自適應WIFI無線網絡帶寬的視頻容錯傳輸控制方法

常曉潔　江肖強　單康康

摘 要： 由于無線網絡實時帶寬的不穩定性，特定的視頻碼流率在網絡傳輸過程中不可能完全適應無線網絡帶寬的變化，因此需要根據不同編碼的特點如H.264設定不同的自適應傳輸控制算法，在保障視頻幀完整性的情況下適應網絡帶寬的不斷變化，同時為調整后的碼流提供容錯重傳機制，并有效控制容錯重傳機制浪費大量帶寬資源。文章將容錯技術與傳輸控制算法進行結合，以保證在充分利用實時網絡帶寬的同時達到高可靠傳輸。仿真測試結果表明，在無線網絡帶寬波動的情況下，能夠自適應調整視頻碼率，并滿足終端失真率要求，降低容錯時延。

關鍵詞： 網絡傳輸； 自適應； 傳輸控制； 容錯

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）01-29-04

Adaptive WiFi network bandwidth control method for video fault-tolerant transmission

Chang Xiaojie， Jiang Xiaoqiang， Shan Kangkang

（Zhejiang University Library and Information center， Hangzhou， Zhejiang 310000， China）

Abstract： Due to the instability of the wireless network real-time bandwidth， specific video stream rate can't completely adapt to the change of wireless network bandwidth during transmission. So the adaptive transmission control algorithm based on different characteristics such as H.264 is needed to adapt the network bandwidth. At the same time the algorithm provides adjusted stream a fault-tolerant retransmission mechanism， and effectively controls the bandwidth resources. In this paper， the fault tolerance technology and transmission control algorithm are combined to ensure the full use of real-time network bandwidth to achieve high reliable transmission. The simulation results show that in the case of wireless network bandwidth fluctuation， the bandwidth can be adapted to the video stream rate， and meet the requirements of the terminal distortion， reduce fault tolerance delay.

Key words： network transmission； adaptive； transmission control； fault-tolerant

0 引言

隨著多媒體壓縮技術的發展和無線網絡的普及，通過無線網絡傳輸流媒體以便于在移動終端接收音視頻將越來越受到人們的關注。無線網絡的802.11n協議雖然通過MIMO、OFDM、short GI等技術方案提高了碼流速率，但是沒有針對帶寬的擁塞控制。目前常用的流媒體傳輸控制協議[1]是實時傳輸協議RTP（Real-time Transport Protocol）和實時傳輸控制協議RTCP（Real-time Transport Control Protocol）。這些控制協議是工作在UDP協議基礎之上的，不能夠解決傳輸過程差錯所帶來的視頻質量下降問題。目前差錯控制的解決一般是在可靠傳輸協議TCP傳輸層的層次上，采用ARQ（Automatic Repeat reQuest）和FEC（Forward Error-Correcting）[2]，以減少數據通信中差錯的發生。然而，ARQ 要求信道的往返延時相對較小；FEC 的冗余度較大，會進一步降低有效視頻傳輸帶寬，降低編碼質量。因此，需要將視頻編碼與視頻傳輸控制結合起來，并在視頻壓縮和差錯控制之間做好調控。

1 基于容錯的視頻流傳輸控制架構

保證終端用戶獲取滿意的視頻播放質量是容錯技術的關鍵所在[3]。傳統自動重發請求ARQ算法盡可能多次重發丟失的數據幀，導致占用大量帶寬、增加延遲。為解決這個問題，文獻[4]提出控制部分重傳的方法進行容錯恢復，但受限于有線網絡環境，文獻[5]采用的是只進行部分重傳，以提高網絡傳輸性能。有效地控制視頻流的傳輸控制方法必須能夠及時根據網絡狀況實時調整視頻流[6]。不少文獻提出了基于TCP的不同解決方案的傳輸控制。文獻[7]設計的算法延時采用了RTT，無線網絡中不能正確計算出視頻的RTT，同時還將由此造成更嚴重的視頻錯誤丟幀。文獻[8]傳輸控制方法能夠自適應網絡可用帶寬，但是易造成視頻幀的過多丟棄以及丟棄視頻關鍵幀的情況。

針對以上提出的這些問題，本文中將容錯技術與傳輸控制算法進行結合，以保障在充分利用實時網絡帶寬的同時達到高可靠傳輸。容錯傳輸控制系統原理圖如圖1所示。

本文自適應控制算法設置了多個數據緩存，M1為編碼器輸出的字節長度為L1的1幀視頻數據緩存；M1發送過來的數據被分成緩存長度記為L2的M2和暫存M2的發送緩存M3；M4為接收緩存；M5為播放緩存。

2 基于容錯的視頻流傳輸控制算法

2.1 自適應傳輸控制模型

傳輸控制方法主要有丟幀、下調碼率和上調碼率。由于無線網絡帶寬的不穩定性以及碼率調整反饋延時，若不能控制好調整碼率的時刻，則會導致反復上調或下調碼率，影響用戶使用效果。

首先當網絡帶寬比視頻碼率小時，M2中會累積尚未發送的視頻數據，但是當L+L1>L2時，M1中的數據幀將不能轉至M2，需要進行丟幀操作。為保障幀的完整性，需設定一個幀計數器，每次丟幀只是將M2中的非關鍵幀第k幀丟棄。

若L+L1>h*L2，（h為經驗值，一般取0.7～0.9），進行視頻碼率下調，若下調之后仍L+L1>h*L2，則需再次進行下調。為更好的控制下調時刻，本文設定了下調標簽Tr、下調間隔控制參數n1（MAX（n1）=aC（aC+1）其中a為加權系數，取值一般為4～8）、以及下調敏感度Sr（Sr為經驗值，一般取值0.05～0.15）。下調之后若Tr=1、L+L1>h*L2，并且n1>SRaC（aC+1），則需要將視頻碼率再下調一級。

若L+L1?h*L2，需要進行視頻碼率上調，但是若上調之后仍L+L1?h*L2，需再次進行上調。為更好的控制上調時刻，本文同樣設定了上調標簽Tu、上調間隔控制參數n2，MAX（n2）=bC（bC+1）（b為加權系數，取值一般為12～24）、以及上調敏感度Su（Su為經驗值，一般取值0.05～0.15）。上調之后若Tu=1、L+L1?h*L2，并且n2>SubC（bC+1），則需要將視頻碼率再上調一級。

視頻流發送線程的自適應控制算法流程如圖2所示。根據具體的網絡環境選擇適當的參數值h，a，b，C，Sr，Su。然后啟動發送線程。

2.2 容錯控制算法

本文同時考慮了終端視頻失真率、視頻碼流容錯重傳消耗的網絡資源和無線網絡實時帶寬等方面。假定單幀視頻碼流滿足香農第三定理保失真度準則下的有失真信源編碼定理的編碼流d0和編碼失真r0，且經過丟包率為p的無線網絡傳輸，由此可建立模型如公式⑴：

⑴

公式⑴中d表示重傳和錯誤恢復單幀圖像耗用的帶寬資源占總體資源的比率，r表示終端的最終失真度，α是歸一化權重代表d和r數值比例關系。

求在此模型的最小值

⑵

⑶

另設公式⑵和⑶為零，即可求得模型f（d，α）的最小值，以及此時的帶寬-失真權重α。

3 算法模擬及總結

由圖3可以看到，當下調敏感度數據量超過閾值一段時間后，將碼率進行了下調，之后雖然仍出現了下調敏感度數據量超過閾值，但由于未超過限制，未要求再次進行下調碼率，而當上調調敏感度數據量超過閾值后，也并沒有立即進行上調，而是在持續一段時間后 雖然也有一段時間大于閾值，但未處于上升趨勢，待穩定且達到達到上調視頻碼率的條件下才進行上調工作。因此本文算法能夠提供更穩定的視頻傳輸。

圖4是針對網絡狀況差，丟包率為40%時的情況，本文提出的自適應無線網絡帶寬的視頻容錯傳輸控制方法比ARQ降低了11%。由此可知，在網絡狀況差的情況下，本文提出的方法更能發揮其降低視頻傳輸網絡帶寬的優勢。

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