蒲若錕

（陜西電視臺廣告中心，陜西 西安 710061）

0 引言

IP網(wǎng)絡(luò)本身具有丟包，時(shí)變的有效帶寬和可變時(shí)延等特性，加之網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)和接收端異構(gòu)等綜合因素對視頻信號傳輸帶來影響，IPTV視頻傳輸需要考慮到這些因素的影響，使用差錯(cuò)控制或者擁塞控制方法盡可能減小其影響，提高視頻傳輸質(zhì)量。收端發(fā)生丟包事件，該冗余數(shù)據(jù)即用來重建原始數(shù)據(jù)。FEC需要權(quán)衡網(wǎng)絡(luò)帶寬和冗余數(shù)據(jù)，而且不夠靈活，很難適用于丟包率時(shí)變比較大的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。因此，在實(shí)際的視頻通信系統(tǒng)中，F(xiàn)EC應(yīng)與其他方法結(jié)合使用。

圖1 各種差錯(cuò)控制在分層結(jié)構(gòu)中的位置

1 差錯(cuò)控制方法

現(xiàn)有的差錯(cuò)控制方法主要有重傳、前向糾錯(cuò)（FEC：Forward Error Correction）、誤碼掩蓋技術(shù)和交織技術(shù)等。圖1是各種差錯(cuò)恢復(fù)技術(shù)在分層結(jié)構(gòu)中的位置。

1.1 FEC保護(hù)

FEC[1-2]利用增加冗余數(shù)據(jù)來恢復(fù)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的開環(huán)差錯(cuò)控制方法。發(fā)送端給原始數(shù)據(jù)增加一定的冗余數(shù)據(jù)，如果接

1.2 誤碼掩蓋

誤碼掩蓋[3-4]是基于丟失數(shù)據(jù)前或者后的信息產(chǎn)生近似的數(shù)據(jù)替換，在接收端掩蓋某些不可避免的傳輸錯(cuò)誤的一種方法，一定程度上可以降低丟包引起的視覺失真度。該方法的結(jié)果好壞和誤碼掩蓋算法的效率有關(guān)，但它不能抗突發(fā)錯(cuò)誤。

1.3 數(shù)據(jù)交織

糾正突發(fā)錯(cuò)誤可以采用數(shù)據(jù)交織的方法，如行存列取的交織方法、列存行取的交織方法和行存對角線取的交織方法等。交織保護(hù)技術(shù)[5]，每個(gè)數(shù)據(jù)包分割成大小相等的小單元，然后在發(fā)送前重新排列每個(gè)單元使得相鄰的數(shù)據(jù)就隔開一定的距離，在接收端恢復(fù)原始順序。交織技術(shù)不會增加帶寬需求，但它會增加傳輸時(shí)延，所以在實(shí)時(shí)視頻通信應(yīng)用中限制了其使用范圍。

1.4 交互式抗誤碼方法

交互式視頻抗誤碼方法[6]是傳輸視頻信號的一種有效的抑制和防止誤碼擴(kuò)散的方法。解碼端將檢測出的誤碼位置信息發(fā)往編碼端，并對最鄰近后繼幀（NF）的誤碼擴(kuò)散進(jìn)行準(zhǔn)確定位及其誤碼掩蓋，然后通過編解碼端的交互，對繼續(xù)影響的后繼幀（ANF）做防止誤碼擴(kuò)散。該方法可有效保證視頻質(zhì)量，防止誤碼擴(kuò)散，但引入計(jì)算復(fù)雜度和處理時(shí)延。

1.5 數(shù)據(jù)重傳

重傳是一種閉環(huán)的錯(cuò)誤控制方法，如果接收端有丟包事件，則通知發(fā)送端重新傳輸該丟失包直到正確接收的一種差錯(cuò)控制方法。該方法需要發(fā)送端和接收端的信息交互，帶來重傳延時(shí)較大，但它僅需要較小的帶寬和處理代價(jià)，而且能有效地恢復(fù)丟失數(shù)據(jù)。自動重傳請求（ARQ）可分為：停等式 ARQ：發(fā)送端每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)分組包就暫時(shí)停下來，等待接收端的確認(rèn)信息。返回n-ARQ：發(fā)送端連續(xù)發(fā)送n個(gè)數(shù)據(jù)分組信息，接收端將每個(gè)數(shù)據(jù)包相應(yīng)的確認(rèn)信息（ACK或NACK）反饋回發(fā)送端。選擇重發(fā)式 ARQ：只重傳出現(xiàn)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)包。

2 視頻傳輸差錯(cuò)控制

各種差錯(cuò)控制方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在不同環(huán)境下使用可以獲得不同的效率。也可以將多種差錯(cuò)控制方法聯(lián)合使用[7-9]獲得更好的性能。

IPTV視頻應(yīng)用對實(shí)時(shí)性要求較高，卻不要求完全可靠傳輸。因此視頻傳輸?shù)牟铄e(cuò)控制方法在可靠性和實(shí)時(shí)性之間權(quán)衡以獲得更好的視頻質(zhì)量。FEC可以有效的提高視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量，但浪費(fèi)帶寬資源和降低傳輸有效性；重傳可以保證傳輸質(zhì)量但引入較大時(shí)延。選擇性重傳方法只重傳部分丟失數(shù)據(jù)包，顯著減少了重傳包的數(shù)量，提高帶寬利用率，選擇對重建視頻質(zhì)量影響較大的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行重傳，能獲得較好的視頻質(zhì)量性能。

選擇性重傳方法都是在一定選擇依據(jù)上提出的，比如依據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先級，生存期，重傳的最大次數(shù)，分組丟包率以及可靠性等選擇依據(jù)，或者將幾種選擇依據(jù)聯(lián)合使用。各種選擇性重傳方法根據(jù)不同的應(yīng)用需求利用各種選擇依據(jù)之間的均衡，并考慮時(shí)延、帶寬和丟包特性獲得最佳的恢復(fù)視頻質(zhì)量性能。

3 選擇性重傳方法

根據(jù)重傳決策的位置、重傳的內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)對重傳的影響等，選擇性重傳可以分為基于決策位置、基于優(yōu)先級、基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和基于不同層面的選擇重傳方法，如圖2所示。

圖2 選擇性重傳方法分類

3.1 基于決策位置的選擇性重傳

決策位置可以是接收端、發(fā)送端或者接收端和發(fā)送端聯(lián)合。

（1）基于接收端的選擇性重傳方法

接收端利用對重要數(shù)據(jù)包選擇重傳等準(zhǔn)則，發(fā)送重傳請求，減少重傳請求包的數(shù)量。接收端需要反饋額外的消息（如NACK）或重傳請求等給發(fā)送端，實(shí)現(xiàn)信息的交互。該方法比較容易實(shí)現(xiàn)，且靈活性較好。

文獻(xiàn)[10]中為連續(xù)媒體（CM）傳輸提出一種選擇性重傳錯(cuò)誤控制方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的條件下，只選擇重傳重要數(shù)據(jù)包可以使幀率得到顯著的改善。

（2）基于發(fā)送端的選擇性重傳方法

基于發(fā)送端的選擇性重傳方法，接收端只需對丟失包反饋 NACK等簡單信息，而由發(fā)送端決策重傳哪些數(shù)據(jù)包。發(fā)送端選擇重傳可以減少不必要的重傳數(shù)據(jù)包，降低網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生的概率等。

árpád Huszák[11]提出多媒體流發(fā)送端控制且面向播放時(shí)間的選擇性重傳方法，其突出特點(diǎn)是可以減少不必要的重傳包。

（3）接收端和發(fā)送端聯(lián)合決策方法

收發(fā)端聯(lián)合決策的方法具有多樣性和靈活性，一方面可以聯(lián)合多種選擇性重傳原理，一方面均衡了收發(fā)端的承載能力?？梢栽诮邮斩诉x擇重傳重要數(shù)據(jù)包，發(fā)送端根據(jù)往返時(shí)間（RTT：Round-Trip-Time）及死亡時(shí)間（數(shù)據(jù)包的播放時(shí)間,deadline）來決定是否重傳；也可以在接收端先判斷死亡時(shí)間決定請求重傳，發(fā)送端依據(jù)數(shù)據(jù)重要性選擇重傳。該方法與單端決策的方法相比，系統(tǒng)性能提高了，設(shè)備復(fù)雜度較小，并能自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀況的變化，避免擁塞發(fā)生和改善傳輸數(shù)據(jù)質(zhì)量。

文獻(xiàn)[12]中給出了一種重傳決策的邏輯結(jié)構(gòu)。

3.2 基于內(nèi)容優(yōu)先級的選擇性重傳

由于視頻壓縮技術(shù)的應(yīng)用，不同的數(shù)據(jù)包對數(shù)據(jù)重建質(zhì)量的影響不同，基于內(nèi)容優(yōu)先級的選擇性重傳方法是針對視頻數(shù)據(jù)的重要性，或者接收端數(shù)據(jù)解碼對重建視頻質(zhì)量的影響度進(jìn)行數(shù)據(jù)分類。每個(gè)包根據(jù)其內(nèi)容重要性分配優(yōu)先級，優(yōu)先級較高的包比優(yōu)先級低的包優(yōu)先傳輸。

基于優(yōu)先級的選擇性重傳不需要重傳所有的丟失數(shù)據(jù)包，可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，減少延時(shí)，有效恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)包，提高視頻質(zhì)量。內(nèi)容優(yōu)先級需要和死亡時(shí)間等因素聯(lián)合考慮以達(dá)到更好的性能[13]。

3.3 基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的選擇性重傳

網(wǎng)絡(luò)性能變化可能導(dǎo)致傳輸時(shí)延變大或者丟包率增加等，基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的選擇性重傳方法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化選擇重傳數(shù)據(jù)包，放棄重傳無效的包。

（1）基于丟包的重傳方法

Piecuch[14]提出根據(jù)多媒體應(yīng)用最大允許時(shí)延和最大允許丟包率設(shè)計(jì)了選擇性請求重傳協(xié)議（SRP, Selective ARQ transmission Protocol）。SRP協(xié)議利用兩種決策算法決定是否需要重傳丟失的包：平等損失延遲算法（ELL，Equal Loss Latency）和最佳質(zhì)量算法（OQ,Optimum Quality）。當(dāng)檢測到一個(gè)丟包時(shí)，ELL依據(jù)丟包時(shí)的估計(jì)平均丟包率和時(shí)延率之差的絕對值決定是否重傳；而 OQ依據(jù)丟包時(shí)的估計(jì)平均丟包率和時(shí)延率之和選擇重傳丟失包。

該算法控制了多媒體應(yīng)用的丟包和時(shí)延之間的平衡，可以提高傳輸?shù)耐掏铝?，但時(shí)延比較長，可以利用內(nèi)容選擇重傳補(bǔ)償該缺點(diǎn)。

（2）基于時(shí)延的重傳方法

時(shí)延決策方法主要依據(jù)死亡時(shí)間和 RTT選擇重傳那些可以在播放時(shí)間之前到達(dá)接收端的數(shù)據(jù)包。該方法可以避免不必要的重傳，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，從而避免傳輸時(shí)延增大。

Huszák[15]根據(jù) RTT和播放緩存時(shí)延（TBD：Transmit Buffer Delay）來決定選擇性重傳。如圖3，Tbd表示播放緩存時(shí)延，t1表示發(fā)送時(shí)刻，t0表示發(fā)送端收到請求重傳包時(shí)刻。

圖3 往返時(shí)間與緩存時(shí)延

當(dāng)接收到一個(gè)重傳請求，發(fā)送端決定是否重傳。該決策算法要求重傳包至其播放時(shí)刻的剩余時(shí)間大于單向網(wǎng)絡(luò)時(shí)延即可重傳成功。這種方法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀況的變化，減少了不必要的重傳，尤其是網(wǎng)絡(luò)時(shí)延很長的情況；視頻質(zhì)量在適當(dāng)?shù)牟シ啪彺鏁r(shí)延下可以得到較大的改善，甚至恢復(fù)初始視頻質(zhì)量。

（3）基于信道帶寬的重傳方法

如果在解碼端用誤碼掩蓋能很好地恢復(fù)視頻質(zhì)量的情況下則不必要重傳丟失包，因此文獻(xiàn)[10]為了進(jìn)一步提高信道帶寬的利用率，提出了聯(lián)合使用誤碼掩蓋技術(shù)的選擇性重傳方法。這里利用率失真(R-D)框架結(jié)構(gòu)（a Rate-distortion Framework）分析其應(yīng)用，用均方誤差（MSE）計(jì)算僅使用誤碼掩蓋時(shí)的失真率（DCE），和給定的極限值T以及信道條件比較決定是否需要重傳丟失的數(shù)據(jù)包。當(dāng)DCE＜T并且信道條件差時(shí)不需要重傳該丟失包，一方面因?yàn)檎`碼掩蓋可以起很好的作用，另一方面信道條件差可能導(dǎo)致重傳再次出錯(cuò)。但是相比較無錯(cuò)傳輸誤碼掩蓋降低了解碼效率，增加了質(zhì)量損毀。因此在DCE＜T但信道條件好的情況下，仍然值得重傳該丟失包。當(dāng)DCE＞T時(shí)不管信道條件如何都要求重傳該包。

總的來說，基于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)選擇重傳方法可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化，減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，避免擁塞事件。還可以提高帶寬資源的利用率，增加傳輸?shù)耐掏铝?。在視頻傳輸過程中，起到了提高傳輸效率以及保證視頻質(zhì)量的作用，但準(zhǔn)確評估時(shí)變網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)比較困難。

4 結(jié)語

選擇性重傳方法的一個(gè)關(guān)鍵問題是什么時(shí)候重傳，選擇重傳哪些內(nèi)容，如何進(jìn)行重傳。選擇重傳的目的是提高視頻信號傳輸質(zhì)量和滿足用戶終端的需求，所以該類問題需要聯(lián)合時(shí)變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、解碼端恢復(fù)視頻的主觀質(zhì)量、用戶終端的不同需求等因素來調(diào)整視頻數(shù)據(jù)傳輸策略，保證用戶需求的視頻質(zhì)量最大化。時(shí)變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境會導(dǎo)致丟包和時(shí)延增加，在視頻通信中，高效的壓縮視頻數(shù)據(jù)傳輸對丟包事件比較敏感；實(shí)時(shí)視頻傳輸對時(shí)延要求較高，接收端延時(shí)到達(dá)的數(shù)據(jù)包被認(rèn)為是丟失包而忽略。因此視頻選擇重傳方法需要考慮網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，來減小丟包和時(shí)延對視頻通信的影響。解碼端恢復(fù)視頻的主觀質(zhì)量直接反映了視頻傳輸?shù)男阅?，獲得良好的恢復(fù)視頻主觀質(zhì)量是研究視頻傳輸?shù)闹饕康?。另外，用戶終端的不同需求也是視頻質(zhì)量的一個(gè)限定因素。而各種差錯(cuò)控制方法如選擇重傳等都是為了達(dá)到用戶終端的視頻質(zhì)量需求服務(wù)的，因此可以利用視頻主觀質(zhì)量客觀化模型評估視頻質(zhì)量，并采取適當(dāng)?shù)倪x擇重傳方法，滿足用戶需求。

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