電力系統監控視頻傳輸速率自適應控制設計

梅魯海

（浙江機電職業技術學院電氣電子工程學院，杭州310053）

電力系統視頻監控實時數據的傳輸對網絡的帶寬、數據包丟失率和延遲等指標都有嚴格的要求，但由于目前電力系統數據傳輸網上的視頻處理主機的性能不同，以及網絡傳輸帶寬的頻繁變化，往往不能滿足實時視頻信號傳輸對高帶寬和低延時要求，以致出現網絡擁塞狀況，并造成監控視頻質量的降低。此外，傳統的電力系統視頻監控解決方案中，視頻源的層次劃分和各視頻層次的速率是固定的，不具備對動態網絡的自適應性，這也會影響網絡帶寬利用率和總體的視頻接收質量。

目前有兩種提高電力系統監控視頻服務質量的方法，一種是改造電力系統現有的通信網絡，使網絡上的交換機和路由器等設備能對實時應用提供資源預約及服務質量的保證；另一種就是在維持現有網絡的狀況下，通過端到端的擁塞控制和差錯控制技術來最大程度地改善視頻的傳輸。常用的端到端的擁塞和差錯控制方法有兩種，一種是像TCP（transmission control protocol，傳輸控制協議）一樣基于窗口的控制方式，它以數據包個數為單位，獲取可用網絡帶寬的匹配主要是采用緩慢增加擁塞窗口的方式，當檢測到網絡擁塞時，會迅速減少擁塞窗口的大小，避免發生網絡沖突。另一種是基于速率的控制方式，它是以每秒發送的比特數為單位，并根據估算網絡的網絡有效帶寬等參數適時地調整視頻流的傳送速率，達到使該視頻傳輸需要占用的帶寬能夠與網絡上可用的帶寬資源相匹配，從而避免網絡擁塞［1］。與基于窗口的控制方式相比，基于速率的控制方式可以有效地解決重傳時的抖動和延遲長等問題，正在電力系統視頻監控中得到更廣泛的應用。

本設計提出一種電力系統監控實時視頻傳輸速率的自適應控制方案，系統可以根據網絡傳輸時間、傳輸延遲和數據包丟失率等參數對網絡帶寬進行估算和判斷，然后動態地調整視頻輸出端的發送速率，實現魯棒控制。本設計有較高的理論意義和實用價值，經實驗證明，系統可以減少視頻傳輸數據包的丟失率和抖動，提高電力系統網絡傳輸帶寬的利用率，改善電力監控的視頻服務質量。

1 系統結構

本設計對應的電力系統視頻監控的總體組成如圖1所示。系統主要包括變電站視頻監控前端機、視頻服務器和監控用戶端三部分，每個視頻服務器和一個變電站視頻監控前端機相對應。系統工作時，變電站各個監控攝像機送出的視頻流通過變電站視頻監控前端機傳給對應的視頻服務器，視頻流在視頻服務器中重新編碼。為適應網絡帶寬的動態變化，視頻服務器會根據系統反饋控制的帶寬估測結果，不斷動態地調整發向監控用戶端的視頻流傳輸速率。視頻服務器的主要功能是轉發監控用戶端請求的視頻流，監控用戶端可以通過視頻服務器向變電站視頻監控前端機發送控制指令，如控制攝像機鏡頭和云臺等。

圖1 電力視頻監控系統總體組成Fig.1 Overall composition of electric power video monitoring system

本系統的視頻實時傳輸速率自適應控制的結構設計如圖2所示。在變電站視頻發送端，帶寬估測模塊根據反饋信息按照一定的算法估測網絡的有效和可用帶寬，根據估測帶寬結果，速率調整模塊負責對編碼后的視頻數據流進行速率和位率的調整和改進，從而控制輸出的比特流，這樣可以為避免發生網絡擁塞［2］，做到實際輸出的視頻速率與網絡的實際可用帶寬資源相匹配。速率控制模塊主要負責為視頻編碼器提供編碼速率的控制參數，控制參數是根據 RTP（real－time transport protocol，實時傳送協議）層從接收端反饋的網絡狀態信息來確定。這樣，輸入視頻服務器的視頻數據流在編碼器進行發送速率的自適應編碼，然后，按照傳輸協議定義的打包算法，編碼后的視頻流在RTP層被封裝成RTP的數據包，再交給UDP／IP層，以單播或組播方式進入網絡進行傳輸。

圖2 實時視頻傳輸速率自適應控制結構Fig.2 Real－time video transmission rate adaptive control chart

在監控用戶視頻接收端，有些視頻數據包可能由于網絡擁塞或傳輸延時等原因產生丟失，所以QoS（quality of service，服務質量）監測模塊會在視頻數據流通過UDP／IP層后，在RTP層對數據包進行分析和處理，并根據數據包的報頭進行網絡擁塞和服務質量的監測，并統計結果，得出包丟失率和傳輸時間等反映當前網絡狀態的參數，再通過反饋控制模塊將這些信息以 RTCP（real－time transport control protocol，實時傳輸控制協議）包的形式反饋給發送端。監控用戶視頻接收端收到的視頻數據流還要進行數據差錯和糾錯的處理，然后再通過解碼器進行視頻解壓和解碼，在顯示器還原出原變電站的監控圖像。

2 實時視頻傳輸速率自適應控制研究

2.1 網絡擁塞狀況監測

系統結構中的帶寬估測模塊是本系統速率控制的基礎。系統只有先通過帶寬估測算法來預測出下一時刻的有效帶寬，然后才能夠應用速率控制機制隨著有效帶寬的變化動態地調整目標傳輸速率，從而避免網絡阻塞的發生。

這里，判斷網絡是否擁塞需要關注兩個重要的網絡指標：數據包丟失率和傳輸時間。而當發生網絡擁塞時，傳輸網絡負載會較重，則數據包丟失率和傳輸時間均會增大；當網絡擁塞較輕時，數據包丟失率和傳輸時間相應也較小［3］。網絡有效帶寬的確定可由帶寬估測模塊通過數據包丟失率和傳輸時間等指標按一定的算法計算得到。

例如，可以使用較為成熟的伯努利模型來估算上述指標，假定數據包的分發是獨立和均勻的，伯努利模型定義的數據包丟失率p為

式中，n是抽樣測試中的全部數據包數量，nL是抽樣測試中丟失的數據包數量。

因為任何一個視頻數據包從視頻發送端發出時，會被編上相應的RTP隊列號，所以任何視頻數據包的丟失或數據包次序的微小改變都會被及時捕捉和發現，因而丟失的數據包的統計監測主要是依據視頻接收端檢查數據包RTP隊列實時位置的編號來完成。假設部分數據包已丟失，為避免系統花費過長的時間等待，可設置接收端監測的門限值為3，則如果第i個數據包沒有及時到達接收端，而當已接收到后面順序的第i＋1、i＋2和i＋3個數據包時，系統就可判斷第i個數據包已丟失［4］。每一個抽樣周期內統計的包丟失率需要進行平滑處理和計算，這可用一個低通濾波器來實現。各周期數據包丟失率的系數關系有

式中：μj為第j周期內統計的已平滑的數據包丟失率；μj－1為第j－1周期內統計的已平滑的數據包丟失率；rj為第j周期內的數據包丟失率；α為一個可調節參量，主要用于調整μj－1對μj的影響程度，一般實驗條件下測定的標準結果為α＝0.33。

系統接收端的QoS監測模塊負責QoS的統計，主要由RTP／RTCP協議中的RTCP來實現，如果使用RTCP包來計算網絡的傳輸時間，需要在發送和接收端之間傳送發送方的報告報文SR（sender report，發送者報告），而接收端在設定的計時器單位時間內或超時后，則會周期性地向發送端傳送一個包括反饋信息的接受者報告報文RR（receiver report，接受者報告），反饋信息中主要包括包丟失率p和傳輸時間RTT（round－trip time，往返時間），具體算法如下所述。

如果系統接收端收到了發送端的控制包SR，經過一段時延DLSR（delay since last SR，自上次SR延時）后，則向發送端發送響應控制包SR的控制包RR，同時在控制包SR中的NTP（network time protocol，網絡時間協議）時間戳域中，提取中間的32bit作為控制包SR的LSR（last SR，上一個SR）。系統接收端如果沒有收到發送端發出的SR控制包，則DLSR和LSR都置為0。無論收到與否，DLSR和LSR的值會均被填入控制包SR相應的域中［5］。假設時間A為發送端收到控制包RR的時刻，則當前的網絡傳輸時間RTT為

當前的網絡傳輸延遲Dn為

設RR報文中的包丟失率字段為P，則網絡的數據包丟失率p為

p可作為判斷網絡擁塞程度的一個重要指標，也可以間接地表示網絡的有效帶寬。

2.2 實時視頻傳輸速率自適應控制算法

MPEG－4是基于對象的視頻編碼標準，在視頻實時傳輸中得到了廣泛的應用，本系統采用MPEG－4編碼標準。MPEG－4本身具有自適應碼率編碼的算法特點，這為本系統實時視頻傳輸速率的自適應控制提供了一定條件。系統結構中，速率控制模塊需要為視頻編碼器提供一定的控制參數，從而保證編碼器輸出質量較好的視頻數據流［6］。

MPEG－4進行分級編碼時，會產生一個基本層的視頻碼流和一個增強層的嵌入式視頻碼流。基本層碼流包括P－VOP和I－VOP兩種類型的視頻幀，是質量級別較低的視頻信號，但重要性高。因為基本層的碼率相對較低，可以適應網絡帶寬波動范圍的下限，因此可以對基本層的視頻碼流提供完全的保護。增強層視頻碼流主要由B－VOP類型的視頻幀組成，采用漸進式編碼方式，可以隨時中斷視頻碼流，并形成視頻流的不同級別，以適應網絡帶寬的較大波動。增強層含有基本層的量化差值部分，主要用來提高基本層的視頻質量［7］。由于基本層和增強層使用了分級編碼的不同級別數據包的保護措施，所以兩種視頻碼流對視頻質量會呈現出不同的影響程度。

對于網絡帶寬較大程度的變動，本系統實時視頻傳輸速率自適應控制的原理如圖3所示。設圖中A0、A1和A2為編碼器三種速率大小的視頻流發送的狀態，也對應于編碼器三種由低向高的編碼級別。假設初始狀態為A0狀態，這時編碼器是以最低級別質量水平在發送視頻流。當接收端反饋的網絡的有效帶寬較低時，則不管編碼器現處于哪種狀態，立即會轉到FR狀態。FR狀態下，系統根據控制參數和參考速率調整出適合網絡帶寬的最佳編碼速率。在一個RTT周期內，系統會在下次帶寬反饋之前，在狀態A0和PR0之間循環轉換，當一個RTT周期結束，系統就保持在狀態PR0。當接收端反饋的網絡有效帶寬較大時，編碼器會向A1狀態轉換，并繼續跟蹤網絡帶寬變化，如果帶寬出現不足，則返回到狀態A0，如果帶寬更充足，則編碼器會向A2狀態轉換。這種速率控制的算法采用了加性增加、立即減少的方法，當擁塞時，無論是否在一個RTT的循環周期內，可以隨即降低編碼級別，從而迅速避免網絡沖突，保證視頻質量［8］。

圖3 編碼速率級別和狀態的自適應控制與轉換Fig.3 Adaptive control and conversion of coding rate level and state

編碼器三種級別的轉換適應了較大網絡帶寬的波動，在每一個級別范圍內，帶寬的較小波動也會對視頻質量產生影響，本系統實時視頻傳輸速率的自適應控制還運用迭代算法在發送端根據接收端反饋回的參數調整編碼速率，這樣可以充分利用帶寬資源，保持視頻的最佳質量，具體算法如下：

（1）根據RTP／RTCP協議，發送端向接收端發 送 一 組 RTCP 的 APP（application specific functions，專用功能）報文形式的探測數據包，這里 使 用 了 基 于 模 型 的 方 法 LDA（loss－delay adjustment algorithm，丟失延遲調整算法），APP報文的量級較低，對傳輸帶寬影響很小。接收端填充APP報文中的字段Add（application－dependent data，應用程序相關數據），并把數據包丟失率和網絡帶寬等參數反饋給發送端。

（2）發送端依據接收端反饋回來的網絡帶寬等參數，確定初始的編碼速率V0，編碼后的視頻流數 據 通 過 同 步 層、DMIF（delivery multimedia integration framework，傳輸多媒體集成框架）層和傳輸層發送出去。

（3）發送端根據接收端反饋回來的APP報文繼續動態調整速率，以適應網絡帶寬的不斷變化。具體流程：

①發送端創建SR和APP報文，并在接收到下一個反饋來的APP包之前，一直保持一個恒定的發送速率Vn。發送端將SR中的字段LSR復制到APP中的Add字段，并填充APP序號，每間隔1s發送一次APP報文，但不發送所創建的SR報文。

②接收端創建RR和APP報文，并解析接收到的APP報文。復制包丟失率字段P和RR中的DLSR字段到APP的Add字段，發送對應的APP報文，但不發送RR報文［9］。

③發送端收到APP報文，進行解析而獲得網絡傳輸延遲Dn和包丟失率p的數值，運用迭代算法計算和確定視頻編碼速率Vn的值。

設Vmax＝V0，Vmin＝0。如果Dn增加，則Vn相對于網絡帶寬偏大，Vmax＝Vn；如果Dn減小，則Vn相對于網絡帶寬偏小，Vmin＝Vn。

當前視頻編碼速率V（n＋1）為

當0.2＞p＞0.1時，說明當前網絡擁塞狀況較輕，采用上述算法調整Vn，不斷迭代的結果是Vn的數值最后落在一個較小的范圍內，并跟隨帶寬動態變化。

當p＜0.1時，說明當前網絡狀況基本良好，Vn會保持一個穩定的數值。

當p＞0.2時，說明當前網絡擁塞狀況較重，這時Vn會進行快速調整，即Vn＝Vn×0.8。

（4）發送和接收端都有一個RTCP報文的緩沖區，RTCP的APP報文因為各種原因會出現丟失，根據時間定時器的計數，當超過5s的時間間隔而未收到APP報文時，發送和接收方將自動進行重發APP包，并作調整Vn＝Vn×0.8［10］。

（5）因為RTCP包不具備握手功能，所以RTP數據的傳送不受RTCP數據包的發送和接收的影響，APP包的傳輸對網絡負載影響也不大。

3 系統測試

系統測試的仿真系統采用2個數據源信號發生器，分別輸出1路基于RTP的256kB／s的實時MPEG－4視頻數據流和2路基于TCP的FTP（file transfer protocol，文件傳輸協議）格式數據流，MPEG－4視頻的分辨率為640×480，時長15min。實驗使用的通信傳輸鏈路模擬為2臺路由器之間的網絡線路，傳輸瓶頸帶寬1.2MB／s，延遲為30 ms，2臺路由器與收發端點間接口的傳輸帶寬10 MB／s，延遲為5ms。實驗以接收端統計的數據包丟失率作為視頻質量的參考評價標準。

（1）視頻傳輸速率自適應控制的開閉實驗。在視頻收發端點之間傳輸1路速率為256kB／s的實時MPEG－4視頻流，實驗取樣的時間段內，分別設置打開和關閉系統的反饋控制、帶寬估測和速率調整等模塊的功能，在接收端數據包丟失率的統計和計算情況如表1所示。統計結果表明，數據包丟失率在系統打開自適應控制功能后明顯小于關閉后的數值。

表1 打開和關閉自適應控制的數據包丟失率對比Tab.1 Comparison of data packet loss rate of adaptive control headstock

（2）實時MPEG－4數據流和FTP數據流的并行實驗。在視頻收發端點之間同時傳送1路實時MPEG－4數據流和2路基于TCP的FTP數據流。MPEG－4數據流在FTP發送8s之后開始發送，設置打開自適應控制的功能。在實驗取樣的時間段內，在接收端數據包丟失率的統計和計算情況如表2所示。經統計發現，當采取2路FTP流同時并行傳送時，它們占用了較多的網絡帶寬資源，而本系統的實時視頻流占用的帶寬會有所減少，最終并沒有造成接收端數據包丟失率的明顯升高。這主要是因為本系統RTP形式的視頻流和具有一定擁塞控制特性的TCP數據流共享網絡帶寬時，具有自適應和魯棒控制的特點，視頻發送端可以根據當前可用的帶寬情況，動態調整視頻的發送速率，盡力去適應網絡的擁塞狀況，自動占用相對少的網絡資源，最終會減低包丟失率，縮短傳輸時延，從而保障了同FTP數據流競爭網絡帶寬的公平性。

另一方面，因為FTP數據是運行在TCP之上的，當并行的FTP數據流逐漸增加時，也會按照擁塞控制機制來自我調整，具體表現在每路FTP數據流的速率會有所下降，實驗發現，1路FTP流的速率為128KB／s，2路FTP流并行時，單路分別為114KB／s左右。

表2 MPEG－4流和FTP流并行的數據包丟失率對比Tab.2 Comparison of data packet loss rate of MPEG－4and FTP parallel

4 結語

當前，電力系統信息網絡技術自身的發展很難為視頻應用提供絕對的服務質量保證，本研究提出的實時視頻傳輸速率的自適應控制方案從電力系統監控的工程實際出發，利用QoS監測、網絡帶寬預測和速率控制等技術，很好地解決了傳輸帶寬與視頻流碼率的不匹配等問題。仿真實驗表明，系統可以有效地降低視頻傳輸的數據丟包率和網絡時延，充分保證視頻應用在網絡擁塞環境中的實時性。由于現有網絡狀況的復雜性，電力系統監控視頻技術中的自適應控制參數、協議兼容性、帶寬預測精度和大流量視頻應用等，是需要進一步研究的課題。

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