基于QoE的跨層架構的無線視頻傳輸技術

成 剛（上海諾基亞貝爾股份有限公司，上海200127）

1 視頻傳輸在Wi-Fi網絡中面臨的問題

Wi-Fi下的視頻傳輸質量的提升近年來一直是技術研究和關注的重點。統計數據顯示2013年的視頻傳輸流量占終端用戶數據流量的60%，預計2018年視頻傳輸的流量占終端用戶數據流量的75%［1］。室內Wi-Fi網絡中的視頻應用已經是Internet上數據傳輸最重要的流量來源。

視頻流從Wi-Fi的AP轉發到各個終端時，既可以是單播也可以是組播。在IEEE 802.11的Wi-Fi網絡中，終端每收到一個單播數據包就會返回一個確認數據包。當數據包丟失或被破壞時，AP能重新發送相同的數據報文。同一個無線網絡中，如果終端數量較少并且速率較低，用單播方式傳播視頻是有效的方式。但一旦終端數量增加并且有較高速率要求時，播放視頻占用的網絡總帶寬就會迅速增加，影響網絡中其他數據業務的帶寬需求。

通過組播方式來傳輸視頻可以有效節省帶寬。當Wi-Fi AP在使用組播地址傳輸視頻流的時候，加入組播組的多個Wi-Fi終端能同時接收視頻的數據包。但是傳統的802.11的MAC層不支持組播數據包的確認，即終端不會對每一個組播包發送響應確認消息，否則每個終端發送的響應數據包將產生大量的額外開銷，從而降低整體的數據傳輸性能。但缺少對組播數據包的確認和重傳機制的MAC層傳輸是不可靠的。在Wi-Fi環境中，由于不穩定的無線環境和信道干擾，視頻組播傳輸的可靠性比單播方式差，從而導致視頻傳輸質量的下降［3］。

另外802.11的組播傳輸方式也不支持單播方式具有的Wi-Fi速率自適應和自我調整性能，即AP在組播傳輸的情況下選擇的速率是該AP關聯下的所有申請視頻組播傳輸的終端中的最低能支持的速率。這種機制雖然能保證視頻數據的傳輸能覆蓋所有申請視頻流的終端，但是它降低了整個網絡數據傳輸的吞吐量，使性能較好的終端不能獲得高質量的視頻，即組播方式缺乏對Wi-Fi網絡中異構終端的有效支持。單播和組進行視頻傳輸的特點見表1。

表1 單播和組進行視頻傳輸的特點

IEEE 802.11e［21］定義了新的操作方式和參數設置來增強MAC層的QoS（Quality of Service）的支持，即混合式協調功能（HCF——Hybrid Coordination Function）。其中增強的分布式協調訪問（EDCA）是對原來的DCF的增強，它定義了4種訪問類型（AC——Acces Categories）來區分數據流的優先級，當語音、視頻、盡力而為的數據報文和背景數據流轉發到MAC層的時候，它們就會根據優先級進入相應的AC隊列中等待發送。

但如果有多個視頻流進行傳輸，802.11e就沒有辦法進一步再區分它們之間的優先級。另外802.11e也沒有針對組播視頻傳輸的可靠性機制進行改善。

2 基于QoE的跨層視頻傳輸的總體框架

對于上述的單播、組播以及802.11e視頻處理的特點和局限，為了提高Wi-Fi網絡中視頻傳輸的質量，傳統的解決方案是在網絡的各個層次中處理各自相關的數據，例如傳輸層和MAC層研究的重點是數據流的隊列優先級，組播傳輸的重傳和糾錯機制等，并沒有涉及到承載的視頻流本身的編碼和傳輸的特點，也沒有跟人的主觀體驗有直接的對應關系。這種數據流的QoS的處理機制已經非常成熟，但對于視頻質量提高已經沒有更多改進的空間。例如，如果要在同一個無線網絡中支持異構終端不同清晰等級的視頻播放質量，目前不能通過已有的QoS處理機制來實現。

近年來QoE（Quality of Experience）是業界關注的重點［4-5］。它把用戶的體驗作為視頻傳輸性能提升的目標。它背后的思路是期望網絡設備并不僅僅是傳輸的物理層或路由選擇的通道，需涉及被傳輸的應用層內容，然后根據用戶對內容質量的需求調整傳輸的帶寬。所以QoE研究的是跨網絡層方案的視頻傳輸［13］，也就是網絡中的上下各層（應用層、MAC層和物理層）互相配合，利用被傳輸的視頻流的特點來提高質量，而不僅僅把視頻傳輸當成內容無關的數據報文和比特流來轉發。

本文根據近年來QoE的研究，從系統設計的角度歸納出無線網絡中進行跨層視頻傳輸的總體框架（見圖1）。這個框架中包含應用層、802.11 MAC層以及物理層進行視頻流傳輸的從上至下的過程，同時物理層收集視頻流的鏈路狀態，并從下至上反饋到MAC層和應用層進行重傳控制、緩沖區管理以及視頻分層的控制等。利用視頻QoE的度量（Metrics）參數來評估整個視頻傳輸過程的性能，本文使用的參數是實時緩沖區大小的使用情況以及可持續播放視頻的時間。

這個跨層的架構中充分利用了H.264/MPEG-4視頻分級的特點，即相同的視頻流在編碼時先分成基準層和增強層后進行傳輸，然后Wi-Fi AP設置了不同的傳輸速率根據不同的優先級轉發基準層和增強層的數據流。建議的方式是基準層賦予較低的MCS（Modulation and coding scheme），這樣確保網絡中較低處理能力的終端至少能播放基本的視頻流，賦予較高處理能力的終端較高的MCS，使其能接收和播放較高清晰度的視頻流。

參考文獻［14］和［15］是利用視頻的分層結構的特點在AP上傳輸不同的組播數據流的例子。參考文獻［14］討論了傳輸基本視頻清晰度質量的內容（基準層）以及增強型清晰度（增強層）的方案，利用FMS（Flexible multicast service）模式來增強省電模式下的組播數據報文的處理，讓接收終端可以根據處理能力選擇高清晰度視頻或者電能消耗較少的基本質量的視頻。結果表明這個方案能有效地滿足用戶對于視頻質量和資源消耗權衡的需求。

參考文獻［15］利用了相同的視頻編碼分層的結構，把基本質量的視頻流和增強的視頻流分別放入802.11aa定義的新增加的2個隊列來區分優先級。另外文獻中利用組播沖突防護（Multicast Collision Prevention）來減少組播沖突，并增加接收方的反饋機制來支持數據包重傳機制。

參考文獻［16］根據信道統計、源速率以及視頻播放的緩沖狀態來調整應用層的播放速率，在物理層上根據丟包率來進行QoS和QoE匹配，文中指出這樣的跨層架構能避免視頻播放緩沖的清空，及時調整緩沖大小來提高視頻播放的效果。

本文把這些QoE的研究歸納到系統設計的結構框架中，分別介紹各個層次的作用和設計要求，通過基于QoE的度量參數來建立應用層、MAC層和物理層之間互相配合的關系，來整體提高視頻傳輸的用戶體驗的質量。

圖1 基于Qo E的跨層視頻傳輸框架

2.1 基于QoE的跨層視頻傳輸的度量（Metrics）

傳統度量視頻傳輸QoS的方式跟數據報文一樣，即關注視頻流中的丟包率、時延和時延抖動。實際上這樣的度量并不能體現用戶對視頻質量的真實體驗，這些統計數據的實時變化并沒有跟主觀上的視頻質量有完全直接的一對一的匹配關系。從終端播放視頻的質量來分析，實時緩沖（Buffer Utilization）的使用情況以及可持續播放的時間（Play Time）直接影響用戶的體驗，本文借鑒了參考文獻［25］的視頻QoE的計算方式作為本跨層架構的核心度量。根據圖1的跨層視頻傳輸的架構，下面是針對可分層視頻播放質量的度量方式（Metrics）。

H.264/MPEG-4視頻流在編碼的時候分成基準層和增強層后進行傳輸，基準層和增強層的視頻對應不同的編碼碼率（Rate）。根據無線環境中不同終端處理視頻的不同能力，在物理層針對不同層的視頻流利用不同的MCS來進行傳輸，這樣基準層和增強層就有不同的實時吞吐量的測量數據。

下面公式中的i代表了不同的視頻層的編號，i=1是基準層，i＞1是各個增強層。平均吞吐量（AvgThroughput）是各個視頻層傳輸的吞吐量之和的平均值（Mbit/s）。平均碼率（AvgRate）是各個視頻層的碼率之和的平均值（Mbit/s）。

如式（3）［25］，當平均吞吐量大于平均視頻碼率時，終端能及時播放視頻流，這種情況下緩沖利用率定義為零。當平均吞吐量小于視頻平均碼率的時候，終端播放視頻可能出現卡頓或延遲，緩沖利用率的數值隨之增加。通過式（3）的緩沖利用率可以度量在視頻傳輸過程中無線網絡環境對視頻質量的影響。

參考式（4）［25］，當平均無線吞吐量大于平均視頻碼率的時候，終端可以持續播放視頻。當平均吞吐量小于平均視頻碼率的時候，緩沖區不能連續提供視頻播放的數據流，使終端在播放過程中可能出現卡頓或延遲。式（4）中的BuffTime指的是初始化時缺省設置的緩沖區能播放視頻的持續時間。

圖2是式（3）和式（4）的圖例，隨著橫坐標時間的增加，緩沖利用率變大（左圖），播放時間縮短（右圖），說明了無線吞吐量低于視頻碼率，并且差距隨時間在變大，這樣視頻播放的質量就會隨之下降，相應的視頻畫面會出現卡頓或者延遲的現象。

圖2 視頻質量的度量參數

通過式（3）和（4），系統可以在業務運行的時候實時測量和觀察視頻質量，物理層和MAC層把收集到的數據反饋到應用層進行緩沖調整和視頻分層，這是客觀QoE的處理方式。另外常用的手段是通過外部測量客觀評估網絡中的視頻質量，例如PSNR、VQM等。

QoS是普遍應用的數據報文傳輸質量的評估，也有研究人員通過實驗來分析QoS和QoE之間的關聯。參考文獻［6］是從QoS的角度出發研究網絡中視頻流的QoE，文章首先分析了單個QoS參數對視頻流QoE的影響，得出視頻流QoE與丟包、抖動相關而與延遲無關的實驗結論，然后在此基礎上進一步對不同編碼的視頻流的用戶體驗進行了實驗建模，利用回歸方程提供一種QoS參數和用戶體驗之間的映射關系。

2.2 基于QoE的跨層視頻傳輸中的應用層

上述跨層架構的實現是跟H.264/MPEG-4視頻分級（Scalable Video Coding）的特點緊密相關的。JVT（Joint Video Team）組織在2007年通過了基于H.264/MPEG-4 AVC架構的可分級編碼標準［22］。視頻被編碼成基準層和1個或多個增強層?；鶞蕦犹峁┝私獯a后的基本視頻質量，而增強層提供了更高清晰度的增強視頻質量。在本文中如果視頻編碼有n個層的分級，定義i代表不同的視頻層的編號，則i=1是基準層，i＞1是各個增強層。

視頻流的基準層和增強層分級是在網絡中的視頻編碼服務器上完成并通過有線網絡傳輸到室內的Wi-Fi網關或AP。在跨層架構中（見圖1），AP的應用層支持的功能包括QoE度量值的收集和計算、動態緩沖區大小管理以及視頻分層控制。

應用層首先在初始化階段設置缺省緩沖區的大小，系統中可支持的最小和最大的緩沖區長度，然后根據底層收集的性能數據來計算實時的緩沖利用率和可持續播放的時間參考值?；谶@樣的QoE度量數據，應用層調整緩沖區的長度和等待隊列的數量來接收外部網絡中服務器傳輸過來的分層視頻流。如果無線網絡環境干擾嚴重，視頻傳輸的吞吐量大幅度下降，緩沖利用率變大，可持續播放時間縮短，則應用層就只轉發基準層或減少增強層的數量，讓系統能自適應降低無線吞吐量，確保傳輸有效的視頻流給終端。如果無線網絡環境較好，則系統根據度量值來增加增強層的數量的轉發，提高無線吞吐量，讓終端播放較高質量的視頻。

2.3 基于QoE的跨層視頻傳輸的MAC層

跨層結構中的MAC層首先要支持多個視頻優先級隊列，即把應用層轉發過來的視頻基準層和增強層放在不同優先級的隊列中進行轉發。然后MAC層根據無線網絡中的終端數量，判斷是通過組播還是單播來傳輸視頻。如果是組播，則MAC層負責提高組播方式下的視頻傳輸的可靠性和糾錯機制。此外MAC層還要負責把物理層收集到的QoE度量的數據轉發給應用層。

多個視頻優先級隊列的機制可以基于IEEE 802.11aa標準中的定義來實現。在IEEE 802.11e的4種訪問類型的基礎上，IEEE 802.11aa對于語音和視頻的隊列進行拓展來進一步區分優先級［10］。視頻的發送隊列分為基本隊列和備選隊列，可以根據優先級調度不同的視頻流。

采用組播來傳輸視頻，它的傳輸速率是在AP關聯下的多個終端傳輸的最低能支持的速率。基準層和增強層在傳統視頻的傳輸過程中具有相同優先級的丟包和時延抖動，用戶終端的解碼軟件既不能有效保證基準層的播放質量，又不能區分增強層的視頻體現效果。在基于802.11aa拓展的視頻隊列（基本隊列和備選隊列）中，MAC層的解決方案是在AP側把基準層和增強層放在視頻傳輸的不同優先級隊列中，基準層的視頻流有較高的優先級，增強層有較低的優先級。在MAC層建立轉發視頻流的規則，確保終端首先播放基本質量的視頻；如果當前無線網絡的吞吐量較高，終端能夠接收并選擇播放視頻的增強層。在不改變終端硬件和軟件的情況下，讓AP能夠提高異構終端的視頻播放的用戶體驗。

2.4 基于QoE的跨層視頻傳輸的物理層

MAC層把不同優先級的視頻數據流轉發給物理層，高優先級的視頻流對應的是基準層，低優先級的視頻流對應的是增強層。物理層完成相應的MCS的適配，給高優先級的基準層分配較低的MCS，這樣確保每個終端都能收到相應的基本質量的視頻流；給低優先級的視頻的增強層分配較高的MCS，在較好的無線網絡環境情況下，處理能力較高的終端能播放更高分辨率質量的視頻。參考文獻［23］和［24］是對應用層的視頻碼率映射到物理層不同速率的研究。本文討論的框架設計是把應用層緩沖區中的視頻分層、MAC層的隊列優先級以及物理層的速率作為整體的設計方案。

物理層的實時無線吞吐量是作為視頻QoE的度量指標被上傳到MAC層以及應用層進行計算和分析，然后應用層調整緩沖區大小以及控制視頻分層的數量，從而動態調整系統視頻傳輸的吞吐量和質量。

3 結束語

本文介紹了Wi-Fi無線網絡中組播和單播傳輸視頻的特點和局限，以及已有的802.11e的優先級隊列的機制，然后著重分析和歸納了基于QoE的跨網絡層的視頻傳輸的總體架構，視頻QoE的度量指標和作用，應用層、MAC層以及物理層互相配合來總體提高視頻傳輸的質量。

視頻流特定的分層的編碼方式是支持跨層架構的解決方案的基礎，而QoE度量參數是跨層結構中提高性能的關鍵指標和依據，這樣確保了各層始終是依據用戶體驗來傳輸視頻數據。應用層支持動態調整的緩沖區機制和分層數量轉發的控制；然后視頻流的基準層和增強層映射到MAC層的不同優先級隊列，MAC層根據無線網絡吞吐量和連接終端的數量決定是否需要把組播轉換成單播進行轉發；物理層適配相關的MCS轉發視頻數據給各個終端。物理層上的實時吞吐量數據上傳給MAC層以及應用層進行緩沖區管理和流量控制的閉環處理。

基于QoE的跨層視頻傳輸的總體架構中除了增強MAC層中的重傳和確認機制是專門針對組播可靠性的提高，其他闡述的方案和QoE的度量同時適用于組播和單播方式。應用層的視頻分級和緩沖管理、MAC層的優先級隊列、物理層的速率適配等，都能有利于單播視頻傳輸的質量以及終端播放的用戶體驗。

在分析MAC層的時候，本文闡述的技術的出發點是基于目前已有的802.11規范標準的改進，把AP作為框架設計的核心，這樣能兼容用戶已購買的終端硬件，而沒有把終端上的軟件的升級作為技術研究和方案來推薦。

基于QoE的跨層架構方案是最近幾年視頻傳輸研究的重點。本文沒有羅列所有相關的論文和技術，而是從工程設計實現的角度關注系統的層次結構和框架，建立基于分層視頻基礎和QoE度量的完整的跨層方案。作為將來的改進方向，該方案可以繼續研究其他有利于提高用戶體驗的QoE度量參數，組播重傳機制的性能改進，降低跨層結構實現的復雜度，多AP網絡基于QoE的視頻傳輸等。