自适应WIFI无线网络带宽的视频容错传输控制方法

常晓洁　江肖强　单康康

摘 要： 由于无线网络实时带宽的不稳定性，特定的视频码流率在网络传输过程中不可能完全适应无线网络带宽的变化，因此需要根据不同编码的特点如H.264设定不同的自适应传输控制算法，在保障视频帧完整性的情况下适应网络带宽的不断变化，同时为调整后的码流提供容错重传机制，并有效控制容错重传机制浪费大量带宽资源。文章将容错技术与传输控制算法进行结合，以保证在充分利用实时网络带宽的同时达到高可靠传输。仿真测试结果表明，在无线网络带宽波动的情况下，能够自适应调整视频码率，并满足终端失真率要求，降低容错时延。

关键词： 网络传输； 自适应； 传输控制； 容错

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）01-29-04

Adaptive WiFi network bandwidth control method for video fault-tolerant transmission

Chang Xiaojie， Jiang Xiaoqiang， Shan Kangkang

（Zhejiang University Library and Information center， Hangzhou， Zhejiang 310000， China）

Abstract： Due to the instability of the wireless network real-time bandwidth， specific video stream rate can't completely adapt to the change of wireless network bandwidth during transmission. So the adaptive transmission control algorithm based on different characteristics such as H.264 is needed to adapt the network bandwidth. At the same time the algorithm provides adjusted stream a fault-tolerant retransmission mechanism， and effectively controls the bandwidth resources. In this paper， the fault tolerance technology and transmission control algorithm are combined to ensure the full use of real-time network bandwidth to achieve high reliable transmission. The simulation results show that in the case of wireless network bandwidth fluctuation， the bandwidth can be adapted to the video stream rate， and meet the requirements of the terminal distortion， reduce fault tolerance delay.

Key words： network transmission； adaptive； transmission control； fault-tolerant

0 引言

随着多媒体压缩技术的发展和无线网络的普及，通过无线网络传输流媒体以便于在移动终端接收音视频将越来越受到人们的关注。无线网络的802.11n协议虽然通过MIMO、OFDM、short GI等技术方案提高了码流速率，但是没有针对带宽的拥塞控制。目前常用的流媒体传输控制协议[1]是实时传输协议RTP（Real-time Transport Protocol）和实时传输控制协议RTCP（Real-time Transport Control Protocol）。这些控制协议是工作在UDP协议基础之上的，不能够解决传输过程差错所带来的视频质量下降问题。目前差错控制的解决一般是在可靠传输协议TCP传输层的层次上，采用ARQ（Automatic Repeat reQuest）和FEC（Forward Error-Correcting）[2]，以减少数据通信中差错的发生。然而，ARQ 要求信道的往返延时相对较小；FEC 的冗余度较大，会进一步降低有效视频传输带宽，降低编码质量。因此，需要将视频编码与视频传输控制结合起来，并在视频压缩和差错控制之间做好调控。

1 基于容错的视频流传输控制架构

保证终端用户获取满意的视频播放质量是容错技术的关键所在[3]。传统自动重发请求ARQ算法尽可能多次重发丢失的数据帧，导致占用大量带宽、增加延迟。为解决这个问题，文献[4]提出控制部分重传的方法进行容错恢复，但受限于有线网络环境，文献[5]采用的是只进行部分重传，以提高网络传输性能。有效地控制视频流的传输控制方法必须能够及时根据网络状况实时调整视频流[6]。不少文献提出了基于TCP的不同解决方案的传输控制。文献[7]设计的算法延时采用了RTT，无线网络中不能正确计算出视频的RTT，同时还将由此造成更严重的视频错误丢帧。文献[8]传输控制方法能够自适应网络可用带宽，但是易造成视频帧的过多丢弃以及丢弃视频关键帧的情况。

针对以上提出的这些问题，本文中将容错技术与传输控制算法进行结合，以保障在充分利用实时网络带宽的同时达到高可靠传输。容错传输控制系统原理图如图1所示。

本文自适应控制算法设置了多个数据缓存，M1为编码器输出的字节长度为L1的1帧视频数据缓存；M1发送过来的数据被分成缓存长度记为L2的M2和暂存M2的发送缓存M3；M4为接收缓存；M5为播放缓存。

2 基于容错的视频流传输控制算法

2.1 自适应传输控制模型

传输控制方法主要有丢帧、下调码率和上调码率。由于无线网络带宽的不稳定性以及码率调整反馈延时，若不能控制好调整码率的时刻，则会导致反复上调或下调码率，影响用户使用效果。

首先当网络带宽比视频码率小时，M2中会累积尚未发送的视频数据，但是当L+L1>L2时，M1中的数据帧将不能转至M2，需要进行丢帧操作。为保障帧的完整性，需设定一个帧计数器，每次丢帧只是将M2中的非关键帧第k帧丢弃。

若L+L1>h*L2，（h为经验值，一般取0.7～0.9），进行视频码率下调，若下调之后仍L+L1>h*L2，则需再次进行下调。为更好的控制下调时刻，本文设定了下调标签Tr、下调间隔控制参数n1（MAX（n1）=aC（aC+1）其中a为加权系数，取值一般为4～8）、以及下调敏感度Sr（Sr为经验值，一般取值0.05～0.15）。下调之后若Tr=1、L+L1>h*L2，并且n1>SRaC（aC+1），则需要将视频码率再下调一级。

若L+L1?h*L2，需要进行视频码率上调，但是若上调之后仍L+L1?h*L2，需再次进行上调。为更好的控制上调时刻，本文同样设定了上调标签Tu、上调间隔控制参数n2，MAX（n2）=bC（bC+1）（b为加权系数，取值一般为12～24）、以及上调敏感度Su（Su为经验值，一般取值0.05～0.15）。上调之后若Tu=1、L+L1?h*L2，并且n2>SubC（bC+1），则需要将视频码率再上调一级。

视频流发送线程的自适应控制算法流程如图2所示。根据具体的网络环境选择适当的参数值h，a，b，C，Sr，Su。然后启动发送线程。

2.2 容错控制算法

本文同时考虑了终端视频失真率、视频码流容错重传消耗的网络资源和无线网络实时带宽等方面。假定单帧视频码流满足香农第三定理保失真度准则下的有失真信源编码定理的编码流d0和编码失真r0，且经过丢包率为p的无线网络传输，由此可建立模型如公式⑴：

⑴

公式⑴中d表示重传和错误恢复单帧图像耗用的带宽资源占总体资源的比率，r表示终端的最终失真度，α是归一化权重代表d和r数值比例关系。

求在此模型的最小值

⑵

⑶

另设公式⑵和⑶为零，即可求得模型f（d，α）的最小值，以及此时的带宽-失真权重α。

3 算法模拟及总结

由图3可以看到，当下调敏感度数据量超过阈值一段时间后，将码率进行了下调，之后虽然仍出现了下调敏感度数据量超过阈值，但由于未超过限制，未要求再次进行下调码率，而当上调调敏感度数据量超过阈值后，也并没有立即进行上调，而是在持续一段时间后 虽然也有一段时间大于阈值，但未处于上升趋势，待稳定且达到达到上调视频码率的条件下才进行上调工作。因此本文算法能够提供更稳定的视频传输。

图4是针对网络状况差，丢包率为40%时的情况，本文提出的自适应无线网络带宽的视频容错传输控制方法比ARQ降低了11%。由此可知，在网络状况差的情况下，本文提出的方法更能发挥其降低视频传输网络带宽的优势。

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