无线流媒体传输中的速率控制方法

专利名称：无线流媒体传输中的速率控制方法
技术领域：
本发 明属于无线多媒体通信技术领域，涉及一种基于丢包率、业务数据通过率以及改进的加增乘减(AMD)算法保证无线流媒体传输服务质量的速率控制方法，具体讲，涉及基于约束满足框架的空间问题求解器。
背景技术：
近年来，随着通信技术、网络技术、视频编解码技术的快速发展，网络通信的服务内容变得更加丰富多彩。结合语音、视频、数据等信息传输的多媒体通信已经成为通信业务发展的必然趋势，其中多媒体视频通信由于具有连续性传输、数据量大、对实时性、可靠性要求高等特点而成为了研究热点。有线多媒体通信技术已趋成熟，如基于H. 261/H. 263标准的视频电话、视频点播(VoD Video on Demand)、多媒体电子邮件、有线数字电视和视频监控等技术已经获得广泛应用。然而，虽然有线信道能够为多媒体通信提供比较稳定可靠的传输环境，但是有线传输的固有弊端，如对布线环境有着较高的要求、成本较高等，限制了多媒体通信的进一步发展。基于无线传输的多媒体通信业务受到人们的关注。近十年无线传输技术的发展突飞猛进，无线网络能够提供的传输带宽也得到了飞速提升。第三代移动通信网可以为固定位置服务提供2Mbps的速率，在人行走的状态下速率能达到384Kbps,在车速行进中也可达到128Kbps,已经达到了多媒体视频传输业务的带宽要求。在第四代(4G)无线通讯系统中，传输速率能达到80Mbps以上；IEEE 802. 11系列标准可提供每秒数兆至数百兆的传输速率；中国近期提出的具有自主知识产权的超高速无线局域网标准更是将物理层传输速率提升到了 Gbps。无线通信带宽的快速增长，为多媒体通信提供了更好的发展机遇。然而，无线信道具有错误率高以及时变的特性，无线信道的不可靠会导致多媒体视频质量发生严重抖动，从而使得保障无线流媒体传输服务质量面临着巨大挑战。基于上述原因，人们提出了多种速率控制方法来提高无线流媒体传输的服务质量、改善其传输效率。这些流媒体速率控制方法被广泛用于基于实时传输协议(RTP)的流媒体传输系统中。实时传输协议(RTP)是用于互联网上针对多媒体数据流的一种传输协议。RTP协议由两部分组成RTP和RTCP (实时传输控制协议)。RTP协议位于传输层协议TCP和UDP协议之上，为了保证传输的实时性，RTP协议在负载前加上RTP包头之后，就直接将RTP包交付给UDP进行传输。RTCP主要对传输过程中的各种传输参数(丢包率、时延等)进行统计。传统的速率控制算法均是利用RTCP提供的传输参数进行速率控制。根据目前流媒体速率控制算法的速率控制原理，可以将其分为两类■加增乘减(AMD)算法。AMD是在TCP/IP传输模型中，为网络层提供拥塞控制的算法。该算法能为TCP/IP网络提供可靠的数据传输服务。它是通过比较实测丢包率与预设的丢包率门限值来判断网络的状态。如果丢包率大于丢包率门限，说明发生拥塞，则按照预设的常数乘性降低因子降低发送速率；反之，按照预设的常数加性增长因子增加发送速率。AIMD算法进行速率调整时并不考虑当前信道拥塞的程度与速率调整幅度的关系，是一种线性算法，计算很简单。然而，使用AMD算法容易使传输速率发生锯齿状波动，不利于提高传输服务质量。■ TCP 友好速率控制(TFRC，TCP Friendly Rate Control)算法。TFRC 算法基于TCP吞吐量模型来进行传输速率的调整，如公式(I)所示
-l.5x.r xMTU,....., V 31.22XiV//"…
SeiidRcne(X) =-~F=~ ~-—11 ；
RTTx^iA RTTx^A
其中MTU是最大传输单元；入为丢包率，RTT是环回时间，SendRate是网络吞吐量；该算法能得到比较稳定和平滑的传输速率，然而该算法是根据网络资源使用最大化来进行速率调整，忽略了视频流的感知质量。上述两类算法的具有共同的特点两类算法均是利用RTCP协议中RR(接收者报告)包所提供的传输参数统计信息来进行流媒体传输速率控制。由于RTCP协议中RR包是间隔5s进行发送，这就意味着流媒体传输系统只能每5s进行一次传输速率控制，这对于信道相对稳定的有线传输而言是足够的；然而对于带宽具有时变特性的无线传输，传输速率的控制无法适应信道的变化。

发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种无线环境下流媒体传输的速率控制方法，以便减小流媒体在无线环境下传输时由于无线信道不可靠而引起的传输质量抖动，进而提高流媒体传输服务质量以及无线信道的利用率。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，无线流媒体传输中的速率控制方法，比传统速率控制方法更短的时间间隔内通过平滑处理获取丢包率和业务数据通过率参数；基于上述参数及改进的加增乘减算法调整流媒体传输速率，在信道轻载时，由丢包率决定的变常数加性因子和常量加性因子决定速率增长幅度，在信道超载时，由丢包率决定的变常数乘性因子和常量减性因子决定速率降低幅度；设定速率切换门限，只有当本次预测速率与上次预测速率的差值超过设定门限时才认为速率切换有效。包括以下步骤(I)获取丢包率以及业务数据通过率在流媒体传输系统的接收端，通过对接收的流媒体数据包进行统计分析来获取丢包率以及业务数据通过率参数；(2)预测新的传输速率流媒体传输系统的接收端获取丢包率以及业务数据通过率之后，基于改进的AMD算法，分析无线信道在此时的状态并且预测新的适合此时无线信道带宽的传输速率；(3)判断是否进行传输速率调整流媒体传输系统的接收端预测出新的传输速率后，需要比较本次预测新速率与上次预测的新速率之间的差值是否超过设定的阈值，如果超过该阈值，则本次速率调整有效，否则，本次速率调整无效。获取丢包率以及业务数据通过率步骤如下I)根据无线信道状态，确定丢包率以及业务数据通过率获取的时间间隔At ;2)确定获取第i个时间间隔参数时参与计算的时间间隔个数N，以及参与计算的第i_j时间间隔相应的权值；3)统计流媒体传输参数，在接收端接收流媒体数据包的同时，统计第i个时间间隔内参数，包括丢包数LPNi,总的发送包数SPNi,业务数据量Di以及准确的间隔时间Ti ；4)计算第i个时间间隔内丢包率Pi与业务数据通过率Ri,通过对第i-N+1个时间间隔到第i个时间间隔所获得传输参数进行加权平滑计算丢包率与业务数据通过率。获取丢包率以及业务数据通过率步骤中时间间隔At取2s，参与计算的时间间隔个数N取值为2或者3。改进的AMD算法包含以下步骤I)根据测试统计视频传输系统接收端视频质量与丢包率的关系，设定算法中丢包率上下门限值分别为Pltjssjiax和P1()SS—min，最大业务数据速率Rmax以及最小业务数据速率Rmin ；2)比较实测丢包率Pi与预设丢包率门限大小关系，确定信道状态是超载、轻载还是负载平衡；3)当信道超载时，即Pi彡Plossjiax,计算信道超载的差值因子m = Pi-Plossjiax以及超载速率降低因子Pk= Pk-iXa-O.eXm)2，其中k表示连续超载的次数，根据公式Rmw =MAXW15XRi-SO,RmiJ计算新的传输速率，其中Ri是第i个时间间隔内业务数据通过率，Rmin是系统设定的最小业务数据速率；4)当信道轻载时，即Pi ( Plossjlin,计算信道轻载的差值因子m =入X (Plossjlin-Pi)以及速率增加量a =OJemXRc^eO,其中Rtl为预设的速率增长因子；根据公式Rmw =MIN {a +Ri7RfflJ计算新的传输速率，其中Ri是第i个时间间隔内业务数据通过率，Rmax是系统允许的最大业务数据速率；5)当信道负载平衡时，无需对速率进行调整，退出速率控制方法。改进的AIMD算法实现步骤3)中首次超载速率降低因子的取值范围是
;改进的AIMD算法实现步骤4)中速率增加因子Rtl取值范围为[80，150]。速率控制方法中设定了速率切换门限，门限值Rth —般设定为40 80Kb/s。本发明的技术特点及效果本发明采用较小的信道状态获取时间间隔来对信道状态进行分析，使得该方法能较快的反映无线信道的变化。本发明基于改进的AIMD算法预测合适的传输速率，相对于传统AIMD算法，改进的算法加大了丢包率对传输速率调整幅度的影响，能够使速率的预测更加接近无线信道带宽。本发明充分考虑了无线信道的特性，可以作为在无线环境下提高流媒体传输质量的一种有效方法。本发明的有益效果还在于■快速反映无线信道变化。无线信道具有衰落、时变等特性，信道状态的变化相对较快。本发明基于自定义较小的时间间隔获取丢包率以及业务数据通过率，同时对重要参数进行了平滑处理，符合无线信道的时变特性，使得速率的调整更加及时；■降低了传输速率抖动。本发明通过改进的AMD速率自适应调整算法，充分利用了丢包率和业务数据通过率这两个重要的参数对传输速率进行调整，使得速率调整更加准确，减少了锯齿状波动；■减小系统开销。本发明通过在传输速率调整反馈之前加入判断机制，能够降低系统不必要的开销；
■提高无线流媒体传输服务质量和无线信道利用率。本发明通过对流媒体传输过程中速率进行控制，降低了丢包率以及传输速率的抖动，从而提高了传输服务质量和信道利用率。


图I速率控制方法总体流程图。图2丢包率以及业务数据通过率获取方法流程图。图3改进的AMD算法总流程图。图4改进的AMD算法中信道超载情况下速率调整流程图。图5改进的AMD算法中信道轻载情况下速率调整流程图。 图6无线实时视频传输系统的结构组成示意图。图7实施例系统性能测试结果峰值信噪比图。图8实施例系统性能测试结果丢包率与业务数据通过率图。
具体实施例方式基于以上考虑，本发明针对提高无线流媒体传输服务质量与信道利用率这一问题，提出了一种无线流媒体传输的速率控制方法。该方法基于流媒体传输系统，在系统接收端以较传统速率控制方法更短的时间间隔对丢包率和业务数据通过率等参数进行统计，基于上述两参数，通过改进的AMD算法预测流媒体业务数据传输速率，在判定速率切换有效后由TCP协议反馈给发送端。和传统的流媒体速率控制方法相比，本发明能使得流媒体传输速率更准确的适配无线信道的带宽，从而保障流媒体传输服务质量、提高无线信道利用率。为了达到上述目的，本发明提供了一种无线流媒体传输中的速率控制方法，其特征在于该方法在比传统速率控制方法更短的时间间隔内通过平滑处理获取丢包率和业务数据通过率等参数；基于上述参数及改进的加增乘减算法调整流媒体传输速率，在信道轻载时，由丢包率决定的变常数加性因子和常量加性因子决定速率增长幅度，在信道超载时，由丢包率决定的变常数乘性因子和常量减性因子决定速率降低幅度；最后本发明设定了速率切换门限，只有当本次预测速率与上次预测速率的差值超过设定门限时才认为速率切换有效。本发明提供了一种无线流媒体传输中的速率控制方法，其特征在于所述方法包括以下步骤(I)获取丢包率以及业务数据通过率。在流媒体传输系统的接收端，通过对接收的流媒体数据包进行统计分析来获取丢包率以及业务数据通过率等参数；(2)预测新的传输速率。流媒体传输系统的接收端获取丢包率以及业务数据通过率之后，基于改进的AMD算法，分析无线信道在此时的状态并且预测新的适合此时无线信道带宽的传输速率；(3)判断是否进行传输速率调整。流媒体传输系统的接收端预测出新的传输速率后，需要比较本次预测新速率与上次预测的新速率之间的差值是否超过设定的阈值，如果超过该阈值，则本次速率调整有效，否则，本次速率调整无效。
本发明提供了一种无线流媒体传输中的速率控制方法，其特征在于上述获取丢包率以及业务数据通过率步骤如下I)根据无线信道状态，确定丢包率以及业务数据通过率获取的时间间隔At ;2)确定获取第i个时间间隔丢包率以及业务数据通过率时参与计算的时间间隔个数N，以及参与计算的第i_j时间间隔相应的权值％和iip其中0彡j彡N ;3)统计流媒体传输参数。在接收端接收流媒体数据包的同时，统计第i个时间间 隔内参数，包括丢包数LPNi,总的发送包数SPNi,业务数据量Di以及准确的间隔时间Ti ；4)计算第i个时间间隔的丢包率与业务数据通过率。通过对第i-N+1个时间间隔到第i个时间间隔所获得传输参数进行加权平滑计算丢包率与业务数据通过率。本发明所提出的无线流媒体传输中的速率控制方法，其特征在于获取丢包率以及业务数据通过率步骤中时间间隔A t 一般取2s左右，参与计算的时间间隔个数N取值为2或者3。本发明所提出的无线流媒体传输中的速率控制方法，其特征在于改进的AIMD算法包含以下步骤I)根据测试统计视频传输系统接收端视频质量与丢包率的关系，设定算法中丢包率上下门限值分别为Pltjssjiax和P1()SS—min，最大业务数据速率Rmax以及最小业务数据速率Rmin ；2)比较实测丢包率Pi与预设丢包率门限大小关系，确定信道状态是超载、轻载还是负载平衡；3)当信道超载时，即Pi彡Plossjiax,计算信道超载的差值因子m = Pi-Plossjiax以及超载速率降低因子Pk= Pk-iXa-O.eXm)2，其中k表示连续超载的次数，根据公式Rmw =MAXW15XRi-SO,RmiJ计算新的传输速率，其中Ri是第i个时间间隔内业务数据通过率，Rmin是系统设定的最小业务数据速率；4)当信道轻载时，即Pi ( Plossjlin,计算信道轻载的差值因子m =入X (Poss fflin-Pi)以及速率增加量a =OJemXRc^eO,其中Rtl为预设的速率增长因子；根据公式Rmw =MIN {a +Ri7RfflJ计算新的传输速率，其中Ri是第i个时间间隔内业务数据通过率，Rmax是系统允许的最大业务数据速率；5)当信道负载平衡时，无需对速率进行调整，退出速率控制方法。本发明所提出的无线流媒体传输中的速率控制方法，其特征在于改进的AIMD算法实现步骤3)中首次超载速率降低因子P。的取值范围是
;改进的AIMD算法实现步骤4)中速率增加因子Rtl取值范围为[80，150]。本发明所提出的无线流媒体传输中的速率控制方法，其特征在于速率控制方法中设定了速率切换门限，门限值Rth —般设定为40 80Kb/s。为了使本发明目的、技术方案特征以及优点更加清楚，下面结合附图详细描述本发明。本发明是一种用于无线信道环境下流媒体传输的速率控制方法。流媒体传输，特别是实时视频传输，具有连续性传输、数据量大、对实时性、可靠性要求高等特点，如果信道不可靠或者出现拥塞的情况，会严重影响流媒体传输的服务质量。在有线网络的情况下，影响流媒体传输质量的主要原因是网络的拥塞。然而在无线环境下，影响流媒体传输质量的主要因素是无线信道的带宽时变性和不可靠性。因此本发明主要针对无线环境下的流媒体传输，通过分析一段时间的传输情况从而判断无线信道的状态，最后预测出合适的传输速率。本发明能够降低流媒体传输过程中的丢包率,从而提高无线流媒体传输的服务质量以及无线信道利 用率。本发明采用比传统流媒体速率控制方法更小的时间间隔获取丢包率以及业务数据通过率，以改进的AIMD算法算法预测新的传输速率。这使得该方法能够快速反映无线信道的变化，准确预测新传输速率，从而提高无线流媒体传输的服务质量以及无线信道的利用率。在使用本发明之前，需要根据实际的流媒体应用情景以及无线环境来确定本发明的预设参数，这些参数值对本发明提供的速率控制方法的性能有较大的影响。■最大业务数据速率Rmax以及最小业务数据速率Rmim。这两个参数分别是业务数据速率调整的最大值以及最小值。它们的值是根据流媒体业务对业务数据吞吐量的实际要求来确定。■最大丢包率门限Pltjss niax以及最小丢包率门限Pltjss 最大丢包率门限表示流媒体传输系统对丢包率的容忍程度，最小丢包率门限表示流媒体传输系统对信道轻载的容忍程度。■速率控制的时间间隔At。该值表示在流媒体传输的过程中，每隔At时间，根据本发明的速率控制算法对流媒体传输速率进行调整。如果该值取值太大，则无法反映无线信道的时变性；如果该值取值太小，则会导速率抖动较大。下面详细说明本发明方法的各个步骤。图I为本发明方法总体流程图。从图中可以看出，本发明方法主要包括丢包率以及业务数据通过率获取、改进的AMD算法速率调整以及系统速率切换判定三个部分。基于设定好速率控制的时间间隔At，本发明方法在At时间段内获取流媒体传输参数，在At最后时刻使用改进的AIMD算法进行新传输速率的预测，同时对系统速率切换的有效性进行判定。本发明的速率控制方法一直以At为时间间隔循环运行。为了使下面介绍的详细流程更加清楚，均以第i个时间间隔为例进行说明。本发明详细流程如下(I)丢包率以及业务数据通过率。接收端在接收流媒体数据包的同时,对第i个时间间隔内流媒体数据包的传输信息(包括发送端总共发送的数据包个数，接收端接收的数据包个数，接收端接收总的业务数据量以及准确的时间间隔值)进行统计，从而计算第i个时间间隔内丢包率Pi和业务数据通过率Ri ；(2)预测新的传输速率。接收端在获取丢包率以及业务数据通过率后，将丢包率Pi与预设的丢包率门限进行比较，从而获知当前的信道状态超载、轻载以及平衡。根据三种信道状态以及丢包率、业务数据通过率，改进的AMD算法能准确的预测新速率；(3)判断是否进行传输速率调整。当得到新的传输速率Rmw后，将该值与上次速率预测值Rnra0ast进行比较，只有当I RMW-RMW—last I > Rth时，才通知流媒体系统发送端改变传输速率，其中Rth为预设的速率调整门限值。图I中获取丢包率以及业务数据通过率的处理流程如图2所示，接收端通过接收到的流媒体数据包获取当前数据包的序号、当前数据包所属的视频帧以及包负载数据长度等信息，从而计算出速率自适应调整所需要的参量。
丢包率以及业务数据通过率获取的流程如下(I)首先初始化计数器。包括初始化视频帧数计数器F_cnt、接收流媒体数据包计数器P_cnt以及业务数据量计数器Dp由于视频帧数据量比较大，所以发送端会将其切割为几个数据包进行传输。因此每接收一个流媒体数据包，首先需要根据发送端预设的标志位来判断该数据包是否是一个视频帧的起始数据包，如果是则将帧计数器F_cnt加1，否则保持不变；然后获取该数据包的负载业务数据长度，将该长度加到业务数据量计数器DiI ;最后包计数器P_cnt相应加I。(2)确定计数起始参数。接收流媒体数据包计数器P_cnt为I时，新一时间段的信道预测量获取开始，获取该数据包的序号Psnl (为了查看流媒体传输是否丢包，需要为每个数据包加上一个16比特序号)以及当前时间timel ；(3)确定计数终止参数。为了适应无线信道的快速变化，该系统中设定当接收帧数 达到30帧时，该时间段结束，获取此时数据包的序号psn2以及当前时间time2。系统的视频帧率为15帧/s，因此每一时间间隔大约为A t = 2s ;(4)计算该时间间隔的准确值Ti = time2-timel,以及在Ti时间内发送端发送的总包数SPNi = psn2-psnl+l,丢包数LPNi = SPNi-P^nttj由于数据包头中包序号占16比特，因此最大序号为65535，在系统运行时会出现序号溢出，即出现发送包数SPNi < 0情况，此时 SPNi = psn2-psnl+l+65536。(5)计算丢包率P”由于预测周期At较小，而丢包率反映的是信道的拥塞状态，与之前时刻信道拥塞状态有关，因此取前N个时间间隔内各种数据包统计结果的加权值进行计算，N值取决于信道环境。根据公式(2)计算丢包率，式中当N = 3时，加权值a取值为a。= 0.5，Ci1 = 0.3，a2 = 0. 2 ;当N= 2 时，加权值 a 取值为a。= 0. 7，a 丨=0. 3 ;LPNh表示第H个时间间隔内统计得到的丢包总数，SPNh表示第H个时间间隔内发送端发送数据包总数。
N-I
XLPN^1Pi =誓'-(2)
'Yj^xSPNm J=0
J=Q(6)计算业务数据通过率民。根据公式(3)计算业务数据通过率，式中当N = 3时，加权值 y(l = 0.7，iii = 0.2，ii2 = 0.1;iN = 2 时，加权值 ii。= 0. 8，ii I = 0. 2 ；0^表示第i_j个时间间隔内接收到的业务数据量，Ti^j为第i-j个时间间隔的准确时间值；
N-I
V// , X nRi=j^r1-=1(3)
产0
J=O(7)对上述使用的各种计数器进行复位，开始下一时间间隔的信道预测量计算。图I中改进的AMD算法总流程图如图3所示。传统的AMD算法不考虑实时丢包率参数的影响，当信道超载时以常数因子乘以当前速率来降低传输速率，信道轻载时以常数加上当前传输速率来增加传输速率，这样会导致传输速率的锯齿状波动。本发明在调整速率时考虑丢包率这一重要参数，丢包率与门限值差值越大，速率调整的幅度就越大。
改进的AMD算法步骤如下(I)设定流媒体传输系统所允许的最大丢包率门限Pltjss max以及最小丢包率门限
Ploss—min (2)将丢包率Pi与预设的丢包率门限进行比较。若丢包率Pi大于最大丢包率门限P1()SS—_，则说明当前信道超载，需要降低速率以提高视频传输服务质量；
(3)若丢包率？1小于最小丢包率门限Pltjss min，则说明当前信道轻载，需要增加速率以提高无线信道利用率；(4)若丢包率？1大于最小丢包率门限Pltjss min且小于最大丢包率门限Pltjss max，则说明信道负载平衡，无需进行速率调整，退出速率控制算法。图2中信道超载时的处理流程如图4所示，改进的AMD算法通过综合考虑信道超载的程度以及信道当前业务数据通过率来确定新的传输速率。超载时新速率确定流程如下(I)首先初始化首次信道超载速率降低因子该值影响速率降低的幅度，在本发明中取值为0. 93 ；(2)判断信道连续超载的次数k。当信道连续超载时，说明信道进入了比较大的衰落，需要相对增加速率降低的幅度。(3)计算本次信道超载的差值因子m = Pi-Plossjiax,其中Pi为实测丢包率，Plossjiax为系统预设最大丢包率；(4)计算本次信道超载速率降低因子Pk=^1X (1-0. 6Xm)2 ；(5)计算本次速率自适应调整产生的新速率Rnew = MAXl^KXRi-50，RmiJ，其中Ri为业务数据通过率，Rfflin为系统预设最小业务数据传输速率；图2中当信道轻载时的处理流程如图5所示，速率自适应控制模块通过综合考虑信道轻载的程度以及信道当前业务数据通过率来确定新的传输速率。轻载时新速率确定流程如下(I)初始化速率增加因子Rtl，该值影响速率增加的幅度，在系统中取值为100 ；(2)恢复速率降低因子P o,为下次信道超载做准备；(3)计算本次信道轻载的丢包率差值因子m = A X (P1()SS --Pi)，其中入是丢包率差值放大倍数；(4)计算本次信道轻载下速率增加量a = 0. ZemXRjeo,其中Rtl速率增加因子；(5)计算本次速率自适应调整产生的新速率Rnew = MIN{ a+Ri, RmaJ，其中Ri为第i个时间间隔内业务数据通过率，Rfflax为最大业务数据速率；本发明提供的无线流媒体速率控制方法可用于多种场景，包括无线视频监控、无线视频会议、无线视频电话以及流媒体下载播放等。本发明提供的方法能够有效的提高这些应用的服务质量。下面以对服务质量要求较高的实时视频应用作为本发明的实施方案。将流媒体速率控制方法用于端到端无线实时视频传输系统中，从而保障实时视频在传输过程中的服务质量。图6为本发明具体实时方案的系统框图，该系统是基于嵌入式Linux平台实现的端到端无线视频实时传输系统。该系统以802. llb/g标准的Ad-Hoc (无线自组织网络)模式作为实时视频传输的无线环境。由于802. llb/g标准物理层速率最高能够到达54Mb/s，能够达到实时视频传输的带宽要求。该系统由视频发送端和视频接收端组成，视频发送端主要包括视频采集编码模块和视频数据发送模块，视频接收端主要包括数据接收模块、视频解码显示模块以及速率控制模块。下面对该系统各个模块及其特点进行详细描述。视频发送端(I)视频采集编码模块。该模块通过配置摄像头视频采集的帧率、分辨率等参数来获取满足要求的实时视频，为了降低传输所需的带宽，由编码模块对其进行H264视频格式编码。系统运行时，采集编码模块的主要参数如下 ■视频分辨率640x400，传输过程中保持不变；■视频帧率15帧/s，传输过程中保持不变；■编码器输出业务数据速率初始化为2048Kb/s，之后由速率控制模块进行调整；(2)视频数据发送模块。为了保证视频数据的实时传输，我们采用RTP作为视频数据流的传输协议。使用RTP作为视频数据传输协议能够更加方便的使用本发明，因为RTP协议规定了流媒体信息传输时RTP包头所携带的信息,包括该RTP数据包的来源，数据包的序列号以及时间戳等。根据RTP数据包的来源，流媒体传输系统在接收端能够同时接收多路媒体源；根据RTP数据包的序列号，可以计算出流媒体传输系统在某一个时间段内的丢包率。通过获取RTP数据包业务数据的长度，可以计算出流媒体传输系统在一个时间段内业务数据通过率。系统在该模块将一帧视频数据按照RTP进行切割打包，然后交付给UDP进行传输。视频接收端(I)数据接收模块。该模块功能是接收RTP数据包，进而对RTP数据包进行解包，将同一帧的RTP数据包负载组合在一起成为视频帧。(2)视频解码显示模块。数据接收模块将接收到的RTP数据合成被压缩的视频帧之后，由解码模块对其进行H264视频格式解码。由于解码后的视频数据是YUV420格式，因此需要将其转换为RGB格式之后由LCD进行显示。(3)速率控制模块。该模块是本发明提供的方法在该实施例中的体现，是保障该系统实时视频传输服务质量的重要模块。该模块主要由3个子模块组成，包括丢包率及业务数据通过率获取子模块、改进的AMD速率调整子模块以及系统速率切换判定子模块。三个子模块的描述如下■丢包率以及业务数据通过率获取子模块。该子模块在数据接收模块进行RTP数据包接收的同时，按照本发明提供的方法对传输参数进行统计，从而获取丢包率以及业务数据通过率。系统将上述参数获取的周期设定为接收端接收到30帧视频的时间，由于系统视频帧率为15帧/s保持不变，因此时间约为2s。该子模块按照本发明提供的公式(2)和
(3)计算丢包率以及业务数据通过率时参数的取值如下>参与计算的时间间隔个数N = 3 ；>丢包率平滑因子 a。= 0. 5，a 丨=0. 3，a 2 = 0. 2 ；>1^。= 0.7, U1 = 0.2, U 2 = 0- I °■改进的AMD速率调整子模块。该子模块在获取丢包率以及业务数据通过率之后，按照本发明提供的改进的AIMD算法对传输速率进行调整，各种参数的取值如下>丢包率上下门限值，Pioss max = 0. 03，Plossjlin = 0. 008 ；>最大业务数据速率Rmax = 2048kb/s，最小业务数据速率Rmin = 256kb/s ；>首次信道超载速率降低因子@。= 0. 93 ; >速率增加因子Rtl = 100。■系统速率切换判定子模块。该模块主要是为了防止系统出现频繁切换而增加系统开销。按照本发明提供的系统速率切换判定方法，其判定的阈值Rth设定为60Kb/s。如图6所示，该系统具有由两条无线传输链路。第一条是基于RTP/UDP/IP的视频数据传输链路，主要负责实时的视频传输；第二条是基于TCP/IP的反馈控制链路，主要负责速率控制模块的速率调整信息的可靠传输。为了评估上述系统性能，在该系统进行视频传输过程中统计了丢包率、业务数据通过率以及视频传输的PSNR(峰值信噪比)等参数。系统性能的测试环境是有着许多不同无线接入点的走廊，不同无线信号之间干扰比较大，发送端系统与接收端系统相距42m。性能测试的结果如下。如图7所示，是计算系统发送端H264压缩前与接收端进行H264解码后视频数据的PSNR值。因此，图7所示视频质量的损失由两部分组成传输损失与H264编解码损失。视频传输的PSNR值与人们对视频感知质量的评价有着一定的关系，将图7中的PSNR值进行分段统计如下> PSNR值大于37，视频等级为5，视频质量非常好，占总数88. 312% ；> PSNR值位于区间(31，37]，视频等级为4，视频质量好，占总数9. 5238% ；>PSNR值位于区间(25，31]，视频等级为3，视频质量一般，占总数0% ；> PSNR值位于区间(20，25]，视频等级为2，视频质量较差，占总数0.8658% ；> PSNR值小于20，视频等级为4，视频质量差，占总数I. 2987% ；从统计的结果可以看出，该系统能够提供较高的视频传输服务质量，97. 8358%情况下能提供好的视频质量，只有当无线信道衰落很大时，会短暂的引起视频质量的降低。图8是系统进行视频传输时统计的业务数据速率以及丢包率的参数图。从图中可以看出，在大部分时间内，系统的丢包率都被控制在2%以下，然而由于信道的时变特性，在某些时候系统的丢包率比较大，此时无线信道进入了比较大的衰落中，通过本发明的速率控制方法，业务数据速率会立即响应无线信道的变化，降低传输速率，从而保证较低的丢包率。
权利要求
1.一种无线流媒体传输中的速率控制方法，其特征是，比传统速率控制方法更短的时间间隔内通过平滑处理获取丢包率和业务数据通过率参数；基于上述参数及改进的加增乘减算法调整流媒体传输速率，在信道轻载时，由丢包率决定的变常数加性因子和常量加性因子决定速率增长幅度，在信道超载时，由丢包率决定的变常数乘性因子和常量减性因子决定速率降低幅度；设定速率切换门限，只有当本次预测速率与上次预测速率的差值超过设定门限时才认为速率切换有效。
2.如权利要求I所述的无线流媒体传输中的速率控制方法，其特征是，包括以下具体步骤 (1)获取丢包率以及业务数据通过率在流媒体传输系统的接收端，通过对接收的流媒体数据包进行统计分析来获取丢包率以及业务数据通过率参数； (2)预测新的传输速率流媒体传输系统的接收端获取丢包率以及业务数据通过率之后，基于改进的AMD算法，分析无线信道在此时的状态并且预测新的适合此时无线信道带宽的传输速率； (3)判断是否进行传输速率调整流媒体传输系统的接收端预测出新的传输速率后，需要比较本次预测新速率与上次预测的新速率之间的差值是否超过设定的阈值，如果超过该阈值，则本次速率调整有效，否则，本次速率调整无效。
3.如权利要求I所述的无线流媒体传输中的速率控制方法，其特征是，获取丢包率以及业务数据通过率步骤如下 1)根据无线信道状态，确定丢包率以及业务数据通过率获取的时间间隔At; 2)确定获取第i个时间间隔参数时参与计算的时间间隔个数N，以及参与计算的第i_j时间间隔相应的权值； 3)统计流媒体传输参数,在接收端接收流媒体数据包的同时,统计第i个时间间隔内参数，包括丢包数LPNi,总的发送包数SPNi,业务数据量Di以及准确的间隔时间Ti ； 4)计算第i个时间间隔内丢包率Pi与业务数据通过率Ri,通过对第i-Ν+Ι个时间间隔到第i个时间间隔所获得传输参数进行加权平滑计算丢包率与业务数据通过率。
4.如权利要求I所述的无线流媒体传输中的速率控制方法，其特征是，获取丢包率以及业务数据通过率步骤中时间间隔Λ t取2s，参与计算的时间间隔个数N取值为2或者3。
5.如权利要求I所述的无线流媒体传输中的速率控制方法，其特征是，改进的AIMD算法包含以下步骤 1)根据测试统计视频传输系统接收端视频质量与丢包率的关系，设定算法中丢包率上下门限值分别为Pltjssjiax和Pltjssjlin，最大业务数据速率Rmax以及最小业务数据速率Rmin ； 2)比较实测丢包率Pi与预设丢包率门限大小关系，确定信道状态是超载、轻载还是负载平衡； 3)当信道超载时，即Pi彡Plossjiax,计算信道超载的差值因子m= Pi-Plossjiax以及超载速率降低因子Pk= Pk-iXa-O.eXm)2，其中k表示连续超载的次数，根据公式Rnew =MAXi^KXRi-SOjRmiJ计算新的传输速率，其中Ri是第i个时间间隔内业务数据通过率，Rmin是系统设定的最小业务数据速率； 4)当信道轻载时，即PiSPltjssjlin，计算信道轻载的差值因子m= λ X (Ploss fflin-Pi)以及速率增加量a =OJemXRc^eo,其中Rtl为预设的速率增长因子；根据公式Rnew = MIN { a+Ri,RfflaJ计算新的传输速率，其中Ri是第i个时间间隔内业务数据通过率，Rmax是系统允许的最大业务数据速率； 5)当信道负载平衡时，无需对速率进行调整，退出速率控制方法。
6.如权利要求I所述的无线流媒体传输中的速率控制方法，其特征是，改进的AIMD算法实现步骤3)中首次超载速率降低因子β。的取值范围是[O. 85，O. 95];改进的AIMD算法实现步骤4)中速率增加因子Rtl取值范围为[80，150]。
7.如权利要求I所述的无线流媒体传输中的速率控制方法，其特征是，速率控制方法中设定了速率切换门限，门限值Rth —般设定为40 80Kb/s。
全文摘要
本发明涉及无线多媒体通信。为减小流媒体在无线环境下传输时由于无线信道不可靠而引起的传输质量抖动，进而提高传输质量以及无线信道的利用率，本发明采取的技术方案是，无线流媒体传输中的速率控制方法，比传统速率控制方法更短的时间间隔内通过平滑处理获取丢包率和业务数据通过率参数；基于上述参数及改进的加增乘减算法调整流媒体传输速率，在信道轻载时，由丢包率决定的变常数加性因子和常量加性因子决定速率增长幅度，在信道超载时，由丢包率决定的变常数乘性因子和常量减性因子决定速率降低幅度；设定速率切换门限，只有当本次预测速率与上次预测速率的差值超过设定门限时才认为速率切换有效。本发明主要应用于无线多媒体通信。
文档编号H04L1/00GK102710374SQ20121017030
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月28日 优先权日2012年5月28日
发明者张菊, 杨晋生, 王蓉, 胡自胜, 陈为刚 申请人:天津大学