多路3G聚合帶寬、提高重傳效率并且增加系統的魯棒性。其系統結構框架如圖2所示。

圖2中，視頻原始數據經過H.264編碼后通過多路UDP發送至服務器端。服務器端接收數據后，通過原路返回相關參數并解碼播放。客戶端帶寬自適應模塊收到反饋參數后，計算各路帶寬、根據各路帶寬調度視頻數據并進行相應重傳。同時反饋控制參數至編碼模塊，改變編碼參數以適應網絡傳輸。

圖2 系統結構框架

2 視頻傳輸方案

2.1 使用3G網卡數量

使用多路3G網卡進行視頻傳輸是為了聚合帶寬、負載均衡的傳輸視頻數據，同時通過信道質量最好的鏈路重傳。當其中一條或者多條鏈路出現帶寬急劇下降時不會出現斷路或者總帶寬過低的情況。為確認同種3G在同時使用時相互是否有影響以及同時使用幾張網卡穩定性強，進行了多網卡并行傳輸測試。測試分為單路測試、同種多路測試、異種多路測試。測試系統如圖1所示。單路測試時，客戶端通過單路3G網卡以恒定速度發送UDP包至客戶端，包大小恒為 1 300 byte， 服務器端接收數據并統計平均吞吐量和丟包率。多路測試，客戶端使用多張3G網卡并行傳輸數據，發送速率和包大小同單路相同。每次測試時間為10 min，每種類型的測試進行10次。測試結果如表1所示。

表1 恒定速度發送UDP包情況下的測試結果

測試類型300kbit/s500kbit/s800kbit/s1000kbit/s平均吞吐量/(kbit·s-1)丟包率/%平均吞吐量/(kbit·s-1)丟包率/%平均吞吐量/(kbit·s-1)丟包率/%平均吞吐量/(kbit·s-1)丟包率/%單路WCDMA280358469857762366932273單路CDMA2000284352442983641519381642132路WCDMA574454920561152386219303682路CDMA200055775190017911049228153722453路WCDMA5184521918546317213397162154533路CDMA20006479367950440213552531140495862路WCDMA2路CDMA2000113515917638762825224934967152

表1中的內容為服務器端統計的平均吞吐量和丟包率。測試結果顯示，使用恒定速率發送數據，無論發送速率大小均會產生一定丟包。發送速率越大，產生丟包越高。使用兩路同種3G并行傳輸數據時，吞吐量接近單路的2倍，丟包率基本相同，起到了聚合帶寬的作用并且沒有產生過高的丟包。使用3路同種3G并行傳輸時，吞吐量與2路相比沒有明顯提高，丟包率明顯上升。同時使用2路WCDMA以及2路CDMA2000并行傳輸時，吞吐量明顯提升同時未引起丟包上升。

通過測試可得出結論，至多2路同種3G在同時使用時相互間不會產生明顯影響，可起到聚合帶寬作用，3路及3路以上同時使用時會引起吞吐量嚴重下降并產生過高丟包。不同種類3G在同時使用時，相互間無影響。因此，本系統選擇使用4路3G來傳輸視頻，其中WCDMA和CDMA2000各2路。

2.2 帶寬自適應

3G上行帶寬在實際使用中存在傳輸帶寬低、帶寬不穩定的特點，因此在視頻傳輸過程中如果沒有帶寬自適應機制，視頻質量將得不到保障。在傳輸過程中出現吞吐量下降和丟包時，主要考慮網絡擁塞造成。通過測試吞吐量與RTT的關系，可以發現它們之間存在一定的相關性，如圖3所示。RTT隨著吞吐量的下降而上升，隨著吞吐量的上升而下降。本系統帶寬自適應的基本思想是當RTT在一定范圍內時增加或降低發送速率，最大程度減少丟包，同時減輕網絡擁塞使網絡快速恢復。

圖3 吞吐量與RTT關系

本系統將網絡擁塞程度分為5個狀態，分別是欠載、滿載、過載、輕度擁塞以及嚴重擁塞。欠載指網絡目前負載很低可以大幅度提高發送速度；滿載指網絡已接近最大負載但仍可小幅度提高發送速率；過載指網絡已接近擁塞時不能提高發送速率可保持發送速率不變等待其自動恢復；輕度擁塞需要小幅度減輕發送速率；嚴重擁塞時必須將發送速率降至最低以保證其快速恢復。通過測試，CDMA2000和WCDMA在均欠載情況下RTT值有差別，所以在定義其狀態時，臨界點有差別。其帶寬估計值具體定義為

(1)

(2)

式中：B為估計帶寬，b為上次發送速率，單位均為kbit/s。經過帶寬自適應后，客戶端的發送速率隨信道帶寬的變化而變化。多路負載均衡傳輸為聚合帶寬和提高系統魯棒性提供了重要保障，系統不會因為某一路帶寬下降而引起總的發送速率下降，也不會因為某一路接近斷路而中斷視頻傳輸。加入帶寬自適應方案后，重新測試了平均吞吐量和丟包率，測試時最低發送速率為30 kbit/s,WCDMA最高發送速率為 1 000 kbit/s, CDMA2000最高發送速率600 kbit/s。每次測試 10 min， 每種類型測試10次。測試結果如表2所示。表2結果顯示，加入帶寬自適應方案后，對比表1在相同吞吐量情況下，丟包率明顯降低。

表2 帶寬自適應測試結果

測試類型平均吞吐量/(kbit·s-1)平均丟包率/%單路WCDMA9403420單路CDMA200053784502路WCDMA2路CDMA200028356470

2.3 換路丟包重傳

經過帶寬自適應和多路負載均衡雖然能夠很大程度地減少丟包，仍然不能將丟包控制在可接受范圍內。為了進一步降低丟包，需要加入丟包重傳機制。由于丟包的主要原因是網絡擁塞，因此重傳時選擇網絡狀況最好一路重傳，避免重傳包再次丟失。為了保證視頻傳輸的實時性和傳輸效率，丟包只重傳一次。

換路重傳算法為每路3G鏈路分配1個等待隊列和s個重傳隊列。客戶端發送視頻數據包后，將該包添加到等待隊列中。服務器每收到1個包返回1個ACK，客戶端通過收到的ACK計算RTT用于帶寬自適應，同時ACK用于判斷是否丟包。收到對應ACK后，從等待隊列中移除該包，規定時間內沒收到ACK的包將會被放入當前估計帶寬最高的鏈路重傳隊列中。每條鏈路在發送數據前首先檢查本鏈路重傳隊列中是否有數據需重傳，如果有則先發送重傳隊列中的數據，然后發送新的視頻數據。在帶寬自適應方案上加入重傳后重新測試平均吞吐量和丟包率，結果如表3所示。表3顯示加入丟包重傳后，雖然平均吞吐量有所下降，但丟包率被控制在1%以下，滿足視頻傳輸的需求。

表3 加入丟包重傳測試結果

測試類型平均吞吐量/(kbit·s-1)平均丟包率/%單路WCDMA9139062單路CDMA200048930762路WCDMA2路CDMA200023357059

3 系統實驗

系統實驗的客戶端和服務器端都使用裝有ubuntu12.04的PC，使用4張3G網卡進行視頻傳輸，其中WCDMA和CDMA2000各2張。測試結果使用Video-BLIINDS質量評估算法[9]進行評估。Video-BLIINDS是一種無參考視頻質量評估算法，它的性能目前已經和全參考接近。為對比各種傳輸結果，測試時選用相同720P高清測試序列代替攝像頭采集視頻。實驗類型分為無傳輸控制和有傳輸控制，其中無傳輸控制時WCDMA和CDMA2000的發送速率分別設置為 500 kbit/s 和700 kbit/s。每種實驗進行10次測試，每次測試時間為10 min。實驗結果如表4所示，有傳輸控制時平均吞吐量、平均丟包率和評估得分均好于無傳輸控制，有傳輸控制的評估得分接近原始評分。實驗結果證明視頻傳輸控制方案能夠聚合帶寬、降低丟包，并清晰傳輸高清視頻。

表4 系統實驗結果

測試類型平均吞吐量/(kbit·s-1)平均丟包率/%評估得分原始視頻評估無無803無傳輸控制213211400689有傳輸控制24676072796

4 總結

隨著移動傳輸技術的飛速發展，4G已經開始投入使用。雖然4G網絡的傳輸速率遠高于3G，但是目前4G仍然存在覆蓋范圍小、上行帶寬不穩定以及網絡擁塞導致帶寬突降等情況，僅使用單路進行傳輸在魯棒性方面仍然得不到很好的保證。本文提出的視頻傳輸控制方案可擴展至多4G鏈路，3G、4G混合傳輸以及其他多鏈路混合傳輸場景。

[1] 3GPP TS 26.114, IP Multimedia Subsystem (IMS): Multimediatelephony; media handling and interaction[EB/OL].[2015-01-10].http://www.3gpp.org/ftp/specs/html-info/26114.htm.

[2] ITU-T Rec. H.264, Advanced video coding for generic audio visual services[S].2003.

[3] 3GPP S4-080771, MTSI video dynamic rate adaptation: evaluation framework ver 1.0[S].2008.

[4] 徐峻峰，于中華，陳思思.基于多手段融合的便攜式無線視頻傳輸系統[J].電視技術，2013，37(11)：115-117.

[5] 史惠，孟放，姜秀華.基于H.264碼流的商清視頻質量評價算法[J].電視技術，2009，33(11)：113-116.

[6] 顏菲菲，高勝法，劉曉蘭.遠程視頻監控系統的安全可靠性研究[J].計算機工程與設計，2007，26(9)：2494-2496.

[7] 劉開夢，何維，田增山.車載雙模無線視頻監控系統的設計與實現[J].電視技術，2012，36(5)：99-102.

[8] 林科文.基于多鏈路聚合的無線實時視頻傳輸系統[D].上海：復旦大學，2010.

[9] SAAD M A，BOVIK A C，CHARRIER C. Blind prediction of natural video quality[J].IEEE Trans.Image Processing，2014，23(3)：1352-1365.

責任編輯：任健男

Design and Implementation of Multipath Based 3G Video Transmission System

WAN Yunjie1，2, ZHANG Lei1,WU Zemin1, LIU Lin3

(1.CollegeofCommunicationsEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China;2.Nevy92665,HunanCili427200,China;3.No.722ResearchInstitute,ChinaShipbuildingIndustryCorporation,Wuhan430079,China)

In order to solve the problem caused by the characteristic of 3G video transmission, that is low-bandwidth, high packet drop rate and instability,a 720P high definition video transmission scheme using multi network cards of WCDMA and CDMA2000 is proposed. The number of network cards by testing the upload bandwidth of WCDMA and CDMA2000 is determined and 3G uploading characteristics are analyzed in this paper. Besides, a bandwidth adaptive scheme and an algorithm of retransmission is proposed. The test results show that the newly proposed scheme can aggregate bandwidth, improve the robustness of transmission, decrease the packet drop rate to under 1% and transmit video smoothly.

3G; video transmission; bandwidth adaptive; retransmission

TN915.43

A

10.16280/j.videoe.2015.19.029

2015-02-05

【本文獻信息】萬云杰，張磊，吳澤民，等.基于多路并行的3G視頻傳輸系統設計與實現[J].電視技術,2015，39(19).