专利名称：基于比例积分微分控制技术的无线视频传输优化方法
技术领域：
本发明属于无线视频通信领域，特别涉及基于比例积分微分控制技术的无线视频传输优化方法。
背景技术：
本发明是以流媒体服务的出现与发展为大背景的。90年代中后期，随着因特网和编码技术的迅猛发展，人们开始有了在网络上传输视频和图像的愿望，流媒体作为一种新的媒体传播形式也悄然兴起。所谓流媒体，实际是指在网络中使用流式传输技术的连续时基媒体，如音频、视频或多媒体文件，它是一种新的媒体传送方式，而非一种新的媒体。流媒体技术广泛的用于互联网多媒体新闻发布、在线直播、网络广告、电子商务、视频点播、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视频会议等互联网信息服务的方方面面，成为日常生活中得到信息、获取资讯所不可或缺的有效方法和快速途径。
然而，流媒体技术发展到21世纪，基于有线网络的流媒体服务，已经不能够满足现实的需要。任何人在任何时间、任何地点都能够使用流媒体服务，既是一种良好的愿望，也是迫切的需求。新一代无线网络标准的制定和采用，使得在无线信道上进行实时的视频通信成为可能。手机可视通话、移动视频点播等依托于新一代无线网络的流媒体服务，将会成为移动运营商的快速的业务增长点。无线流媒体作为一种无线宽带增值的业务，有着广阔的发展空间和美好的发展前景，将是也必然是未来的移动网络运营商们的最重要的盈利来源。
无线视频传输服务的需求日益扩大，其面临着稳定性和传输效率两个方面的挑战。首先，无线信道带宽有限，3G标准下户外车载匀速运动峰值带宽只有384kbps。其次，无线信道误码率高且时变性强，具有显著的动态性。而且无线视频通信具有实时性的要求，这种差错会造成视频质量的严重下降，并且会引起播放缓冲区的下溢，引起视频播放的停顿，甚至导致无线视频通信连接的中断。无线视频传输系统的设计，就是要在稳定性和传输效率之间进行艰难的取舍，以期达到最优的折衷。
一般的无线视频通信系统由服务器、传输信道和客户端三部分组成。其一般的无线视频传输方法为服务器对采集到的视频信号进行信源编码和信道编码，并对编码后的数据进行打包封装，通过无线信道传送给客户端。客户端对接收的数据包先后进行信道解码和信源解码，如数据包传输无误，则解码成功，能够正确播放，向服务器反馈正确接收信号(ACK)；如数据包传输有误，则不能正确解码播放，向服务器反馈错误接收信号(NACK)。
为了提高无线视频传输过程中的稳定性，有许多差错控制的方法。由于无线视频传输的实时性的需求，前向纠错编码方法FEC，成为其中最为典型的差错控制方法。该方法在信道编码阶段加入固定冗余信息值。根据网络条件的先验知识，估计信道的平均误码率，确定最为合适的冗余信息比例。而后，据此对信源编码后的信息进行信道编码，当数据包的数据部分出错时，可以利用冗余信息进行纠错，从而降低丢包率。提高传输成功率。然而，无线信道的误码率随时间变化剧烈，很难事先进行准确的估计。为了确保无线连接的稳定，FEC这种采用固定冗余值的方法只能采用最恶劣的信道条件作为参考值。显然，无线信道的动态性决定了这是以牺牲传输效率为代价的。
FEC等方法的局限性表现在1、需要对即将进行视频传输的无线信道有一定的先验知识，才能将平均误码率设定在一个较为理想的状态，否则无法工作。
2、固定的冗余值不具有普适性，对不同无线信道进行实时视频通信之前，都要进行人工设定与调整。
3、当无线信道的误码率一直低于事先设定的最恶劣的情况时，则预先设定的冗余值过大，无线信道在视频通信的大部分时间里处于闲置状态，造成无线信道资源的巨大浪费，同时也影响客户端的视频播放质量。
4、当无线信道的误码率由于外界条件的突然变化，出现高于事先设定的最恶劣的情况时，事先设定的冗余值不能满足系统抵抗差错的要求，因而造成播放质量的严重下降，更为严重的后果会造成播放的停顿，进而导致无线通信连接的异常中断。
对于理想的高斯白噪声信道，误码率较为平稳，效果并不明显。然而现实应用中，这种情况很少。考虑到无线传输中的信道衰落，无线信道误码率随着移动终端的随机运动会有小尺度的显著变化。如何在这种信道上，在整个视频通信过程中一直将丢包率控制在一个理想的状态之下，如何在有限的无线资源下使传输效率达到最优，这在技术上还是一个空白。
发明内容
本发明的目的是为克服FEC等方法采用固定冗余信息值所造成的信道传输效率的浪费，提出基于比例积分微分(PID)控制技术的无线视频传输优化方法，可提高无线信道误码率小尺度变化时传输效率，并解决无线视频实时通信服务中，播放异常中断的问题。能够抵抗天气、地形、干扰和移动速度对于无线视频通信的影响，为不同要求的用户提供不同质量的服务。
本发明的基于比例积分微分控制技术的无线视频传输优化方法，包括以下步骤1)对服务器端进行初始化；2)服务器端对将要传输的视频内容进行信源编码，根据冗余信息值对信源编码后的视频信息进行信道编码；3)信道编码后的视频信息通过通信网络进行传输到客户端；4)客户端对接收到的视频信号进行解码播放，并根据接收到的数据包的状态，进行差错探测，得到的正确或是错误的探测结果，同时把正确接收确认(ACK)信号和错误接收确认(NACK)信号，通过后向信道对服务器端进行信息反馈；5)服务器端在收到客户端的反馈信号后，计算无线信道的丢包率，并根据丢包率实时更新抗差错的冗余信息值；6)用更新后的冗余信息值，重复执行步骤2)-6)，对视频数据进行编码、并打包发送。
本发明的特点及效果1、抗错性能强。不受外界条件变化的影响，能够自动的调整冗余信息值，保证无线实时视频服务的连贯与顺畅。
2、视频质量好。能够保证一直充分利用网络资源，能够尽可能多的传输视频数据信息。
3、实用性大。实现集中在服务器端，不需要对网络中间件和用户端作任何修改，因此具有较强的实用性和可移植性。
4、可移植性强。适用于任何衰落信道，而不需要大的改变。
5、算法简单。计算复杂度小，运算快速，不会增加服务器过多额外的开销。
6、应用范围广。支持用户的快速、慢速与静止等任何移动需求。
总之，本发明第一次将自动控制领域的控制方法用于无线视频传输。实验表明，该方法是可行并且有效的。与前人的方法进行比较发现，传输效率大幅提升，尤其在信道误码率小尺度变化的情况尤为明显。
图1为应用本发明方法的实施例的网络仿真拓扑结构示意图。
具体实施例方式
本发明提出的基于PID技术的无线视频传输优化方法及实施例详细说明如下一般的无线实时视频通信系统由服务器端、通信网络和客户端三部分组成。本发明主要工作集中在服务器端，不需要修改网络中间件和移动终端。
本发明的无线视频传输优化方法，包括以下步骤
1)对服务器端进行初始化；2)服务器端对将要传输的视频内容进行信源编码，根据冗余信息值对信源编码后的视频信息进行信道编码；3)信道编码后的视频信息通过通信网络进行传输到客户端；4)客户端对接收到的视频信号进行解码播放，并根据接收到的数据包的状态，进行差错探测，得到的正确或是错误的探测结果，同时把正确接收确认(ACK)信号和错误接收确认(NACK)信号，通过后向信道对服务器端进行信息反馈；5)服务器端在收到客户端的反馈信号后，计算无线信道的丢包率，并根据丢包率实时更新抗差错的冗余信息值；6)用更新后的冗余信息值，重复执行步骤2)-6)，对视频数据进行编码、并打包发送。
上述步骤1)中对服务器端进行初始化的具体实现方法为首先发送一段时间(时间长短无严格要求，时间太长，让客户端等待的时间过长；时间短则得到的统计信息不准确，一般取10秒左右为宜)的无冗余保护数据包，对客户端的反馈信息进行统计，得到当前网络信道的丢包率值，然后根据该丢包率值对服务器端的参数进行初始化。
上述步骤5)调整抗差错的冗余信息值的具体方法为(51)计算信道丢包率(本发明的计算丢包率的方法采用限定记忆法)即采用时刻t之前收到的S个反馈信息(即每收到一个新的反馈信息时，就用它替代统计数据中距离当前时间间隔最长的反馈信息的数据，S的取值无严格要求，S的取值越大则统计数据越准确但对环境变化的反应越慢，对于本发明方法S取1000左右较为合适)统计信道丢包率，得到时刻t的信道丢包率perobs(t)，并将perobs(t)作为观测值(这样统计得到的丢包率相对准确，更能反映当前的网络状态)；具体计算公式如下perobs(t)=1sΣi=ntnt-s+1m(i)]]>式中，nt＝max{k|tk＜t} t表示当前时刻，k表示第k个数据包，则tk表示第k个数据包的反馈信息到达的时刻。因此，nt表示到t时刻为止最后到达的数据包的反馈信息；
(52)根据步骤(51)得到的观测值perobs(t)与预期控制的丢包率目标值perobj，计算t时刻丢包率的偏差e(t)e(t)＝perobs(t)-perobj(2)式中，perobj表示可以接受的目标值，以是否能保证实时播放为准，一般可取0.01；(53)对冗余信息值进行调整即计算原有的冗余信息值的改变值ΔrΔr=1δ(e+I+D)]]>I=1TI∫0tedt]]>D=TDdcdt---(3)]]>式中δ为比例带，可取正值或负值(δ越大，调整的速度越小，一般取50左右较为合适)；TI为积分时间；TD为微分时间；I为积分参数，D为微分参数；(为了使用上的方便)对上述公式加以离散化，得到t时刻冗余信息值r(t)作为新的冗余信息值r(t)=r(t-w)+1δ(e(t)+I(t)+D(t))---(4)]]>式中w表示调整的时间间隔；t时刻的积分参数I，微分参数D采用迭代计算如下I(t)=I(t-w)+1TIe(t)---(5)]]>D(t)＝TD(e(t)-e(t-w))(6)本发明方法中的步骤2)-4)的具体实现方法均可采用已有技术中的常规方法。
本发明的原理用户不仅希望保持无线通信连接的稳定性，还希望尽可能的提高视频质量。本发明所基于的方法是自动控制领域中的PID技术，这种技术可以实时的对冗余信息值进行调节，使其所占的带宽比例尽可能的小。这样既能够保证无线视频实时服务能够稳定工作，又能最大限度的保证服务质量。
实施例本实施例由通过无线网络点播本地H.264媒体文件来完成，所有操作由网络仿真软件NS2.26、H.264编码器、手持终端H.264播放器完成。
H.264编码器配置
CPUIntel PIV 2.4GHz内存512M操作系统Windows XP手持终端H.264播放器配置CPUIntel X scale 400MHz内存64M参数设置播放节目mummy750a128.264(一部电影)电影长度3600秒应用本实施例的网络拓扑结构如图1所示图中，包括5个功能节点，被布置在240m×120m的矩形区域内，节点S表示流媒体服务器，节点M表示若干中间节点，节点B1和B2表示两个无线基站，节点C表示移动客户端。坐标分别为S(10，60)，M(60，60)，B1(110，10)，B2(110，110)。节点C的初始位置为(130，30)，以3km/h的速度在区域{(120，100)，(200，100)，(200，20)，(120，20)}内随机运动。节点S与节点C之间建立服务连接，使用MobileIP的技术，节点C在B1、B2的覆盖范围之间运动时，距离哪个基站近就通过哪个基站与节点S通信。节点S在t＝(0,3600)时，以0.04秒一个数据包的速度向节点C发送改进的UDP流。包的大小为300字节，包括信源码字和信道码字两部分。
这里B1采用通用测试模式1，B2采用测试模式2，具体参数如下表。
表1无线网络测试模式
本实施例的方法具体包括以下步骤1)首先服务器和客户端建立连接，对网络状态进行初步探测设定发送10秒钟的无冗余保护数据包，每秒发送30个数据包，包大小为255比特，对反馈信息进行统计，得到当前网络信道丢包率值；并对参数初始化设定r(0)＝0，即开始时的信道编码冗余值为零。调整输出冗余信息值的时间间隔w＝0.04s，即调整一次的时间间隔为0.04秒，丢包率目标值perobj＝0.01，比例带δ＝50，反馈信息个数S＝100，TI＝0.25，TD＝0.25；2)服务器端对将要传输的视频内容进行视频信息进行信源编码，根据冗余信息值对信源编码后的视频信息进行信道编码；
3)对信道编码后的视频信息打包并通过通信网络发送到客户端；4)客户端对接收到的视频信号进行解码播放，并根据接收到的数据包的状态，进行差错探测，得到的正确或是错误的探测结果，同时把正确接收确认(ACK)信号和错误接收确认(NACK)信号，通过后向信道对服务器端进行信息反馈；5)服务端统计客户端传来的反馈信息，根据上述公式(1)计算t时刻丢包率perobs(t)；根据上述公式(2)计算t时刻偏差e(t)；按公式(5)(6)迭代计算积分参数I和微分参数D。
用公式(4)(7)计算新的信道编码的冗余信息值。
routput＝ceil(r(t))(8)这里，ceil()表示向上取整函数；6)t＝t+w，用更新后的冗余信息值，重复执行步骤2)-6)，对视频数据进行编码、并打包发送。
实施例结果与采用固定的冗余值R的前向差错控制的技术进行了比较。表2给出了不同方法下传输效率的对比。
表2传输效率对比
表中数据表明，对于采用固定冗余值R的方法，显然R值越接近无线信道的最坏情况，传输效率越高，如R＝30B。这是因为稳定性高，不会造成大量的数据重传和丢失，同时又没有造成信道带宽的过大浪费。对于R＝40B，传输稳定性虽然很高，但是超出了所需范围，过多地牺牲了传输效率。而一般地，这种无线信道的最坏情况事前是无法预知的。
权利要求
1.一种基于比例积分微分控制技术的无线视频传输优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1)对服务器端进行初始化；2)服务器端对将要传输的视频内容进行信源编码，根据冗余信息值对信源编码后的视频信息进行信道编码；3)信道编码后的视频信息通过通信网络进行传输到客户端；4)客户端对接收到的视频信号进行解码播放，并根据接收到的数据包的状态，进行差错探测，得到的正确或是错误的探测结果，同时把正确接收确认信号和错误接收确认信号，通过后向信道对服务器端进行信息反馈；5)服务器端在收到客户端的反馈信号后，计算无线信道的丢包率，并根据丢包率实时更新抗差错的冗余信息值；6)用更新后的冗余信息值，重复执行步骤2)-6)，对视频数据进行编码、并打包发送。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中对服务器端进行初始化的具体实现方法为首先发送一段时间(时间长短无严格要求，时间太长，让客户端等待的时间过长；时间短则得到的统计信息不准确，一般取10秒左右为宜)的无冗余保护数据包，对客户端的反馈信息进行统计，得到当前网络信道的丢包率值，然后根据该丢包率值对服务器端的参数进行初始化。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)调整抗差错的冗余信息值的具体方法包括以下步骤(51)采用限定记忆法计算信道丢包率采用时刻t之前收到的S个反馈信息统计信道丢包率，得到时刻t的信道丢包率perobs(t)，并将perobs(t)作为观测值；具体计算公式如下perobs(t)=1sΣi=ntnt-s+1m(i)]]>式中，nt＝max{k|tk＜t} t表示当前时刻，k表示第k个数据包，则tk表示第k个数据包的反馈信息到达的时刻，nt表示到t时刻为止最后到达的数据包的反馈信息；(52)根据步骤(51)得到的观测值perobs(t)与预期控制的丢包率目标值perobj，计算t时刻丢包率的偏差e(t)e(t)＝perobs(t)-perobj；(53)对冗余信息值进行调整即计算原有的冗余信息值的改变值ΔrΔr=1δ(e+I+D)]]>I=1TI∫0tedt]]>D=TDdedt;]]>式中δ为比例带，取正值或负值；TI为积分时间；TD为微分时间；I为积分参数，D为微分参数；对上述公式加以离散化，得到t时刻冗余信息值r(t)作为新的冗余信息值r(t)=r(t-w)+1δ(e(t)+I(t)+D(t));]]>式中w表示调整的时间间隔；t时刻的积分参数I，微分参数D采用迭代计算如下I(t)=I(t-w)+1TIe(t)---(5)]]>D(t)=TD(e(t)-e(t-w)).]]>
全文摘要
本发明涉及基于比例积分微分控制技术的无线视频传输优化方法，属于无线视频通信领域。该方法包括初始化；对将要传输的视频内容进行信源编码，根据冗余信息值对信源编码后的视频信息进行信道编码；并通过通信网络进行传输到客户端；客户端对接收到的视频信号进行解码播放，并通过后向信道对服务器端进行信息反馈；服务器端在收到客户端的反馈信号后，计算无线信道的丢包率，并根据丢包率实时更新抗差错的冗余信息值；用更新后的冗余信息值对视频数据进行编码、并打包发送。本发明可提高无线信道误码率小尺度变化时传输效率，能够抵抗天气、地形、干扰和移动速度对于无线视频通信的影响，为不同要求的用户提供不同质量的服务。
文档编号H04N7/66GK1988671SQ20061017150
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月30日 优先权日2006年12月30日
发明者戴琼海, 温建伟, 金以慧 申请人:清华大学