摘 要： 通過對基于TD-SCDMA無線視頻監控系統的研究，提出了一種無線傳輸環境下的視頻碼率動態調整策略。針對TD-SCDMA信道低帶寬、高時延、高誤碼率的特征，該策略可以根據實時網絡環境動態調整碼率，以便視頻數據能夠適應其傳輸。經過TD-SCDMA無線視頻系統的實際應用，證明本策略能夠有效解決由于TD-SCDMA信道特征給視頻傳輸帶來的不利影響。
關鍵詞： TD-SCDMA；幀率；RTP/RTCP
0 引言
隨著3G無線通信系統的廣泛商用和普及，移動視頻業務不斷表現出越來越明顯的優勢。手機電視、手機電影甚至是手機監控都不再是夢想，讓用戶能夠“隨時、隨地”獲取想要的視頻信息，極大地滿足了用戶的視頻業務需求。
移動通信技術的迅速發展，推動著視頻監控系統向無線領域發展延伸，改變了傳統視頻監控有人值守、組網復雜和成本高昂等不足。新一代視頻監控系統還能通過短信、郵件提醒以及平板電腦等移動終端實施圖像查詢和實時告警，極大地提升了視頻監控的靈活性、實時性和準確性。
傳統的無線視頻監控系統依賴于無線局域網和基于移動通信網絡等網絡環境。它們雖然基本滿足了視頻監控的需求，但是存在著通信距離短、視頻傳輸質量低等劣勢。基于TD-SCDMA的無線視頻監控系統的優點是移動性很好、適合遠程傳輸、國產化程度高和功耗相對較低等，帶寬相對于2G通信系統有了較大提升。然而在研究過程中發現對于高清視頻的帶寬需求仍顯不足，網絡易受干擾等，這些影響將不利于高清視頻數據的傳輸處理。
本文基于TD-SCDMA無線視頻監控系統研發過程中的實際情況，提出一種解決3G通信系統實際帶寬與高清視頻需求帶寬之間矛盾的新策略。
1 基于TD-SCDMA的無線視頻監控系統
1.1 系統架構
基于TD-SCDMA的無線視頻監控系統是國產3G技術和視頻監控技術統一融合的綜合系統。主要由攝像機、視頻服務器或錄像機、監控中心和監控終端組成。圖1是基于TD-SCDMA的無線視頻監控系統的架構圖。
本系統的數據流分為信令流和視頻數據流。監控中心將錄像、實時瀏覽和報警模塊發出的控制命令交給SIP協議模塊所對應的錄像、實時瀏覽和報警模塊進行編碼，然后對數據包進行封裝，通過TD-SCDMA單元發送到公共網絡并由其路由發送到視頻服務器端，該設備通過TD-SCDMA模塊接收并解析數據內容，取出控制命令并進行信令處理。
數據流由視頻采集前端完成采集，源數據通過視頻服務器的編碼單元進行H.264編碼操作[1]，實現模擬視頻的數據化，并得到適合通過網絡傳輸的網絡提取層（Network Abstraction Layer，NAL）。經過RTP協議和IP協議對NAL單元的處理后就完成了原始碼流單元到IP數據的適配，并通過TD-SCDMA單元進行數據發送。反之則完成IP數據到原始視頻數據的解適配過程。
1.2 RTP/RTCP協議
在本系統中采用了RTP協議對視頻數據NAL單元進行處理，RTCP用于視頻數據傳輸過程中的擁塞控制。實時傳輸協議RTP(Realtime Transport Protocol)[2]：針對Internet上多媒體數據流的一個傳輸協議， 由IETF(Internet工程任務組)作為RFC1889發布；實時傳輸控制協議RTCP(Realtime Transport Control Protocol)[2]：負責管理傳輸質量，在當前應用進程之間交換控制信息。
2 視頻碼率動態調整策略
基于TD-SCDMA的無線視頻監控系統在數據處理過程中采用了H.264這種高壓縮比的編碼方式，在保證高清晰度圖像的前提下極大降低了視頻數據量，為后面的數據處理和網絡傳輸奠定了基礎。由于監控終端在移動通信中會出現扇區切換和網絡帶寬動態變化等情況，所以通常對于無線視頻監控系統來說，攝像機發送視頻數據的速率應該與網絡實時帶寬保持協調一致，才能保證傳輸過程中數據的完整性。
2.1 算法策略分析
本文提出的基于一種新型的動態視頻實時網絡傳輸[3]控制方法，可應用于帶寬動態變化的網絡中，以實現視頻在無線條件下的傳輸。控制方法實現的核心思想是通過視頻監控系統對網絡時延和帶寬實現自動感知，自動調整攝像機的發送速率，以適應視頻圖像[4]對于視頻傳輸帶寬的要求。其實現過程主要分成網絡感知和動態調整兩大方面。
⑴網絡感知：攝像機按每5 s一次的頻率發送發送者報告，視頻服務器接收后給出應答消息，攝像機的嵌入式處理器根據該應答消息進行實時帶寬計算，得出需要調整帶寬的標準。
⑵動態調整：攝像機根據計算出的實時網絡帶寬，調整自身的發送速率以適應實時網絡帶寬的要求進行變速率發送。
通過這兩個處理策略就可以使視頻系統自適應調整相應發送狀態[5]，使視頻傳輸效果與實時網絡狀態相匹配。
2.2 詳細實現方法
通過以上討論，速率調整可以基于周期探測網絡實時帶寬的方式，攝像機根據反饋消息計算出當前的實際帶寬容量，與現在的發送速率進行對比，判斷需要增加還是減小發送速率，一般用加性增加和乘性減少或乘性增加和乘性減少的方式探測性地調整發送速率，并根據接收端的反饋判斷當前探測是否成功。速率調整也可以基于模型，發送方根據TCP連接的吞吐率模型和網絡的當前狀態獲得模型參數，并調整發送速率，帶寬測試模型公式如下：
其中，λ是網絡帶寬；μmt是一次網絡傳輸的最大字節數；τn是數據交互的時間；p是網絡平均丟包率。
發送速率將根據以下兩個條件進行調整：
⑴ 網絡探測獲取的實時帶寬；
⑵ 發送視頻緩沖區將滿的最小發送頻率。
網絡帶寬探測調整，應該以滑動窗口的方式進行發送閾值的選擇。滑動窗口動態移動，不斷調整發送閾值，避免引起發送端的震蕩狀態。
客戶端根據丟包率和視頻延時判斷當前網絡狀況。客戶端根據視頻數據包中的數據包序列號字段計算丟包率，根據時間戳字段計算視頻延時，結合兩者判斷當前網絡狀況，并給監控終端發送反饋信息報。
攝像機端通過網絡視頻服務器給用戶發送視頻數據，它通過反饋信息包的信息，結合上述公式計算出λ，這個值體現了當前網絡實際情況。由于μmt需結合TD-SCDMA網絡視頻的測試進行取值（200 B），算出每秒發送數據包的最大數量應該小于等于λ。這種方式需要設計一個緩沖區系統進行視頻報文的緩沖，把視頻報文的發送速率控制在一定范圍內，使攝像機的發送速率與視頻服務器端的接收速率保持一致。這樣就能在網絡帶寬因環境影響改變時保證視頻傳輸的實時性和正確性。
動態視頻實時網絡傳輸控制方法的核心是協調視頻質量與變化網絡帶寬之間的矛盾。其主要目標是把攝像機的數據輸出量控制在一定的水平上，同時確保發送端緩存區不丟失數據。視頻在TD-SCDMA網絡環境上的傳輸與該網絡有關，而視頻服務器獲得的監控畫面質量與攝像機的發送速率及網絡環境有關。根據視頻服務器緩存的大小以及接收端返回的RTCP反饋數據，可以得知接收端的當前狀態；再結合當前瞬時攝像機緩存的數據占有量與設定的閾值之間的關系，攝像機數據通過視頻質量控制進行處理后得到參考視頻質量。并根據此參數進行數據發送速率的調整，從而使得視頻報文的發送速率與不斷變化的無線網絡帶寬相匹配。
此方法是一個反饋控制系統，采用線性化模型進行分析。用snd(t)表示發送緩沖區的數據占有量；rec(t)表示接收緩沖區的數據占有量；qu(t)表示參考視頻質量；h表示給定的閾值。為了防止發送緩沖區溢出，采用閾值控制的策略，每當發送方緩沖區的數據占有量snd(t)小于一給定閾值h時，數據幀調度器就從存儲設備取下一幀數據放到發送方緩沖區中。不斷重復該過程直到發送方緩沖區的數據占有量超過h值：
其中，p、s是常數。若參數p和s滿足p<1，s<1，則系統穩定。因此，此系統可以近似認為穩定，從而接收緩存區的數據保有量將趨于穩定。
3 仿真及結果分析
基于緩存區[6]的報文發送控制方法中主要有3個功能模塊。攝像機端實現發送緩沖控制模組、視頻質量和發送速率控制模組；視頻服務器端實現接收緩沖區監視模組。發送緩沖監視模組時刻監測發送緩沖區的空滿程度，并把參數snd(t)發送給視頻質量控制模組和發送速率控制模組。視頻質量和發送速率控制模塊通過上述公式計算出參考視頻質量Ref(t)，從而自動調整發送速率。調整前后的仿真參數如表1、表2所示。
通過測試儀可以看到，在通過未進行自動調整發送速率的系統進行傳輸時，網絡丟棄報文數量較大以至于無法在視頻服務器端進行NAL單元重組，無法在顯示設備進行顯示；通過調整，測算出當網絡帶寬為107 KB/s時，動態調整幀率為8 f/s，可以通過舍棄冗余字節和非關鍵幀，控制發送速率在96 KB/s范圍內，保證報文丟失數量在10個左右，顯示設備可以顯示視頻圖像。
圖2描述了隨著網絡帶寬的變化，實際發送報文速率也會相應變化。可以看出二者變化速率的相關性。當網絡帶寬由115 KB/s變化為107 KB/s時，攝像機和視頻服務器之間通過發送者報文和接收者報文進行通信，攝像機處理模塊根據通信交互協議計算出當時網絡的實際帶寬和時延，并設定發送緩沖區深度，降低視頻幀的存儲數量，從而達到降低發送速率的目的。從測試結果來看，本策略能夠動態感知網絡環境，調整發送頻率，保證高清視頻數據在TD-SCDMA無線信道上的傳輸。
4 結論
上述研究中，攝像機和視頻服務器之間通過軟件協議來獲知當前網絡的實時狀況，并且通過發送緩沖區和接收緩沖區來動態調整發送速率。仿真結果表明這種方式可以增強高清視頻報文在TD-SCDMA無線信道上的傳輸能力，減輕了發送方和網絡承載的負擔，保證了視頻圖像的質量，能夠適用于遠程無線視頻監控系統的構建。
參考文獻
[1] 成嘉. 基于H.264的無線視頻監控系統的設計與實現[D]. 廣州:華南理工大學, 2006.
[2] RFC3550.RTP:A transport protocol for real-time applications[S].
[3] 魯士文. 計算機網絡協議和實現技術[M]. 北京:清華大學出版社, 2000.
[4] 楊天怡. 圖像通信與監控系統[M]. 北京:中國鐵道出版社, 1994.
[5] 朱慧冬.視頻碼流自適應的3G無線傳輸終端的設計與實現[D]. 南京:東南大學, 2011.
[6] 郝力,戴青,王曉燕,等. 一種基于UDP的終端緩沖區自適應調整方法的研究[J]. 廣東通信技術, 2006,26(1):1-2.