UMTS中基于视频内容的选择性ARQ方法.pdf

selective arq mechanism based on video content in umts networks thesis submitted to nanjing university of posts and telecommunications for the degree of master of engineering by jian li supervisor: prof. yuning dong march 2013 i 摘要摘要 随着移动终端和 3g 网络的普及和带宽的增加，在移动网络中传输高质量的多媒体数 据成为现实。同时各种视频分享应用的快速增长，移动视频类业务逐渐获得用户青睐。 h.264/avc 视频压缩编码标准具有高的压缩效率和良好的网络适配性，非常适合在带宽有 限的网络中进行传输。然而，由于 3g 无线接入网带宽下，延时大和抖动大等特性，使得 视频类业务的服务质量(qos)保障机制成为了研究热点。 本文首先介绍了现有的解决网络中多媒体流传输质量的方法， 特别研究了 umts 网络 中的 arq 方法。 然后提出了一种基于视频内容的选择性 arq 方法来提高 h.264 视频流在 umts 网络中的传输质量。相对于传统的传输模式，本文提出的方法在原来 utran 网络 结构的基础上， 通过对 rnc 和 ue 间的传输机制的改进， 最终使视频业务能够获得更高的 服务质量。 此方法未引入额外的计算或时延代价， 只使用 ip 协议头部中的 dscp 字段中空 余空间和占用 rlc data 头部中少量长度字段来实现下层分组中的视频内容区分。此外， 本文还提出一种能根据业务对实时性要求不同灵活的调节重传次数的方法，在视频质量保 障和实时性保证两方面根据上层应用不同要求取得平衡，尽量避免和减轻在 utran 网络 尤其是 rnc 位置的网络拥塞。通过 ns2+evalvid 仿真平台的验证，本文提出的基于视频 内容的选择性 arq 方法比传统的 um 模式以及 am 模式在视频传输的 qos 和实时性上都 具有明显的优势。 关键词关键词: umts，选择性 arq，流媒体，qos，rlc ii abstract with the increase in popularity of mobile terminals and 3g network bandwidth, high-quality multimedia data transmission in mobile networks become a reality. at the same time, the rapid growth of video sharing applications makes mobile video services gain global favor among customers. h.264/avc video coding standard can achieve high compression rate while adapt to the network very efficiently, its feasible to be applied into networks with limited transmission bandwidth. however, due to the 3g radio access networks features (low bandwidth, high delay and jitter), quality of service (qos) protection of the video service has recently become a research focus. this paper introduces the existing method for improving multimedia stream quality over various types of networks, particularly those with arq mechanism in the umts network. comparing to the conventional methods, the selective arq method present in this paper (v-um) improves the transmission mechanism between rnc and ue, and eventually achieves better qos for video services. v-um method does not introduce additional calculations complexity or delay, occupying only the free space in the ip protocol header to distinct the video content in the lower layer packet. in addition, this paper also puts forward an adaptive retransmissions mechanism, to strike a balance between the requirements of video quality assurance and delay limit by the up-layer application, and to avoid network congestion particularly in rnc of utran. by the validation process of the ns2 + evalvid simulation platform, it has be shown that the proposed selective arq method based on video content outperforms the traditional um mode and am mode in both qos and delay metrics. key words: umts, selective arq, streaming media, qos, rlc iii 目录目录 第一章 绪论 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 研究现状 . 2 1.3 本文主要研究内容和创新点 . 4 第二章 umts 网络和 h.264 标准简介 5 2.1 umts 网络简介 5 2.1.1 umts 网络的结构 . 5 2.1.2 umts 网络的 rlc 层 . 7 2.2 h.264 视频编码标准介绍 . 8 2.3 rtp 实时传输协议介绍 .11 2.4 本章小结 . 12 第三章 umts 无线信道特性和信道模型 13 3.1 移动信道模型 . 13 3.1.1 移动信道的特性 13 3.1.2 gilbert-elliot 信道模型 14 3.2 umts 移动网络中的多媒体流业务 16 3.3 解决网络中多媒体流传输质量的方法 . 17 3.3.1 拥塞控制方法 17 3.3.2 差错控制方法 21 3.4 本章小结 . 25 第四章 基于视频内容的选择性 arq 方法 26 4.1 3g/umts 标准中的 rlc 层传输模式 26 4.1.1 非确认模式（um）的传输过程 26 4.1.2 确认模式（am）的传输过程 27 4.2 umts 网络中基于视频内容的选择性 arq 方法（v-um） . 28 4.2.1 ip 数据报中的 dscp 字段 28 4.2.2 v-um 方法的协议封装 29 4.3 基于实时性要求的自适应重传次数算法 . 31 4.3.1 自适应重传次数计算 31 4.3.2 重传间隔（rti）计算 33 4.4 v-um 方法在 rnc 端（发送端）工作过程 . 34 4.5 v-um 方法在 ue 端（接收端）工作过程 35 4.6 本章小结 . 37 第五章 视频质量评价和仿真验证 38 5.1 视频质量评价标准 . 38 5.2 视频质量评价平台 . 39 5.3 仿真网络拓扑结构 . 40 5.4 仿真参数设置 . 41 5.5 仿真结果及分析 . 43 5.6 本章小结 . 51 第六章 总结与展望 52 6.1 本文工作的总结 . 52 6.2 未来工作和展望 . 52 iv 参考文献 53 附录 1 攻读硕士学位期间撰写的论文 . 56 致谢 57 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究研究背景背景 当今的社会已经全面信息化的新阶段，人们希望能够通过各种方式，在各种场合可 靠地、及时地进行交流。随着传统有线网络带宽的高速发展，以及人们对多媒体业务的 需求日益增加，多媒体业务在网络传输中的比重越来越高。最近几年移动无线宽带网络 发展迅速，随着无线网络带宽的不断增加，传统的有线网络的业务逐渐向无线宽带网络 转移。移动无线宽带网络相对于传统的有线网络可以为用户提供任何地点、任何地点和 任何方式（3a）的网络接入。移动通信系统从 gsm 发展到 cdma，到现在的 3g 网络 的普及以及 lte 网络的发展；无线局域网技术从 802.11 系列无线局域网协议发展到最 新的 wimax。移动无线宽带网络的普及，移动接入设备的发展以及用户对多媒体业务 的需求的增长， 使得移动无线网络的视频传输方面的研究成为最近几年通信领域热点的 研究问题。 2000 年 5 月， 国际电信联盟 （itu） 正式制公布其制定的第三代移动通信系统 （3g） 标准1。第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量的多媒体业务，并能实现 全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与传统固定网络相兼容，并以移动便携式终端在任 何时候、任何地点都能进行任何形式通信的通信系统。3g 移动接入网相对于传统蜂窝 网络的带宽有很大增加，这使得在无线网络上传输多媒体流成为现实，人们也对移动终 端上提供的多媒体服务（如视频通话，vod 等）产生了极大的兴趣。但是，要在 3g 的 移动环境中实时地、高效地传输多媒体流是一个非常有挑战的任务。这是因为 3g 移动 接入网相对于传统有线/无线网络有一下的特点： （1）无线信道带宽资源有限而且变化剧烈 3g 移动接入网信道的带宽资源非常有限，但是多媒体业务要求网络提供足够的带 宽，而且多媒体业务对实时性要求也非常高。而且 3g 空中接口部分由于多用户共享信 道，接入的用户数量变化较快，导致每个用户实际分配的带宽资源往往随时间变化，这 对需要固定带宽的多媒体业务也有很大的影响。 为了能在有线带宽的网络中传输大量多 媒体数据，除了需要对多媒体数据进行高压缩比的压缩之外，还要尽可能的提高无线信 道的带宽利用率。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 （2）无线信道的误码率比较高 与有线信道相比，3g 网络的无线信道要受到噪声、干扰、多径效应和移动节点运 动等因素的影响。无线信道上由于带宽限制，在上面传输的多媒体流大多要先经过压缩 编码，但是进行压缩编码后的多媒体流在空间和时间上存在很强的相关性，对传输中发 生的误码对内容影响非常大。一个视频帧的错误，可能导致以它为参考的其它视频帧不 能被正确接收，造成错误在时间上的扩散。一个视频帧内的某个数据块的错误可能导致 与之相关的其它数据块的错误，找出错误在空间上的扩散。这样的错误都可能导致多媒 体业务服务质量的严重下降。所以，为了提高多媒体业务传输的质量，必须使用有效的 差错控制机制来对抗信道误码。 由于 3g 移动接入网的上述特点，为了保障多媒体业务的质量，两种衡量业务质量 的方法被提出来：用户服务质量（qos）2和体验质量（qoe）3。qoe 是用户对于业务 或服务质量的主观感知4，它从用户的角度通过感性的方法来描述和衡量终端用户对于 业务和网络的体验和感受，具体表现为用户对业务的满意程度。qos 则是一个有关于网 络实现的概念，它是指网络能够提供具有优先级差别的服务的一种能力，包括带宽、时 延和时延抖动、丢包率和吞吐量的改进，最终表现为网络性能的提升。qos 从网络的角 度基于点到点进行业务管理和提供业务区分。提供一个良好的端到端 qos，即好的网络 性能，是获得更好 qoe 的前提条件。 为了使视频流适应在低带宽、 延时抖动大的 3g/有线异构网络中的传输并保证质量， 我们必须在视频传输之前对其进行压缩编码。h.264/avc 视频压缩编码标准5具有高的 压缩效率和良好的网络适配性，它比 mpeg-4 有更加高的压缩率，最多可以使压缩后文 件体积减少 50%，所以非常适合在带宽有限的网络中进行传输，同时 h.264/avc 也是 3g 标准中推荐的视频压缩编码标准。所以，h.264/avc 是现代 3g 网络中应用最广泛的 视频压缩编码标准。 1.2 研究研究现状现状 在无线网络中传输视频的服务质量的保障领域， 国内及国外对此领域都有大量的研 究，也获得了很多研究成果。由于视频质量对网络引起的错误非常敏感，往往需要在应 用层和网络层的协调工作。 li 等人6研究了在 802.11 无线局域网中视频传输质量保障技 术，通过网络层的优先级队列和链路层的自适应重传次数限制的方法提高视频传输的 qos。haiyan luo 等人7 为了解决视频流在无线多跳网络中传输的 qos 的问题，提出 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 了适合应用于无线多跳网络中的应用层 arq（automatic retransmission rquest，自动重 传请求）方法。为了利用视频内容信息来对重传信息进行控制，需要考虑每个携带视频 信息的时间重要性。 chih-ming chen8等人提出在 802.11 无线局域网中内容感知的自适 应重传策略，重要性不同的视频包在 mac 层通过不同的重传次数来有区别的保护。与 此类似，mei-hsuan lu 等人9提出 802.11 无线局域网中基于时间的自适应重传算法 （tar， time-based adaptive retry） 。tar 算法通过一个函数根据每个数据包的重要性 计算出它的重传超时时间，并通过这个重传超时时间来判定对此数据包是重传还是丢 弃。文献10则利用路由代理，在有线-无线异构 ip 网络的网络层实现了拥有优先权重 的媒体感知 arq 算法，减少了视频传输的丢包进而提高视频的 qos。 在 3g/umts 网络中，由于多径效应，干扰和移动节点运动等特性，导致 umts 无 线信道情况变化剧烈，所以 umts 网络中视频业务的 qos 保障对自适应能力、延时和 实现复杂度等的要求都非常高。 nemethova 等人11提出 umts 网络中 h.264 视频的错误 检测方法，这种错误检测方法能够利用接收端较低层次的信息，利用底层的错误检测并 向应用层反馈能提前发现错误，也能更精确定位错误，从而避免传输层错误检测的粒度 过大导致的冗余过多。这种方法不但能够实现基于优先级的服务送达，而且能够通过区 别重传对视频进行有差别的错误保护。但是错误检测并不能减少错误的发生。 文献12研究了 umts 网络中 rlc 层（radio link control，无线链路控制层）13 丢包对端到端视频业务 qos 的影响，从作者的研究结果可以知道，在 rlc 层对视频数 据的错误进行控制比在上层进行控制开销更小，反应更迅速。在 umts 网络的 rlc 层 中常用的视频业务 qos 保障方法主要有优先级队列方法和链路 arq 方法。文献14提 出了一种多缓冲区的主动队列管理（aqm）方法，rlc 层在收到视频数据包后，首先 判断当前包的重要性，然后根据重要性的不同放入不同优先级的缓冲区中，当缓冲区满 时，根据不同的优先级来确定丢包。这种方法能在缓冲区溢出的时候，尽量保证重要性 高的数据丢包率低。但是，这种方法只有在缓冲区发生溢出的情况下有效，不能从根本 上解决拥塞和延时的问题。benayoune 等人15提出了一种基于内容的 arq 方法。该方 法在 rlc 层的发送端使用一种 sdu 丢弃算法，根据每个 pdu（protocol data unit，协 议数据单元）携带的内容重要级的不同设置每个 pdu 的丢弃时间，当 pdu 在重传缓存 中停留的时间超过丢弃时间时，就将此 pdu 从重传缓存中丢弃。这种方法能够使重要 性高的 pdu 获得较高的重传次数，从而使重要性高的数据丢包率低。文献16从端到端 多媒体应用的角度分析了网络中对多媒体业务 qoe 造成影响的因素，并讨论传输过程 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 中对 qoe 影响的每个阶段，这对设计 qoe 保障方法有很大的贡献。文献17在 lte 的 harq 中引入了基于内容的重传机制， 这种机制根据队列中分组的重要级确定不同的重 传次数。 此方法的优势是在不影响网络整体性能的情况下能够很容易地进行部署。 但是， 这种方法不能根据实时业务对延时的要求灵活的调节重传次数。 如果当实时类业务要求 的延时很小时，过多的重传仍可能导致延时的累计增加，造成大部分数据超时并被接收 端丢弃，从而导致服务质量的降低。 1.3 本文本文主要研究内容和创新主要研究内容和创新点点 现有的 umts 网络中的 arq 机制不能很好地结合 h.264 视频编码的特性，对于网 络视频传输不能提供所需的 qos 保障。本文主要研究了 h.264 编码的特性以及它在 umts 网络中传输视频业务的应用。umts 网络的 rlc 层的传输控制机制以及对传输 视频业务的改进。 本文利用应用层中的 h.264 编码特性对 rlc 层的 arq 机制进行改进， 从而在网络条件比较恶劣的情况下，也能对视频业务提供较好的 qos 保障。 本文的主要贡献有几方面： （1）在 umts 网络中引入一种新的基于视频内容的选择性 arq 机制。这种机制 能够根据当前数据包的重要性来控制重传的判决。通过保证重要性高的数据包的重传， 在网络资源紧张时减少重要性较低的数据包的重传，使得视频内容得到了有差别的保 障。 （2）本文还提出一种能够根据业务对实时性要求不同调节重传次数的机制。当业 务对延时有较高的要求时，通过减少重传次数可以降低系统的延时，从而在保证业务时 延要求的条件下，提高了视频业务的接收质量。 （3）为了能够对经过网络传输的视频的质量进行准确的评价，本文提出一种结合 ns2 和 evalvid 的视频质量评价平台。利用 ns2 实现网络部分视频传输的仿真，利用 evalvid 比较端对端视频质量。 论文的余下章节安排如下：第二章介绍用于对视频进行编码的 h.264 标准以及它在 umts 网络中传输的特点和用户视频流传输的实时传输协议（rtp） 。第三章介绍了 umts 无线信道的信道模型以及 umts 移动网络中多媒体业务的特性。第四章详细的 阐述了本文所提出的基于视频内容的选择性 arq 方法。第五章说明了评价算法效果用 的视频质量评价平台，并利用此平台对提出的方法进行了仿真实验和结果分析。第六章 是总结，并提出对未来工作及改进的展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 umts 网络和 h.264 标准简介 5 第二章第二章 umts 网络网络和和 h.264 标准简介标准简介 2.1 umts 网络简介网络简介 umts（universal mobile telecommunications system）18，即通用移动通信系统，它 是国际标准化组织（3gpp）制定的全球 3g 标准之一。作为一个完整的全球 3g 移动通信 技术标准，umts 的定义并不仅包括空中接口，而且包括 3g 全球移动通信有线和无线部 分的完整协议栈。它是包括无线接入网络（radio access network，ran）和分组化的核心 网络（core network，cn）等一系列技术规范和接口协议。umts 网络适用传输多媒体业 务如语音、图像、网页浏览等，提供最大的下行速率理论上可以达到 384kbit/s。后来提出 的高速下行分组接入（high speed data packet access，hsdpa） 19技术可将 umts 的最大 下行速率提高到达到 8-10mbit/s。 2.1.1 umts 网络的结构 umts 网络的构成如图 2-1 所示。 ue cn utran node b 智能手机 笔记本 sgsn internet rncggsn uu iub iups/iucs rnc node b node b node b iur msc/vlrgmsc pstn,isdn,etc 外部网络 平板电脑 图 2-1 umts 网络构成示意图 从图 2-1 的 umts 网络构成示意图中可以看出，umts 网络主要有一下几部分构成： （1）ue（user equipment） ue 即用户设备， 它主要由基带和射频处理单元、 协议栈模块和应用层软件模块组成， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 umts 网络和 h.264 标准简介 6 它是用户直接接触的部分，也是业务的表示部分。ue 通过 uu 接口与基站进行交互，为用 户提供语音、数据通信、多媒体和 internet 等各种服务。 （2）utran（umts terrestrial radio access network） utran 即 umts 陆地无线接入网。utran 包括多个无线网络子系统（rns） 。无线 网络子系统包括无线网络控制器（rnc）和一个以上基站（node b） 。其中 node b 主要包 括控制子系统、反馈子系统、传输子系统、中频/基带子系统、射频子系统等部件。node b 和 rnc 之间通过 iub 接口互连， 它主要负责 uu 接口的物理层协议的处理。 rnc 的任务是 负责无线资源管理（rrm） ，主要完成连接建立与断开、切换、拥塞控制、宏分集合并、 无线资源管理控制等功能。rnc 与 rnc 之间通过 iur 接口互连，rnc 与分组交换核心网 和电路交换核心网分别通过 iu-ps 和 iu-cs 接口互连。 （3）cn（core network） cn 即核心网，主要功能是提供用户连接、对用户管理以及完成业务的承载，以及与 其他网络 （如 internet、 pstn） 的连接。 cn 主要分为两种： 电路交换核心网 （circuit switched core network ，cs-cn）和分组交换核心网（packet switched core network，ps-cn） 。它 们与 rnc 之间互连的接口分别被称作为 iu-cs 和 iu-ps。电路交换核心网与外部电路交换 网络相连，如 isdn，pstn。分组交换核心网与分组交换网 internet 相连。由于本文研究 的是多媒体业务的传输，属于分组交换的范畴，所以本文只讨论分组交换核心网和与之相 连的 internet。分组交换核心网主要由 sgsn(gpsr 服务支持节点)和 ggsn(网关 gprs 支 持节点)组成。sgsn 要完成分组数据包的路由转发、移动性管理、会话管理、逻辑链路管 理、鉴权和加密、话单产生和输出等功能；ggsn 主要是起网关作用，负责和 ip 网络的连 接。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 umts 网络和 h.264 标准简介 7 2.1.2 umts 网络的 rlc 层 phy aal2 atm 流媒体应用 tcpudp ip pdcp rlc mac phy l1atm aal5l2 ipip udp atmatm aal2 aal5 macip rlc udp pdcp gtp-u udp gtp-u l1 l2 ip udp gtp-u l2 l1 ip l1 l2 ip tcpudp 流媒体应用 uuiubiupsgngi uenode brncsgsnggsnhost 图 2-2 umts 协议框架 图 2-2 展示了基于 ip 协议的流媒体应用数据在 umts 网络中传输情况下的各个层次 协议框架20。其中 pdcp（packet data convergence protocol）层提供了头部压缩的功能。 从图中可以看出，基站（node b）只提供物理层的功能，而没有 rlc 层和 mac 层。mac 层和 rlc 层位于 ue 和 rnc 的实体之间。而拥塞控制，差错控制和接入控制等众多功能 都是在 rlc 层和 mac 层中实现的。rlc 层位于 mac 层和网络层协议之间，为上层提供 数据的分段和重传业务。每个 rlc 实体可以有如下三种工作模式：透明模式（tm） 、非确 认模式（um） 、确认模式（am）13。 rlc 三种模式的实际操作如下： 从图 2-3 可以看出，在透明 模式和非确认模式中，rlc 实体只能 单向的接收或者发送 数据，并且发送和接收数据为独立的过程;在确认 模式中，rlc 实体能够双向的收发数据。 虽然只有一个实体，但是它被 划分为要完成数据发 送和接受功能的接收端和发送端。而且 它们彼 此间是能够相互 通信的。 透明模式（tm） ：在透明模式下，发送端实体将上层数据直接传递到下层，而不添加 任何协议字段。如果接收端实体接收到的 pdu 出现错误，则根据配置，在错误标记后递 交 pdu，或者直接丢弃并向上层报告。通常实时的语音业务采用透明模式。 非确认模式（um） ：发 送在 端在来自上层的（pdcp 或 ip 层）协议数据单元上添在加必要 的控制协议开销并进行传送，因为没有使用重传协议，所以并不能保证协议数据单元能够 传递到对等实体。如果接收端接收到标记错误的协议数据单元，接收端实体会将此协议数 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 umts 网络和 h.264 标准简介 8 据单元直接丢弃并且通告上层。um 是为实时业务设计的。对于大多数实时业务来说，最 主要的目标是要求最小端到端时延，并且能够允许一定的数据 损失。但是，由于 rlc 没有 重传机制，一旦 出现 rlc-pdu 的丢失或者差错，将可能导致由这个 pdu 组成的整个上层 数据不能被正确接收，从而使接收端的业务的服务质量遭受严重的损失。 确认模式（am） ：为了在 rlc 层提供可靠 的、有序的传输，3g 标准中为 rlc 层传 输定义了确认模式（am） 。发送端在上层数据上添加必要的控制协议头部后进行传送，并 保证正确的传递到对等实体。因为 am 模式具有 arq 能力，如果 rlc 接收到错误的 rlc-pdu，就会通知发送方的 rlc 重传这个 pdu。而且 am 模式能够确保向上层递交的 数据是有序的。am 主要是为非实时业务而设计的。非实时的业务能够允许一定程度的时 延，但要求保障更高的可靠性。因此在 am 模式中 arq 机制是非常重要的。但是 am 模 式下的 rlc 需要一些额外的协议长度和机制来实现重传，以提供非实时业务所要求的 qos，这可能增加开销，带来的弊端是增加了时延。 图 2-3 rlc 层模型 2.2 h.264 视频视频编码标准介绍编码标准介绍 随着半导体的处理能力的增强和存储容量上的进步，以及视频编码算法的发展，人们 希望利用这些条件开发出一种性能更好的视频编码标准。在此需求下，itu-t 的视频编码 专家组（vceg）和 iso/iec 的动态图像专家组（mpeg）一起组成了一个联合视频编码 小组（jvt） ，着手制订一个比现今任何标准压缩性能都要高很多的崭新的标准，这个标准 在 itu-t 被称为 h.264， 而在 iso/iec 中被称为高级视频编码 （avc） 并且编入了 mpeg-4 标准，成为其第 10 部分21。 h.264 压缩协议最大的优势是有非常高的压缩比率， 在拥有同样的图像质量的情况下， h.264 的压缩比是 mpeg-2 的 2 倍以上，是 mpeg-4 的 1.52 倍。例如，假如原始文件的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 umts 网络和 h.264 标准简介 9 大小为 88gb，采用 mpeg-2 压缩标准压缩后变成 3.5gb，压缩比为 25:1，而采用 h.264 压缩标准压缩后变为 879mb，从 88gb 到 879mb，h.264 的压缩比甚至达到了的 102:1。 不论是 iso 的 mpeg-x 系列标准还是 itu-t 的 h.26x 系列标准， 其编码的基本原理都 是相同的，都是用空域预测去掉空间冗余、时域预测去掉时域冗余，最后采取熵编码使得 可以用最少的比特数来表示码流。 所不同的是， 各种标准采用的具体算法和实现各不相同。 相比于先前的视频压缩标准，h.264 引入了很多先进的技术，包括 44 整数变换、空域内 的帧内预测、1/4 象素精度的运动估计、多参考帧、多种小块的帧间预测、去除块效应的 环路滤波、 灵活的 slice 大小、 基于上下文的自适应变长编码 cavlc （context-based adaptive variable length coding）和基于上下文的自适应二进制算术编码 cabac（context based adaptive binary arithmetic coding）等。 （1）帧内预测：对 i 帧的编码是通过利用每帧图像的空间相关性，而非连续一组图像 之间的时间相关性来实现的。通常把一帧图像分割为多个相同大小的宏块（macroblock） ， 以前的标准只利用了一个宏块内部的相关性，但忽视了每个宏块之间的相关性，所以编码 没能进一步压缩数据量。为了能够进一步利用宏块之间的空间相关性，h.264 引入了帧内 预测用来提高压缩效率。简而言之，帧内预测编码就是使用周围已编码宏块的象素来预测 将要编码宏块的象素，然后对预测误差进行编码。这种预测是基于块的，对于亮度分量 （luma）块的大小有 16x16 和 4x4，16x16 块有 4 种预测模式，4x4 块有 9 种预测模式；对 于色度分量（chroma） ，预测是对 8x8 大小的块进行的，有 4 种预测模式。 （2）帧间预测：帧间预测是利用连续帧中的时间上的冗余来进行运动估计和运动补 偿。与以往的视频编码标准相比，h.264 在进行帧间预测时，不再是单一的 88 块，而是 可以有许多种分块方式可以选择，这被称之为树状分块方式。具体的一个宏块（macro block）可以按以下几种方式进行划分：1 个 1616、2 个 816、2 个 168 或 4 个 88。 而每个 88 的块也可以再按 4 种方式进行分块，1 个 88、2 个 48、2 个 84 或 4 个 44，如图 2-4 所示。一般来说，应该在运动较多的区域多选择较小的分块，而在运动较 少的区域多选择较大的分块。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 umts 网络和 h.264 标准简介 10 0 0 0 1 1 0 01 01 01 23 01 23 16x16 8x4 8x168x8 8x8 16x8 4x84x4 图 2-4 h.264 宏块划分方式 h.264 在编码帧间宏块进行运动估计时，不仅要通过块匹配的方法找到该宏块的运动 矢量，而且还要选择该宏块最佳的分块模式。之前的视频编码标准相比，h.264 在进行帧 间预测编码时，使用了多参考帧预测技术，使得运动 搜索时从原来的一个参考帧扩展为多 个解码后的参考帧（如图 2-5） ，这样通常能找到更精确的匹配，获得更准确的预测结果， 从而有助于获得更高的图像质量。与之前的视频编码标准相比，h.264 运动矢量的精度达 到了亮度 1/4 象素精度、色度 1/8 象素精度，可以更好的表现图像的细节。 参考帧当前帧 图 2-5 多参考帧的预测 在视频编码序列中，主要有三种编码帧：i 帧、p 帧、b 帧，如图 2-6 所示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 umts 网络和 h.264 标准简介 11 i p bbbb p bb p 12345678910帧编号 编码帧所 占数据量 b帧预测方向 p帧预测方向 图 2-6 i、p、b 帧示意图 i 帧即 intra-coded picture（帧内编码图像帧） ，不参考其他图像帧，只利用本帧的信息 进行编码。 p 帧即 predictive-coded picture（预测编码图像帧） ，利用之前的 i 帧或 p 帧，采用运动 预测的方式进行帧间预测编码。 b 帧即 bidirectionally predicted picture（双向预测编码图像帧） ，提供最高的压缩比， 它既需要之前的图像帧（i 帧或 p 帧） ，也需要后来的图像帧（p 帧） ，采用运动预测的方式 进行帧间双向预测编码。 在视频编码序列中，gop 即 group of picture（图像组） ，指两个 i 帧之间的距离， reference（参考周期）指两个 p 帧之间的距离（如图 2-6） 。一个 i 帧所占用的字节数大于 一个 p 帧所占用的字节数，一个 p 帧所占用的字节数大于一个 b 帧所占用的字节数。 2.3 rtp 实时传输实时传输协议介绍协议介绍 rtp（real-time transport protocol）即实时传输协议22，是 ietf 提出的适合实时数据 传输的协议，支持在单目标广播和多目标广播网络的服务中传输实时数据，能为实时媒体 业务提供点到点的传输服务。rtp 主要应用在 internet 上传输对时延要求比较高的业务， 如音频流和视频流。rtp 也可以用于传输电话通话，国际电信联盟（itu）在多媒体通信 标准 h.323 中采用了 rtp 协议。 rtp 数据报由头部和有效载荷两部分组成，如图 2-7 所示。前 12 个字节是每个 rtp 报文中必须包含的，只有在使用混合器的情况下，才会在头部中加入 csrc 字段。由于本 文中讨论的是基于 ip 协议的网络中视频的传输，其最大的传输单元（mtu）最大为 1500 字节。其中 ip 头部至少 20 个字节大小，udp 头部固定为 8 字节，以及至少 12 个字节大 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 umts 网络和 h.264 标准简介 12 小 rtp 固定头部， 即头部开销至少达到了 40 个字节， 因此 rtp 实际载荷的最大尺寸为 1460 字节。 v=2 p x cc m pt sequence number timestamp synchronization source(ssrc) identifier contributing source(csrc) 图 2-7 rtp 报文格式 rtp 是独立于底层协议的传输机制，可以在 udp/ip、atm aal5 和 ipx 层上实现。 在 internet 中通常采用 udp/ip 的封装，所以本文主要讨论这种形式的封装。rtp 协议本身 不提供有顺序、可靠的传送，也没有拥塞控制和流量控制的功能，它是依靠专门的实时传 输控制协议 rtcp 提供这些服务并保证传输质量的。 实时传输控制协议 （real-time transport control protocol，rtcp）和 rtp 协议共同协作提供内容传送和控制功能。在 rtp 会话期 间，接收端通过 rtcp 包发送包括数据包数量、丢包率等统计信息给发送端，发送端根据 这些信息估计当前的网络状态，并动态地调整发送视频的速率，帧率，分辨率等参数。这 样，在网络状况不佳甚至拥塞时，能有效地缓解网络中负载的状况、保证传输的视频的实 时性。 2.4 本章小结本章小结 本章主要介绍了 umts 网络的结构，特别是 umts 网络中的 rlc 层。然后介绍了用 于流媒体编/解码并网络传输的 h.264/avc 视频编码标准，说明了 h.264 编码的特性，并 详细说明了帧间预测的特性。最后还介绍了用于在端到端传输视频数据的实时传输协议 rtp，rtp 协议是为了满足音/视频这类连续媒体数据的实时性设计的，在 rtp 的会话中提 供协同工作和控制能力。 rtcp 协议为 rtp 协议提供了基本的传输保证、 流量控制等功能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 umts 无线信道特性和信道模型 13 第三章第三章 umts 无线信道特性无线信道特性和信道模型和信道模型 3.1 移动移动信道模型信道模型 3.1.1 移动信道的特性 移动通信必须利用无线电波作为载体对信息进行传播， 而且传播过程中伴随有移动 节点的移动和信道情况的剧烈变化。相对于传统的高斯白噪声信道和有线计算机网络， 移动信道的主要特征就是多径效应引起的衰落、阴影效应衰落、远近效应和多普勒效应 23。移动信道是所有信道中情况最复杂的一种信道。例如，模拟有线信道中典型的信噪 比约为 46db，也就是说，信号电平要比噪声电平高 40000 倍。而且对有线信道来说， 其传输质量是可以控制的。 陆地移动无线信道中信号强度的骤然降低即所谓衰落是经常 发生的，衰落深度可达 30db。在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信 号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。这种衰落现象严重地恶化了接收信号的质量， 影响通信可靠性。 在蜂窝移动环境中， 同频干扰是一个必须考虑的问题。 当发生衰落时， 要接收的信号也许比同频小区基站来的干扰信号还要弱，接收机就会锁定在错误信号 上。模拟移动通信多采用调频方式传播信号，调频方式的捕获效应对同频干扰有一定的 抑制作用。 而衰落现象会显著改变调频信号特性， 削弱其捕获效应。 对于数字传输来说， 衰落将使比特误码率(ber)大大增加。移动信道与非移动点对点无线信道相比，信号传 输的误比特率前者比后者高 106 倍。与此相对照，有线信道中能够很好工作的语音编码 器、调制解调器和同步装置在移动环境中工作性能将会大大恶化。移动信道的衰落特性 取决于无线电波传播环境。不同的环境，其传播特性也不尽相同。例如，一个有许多高 层建筑的大城市与平坦开阔的农村相比，其传播环境有很大不同，两者的移动信道特性 也大有差异。而传播环境本身是相当复杂的，这就使得移动信道特性也是十分复杂的。 复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征，这是由在运动中进行无线通信这一方式本身 所决定的。 在本文中，我们使用无线移动信道的信道模型来模拟实际无线信道的特征，这里主 要考虑两方面的影响：多径衰落和阴影效应的影响。 多径效应。由于接收者所处地理环境的复杂性、使得接收到的信号不仅有直射波的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 umts 无线信道特性和信道模型 14 主径信号，还有从不同建筑物反射过来以及绕射过来的多条不同路径信号。而且它们到 达时的信号强度，到达时间以及到达时的载波相位都是不一样的。所接收到的信号是上 述各路径信号的矢量和，也就是说各路径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干 扰或多径效应，它是一种快衰落。这类多径干扰是非常复杂的，有时根本收不到主径直 射波，收到的是一些连续反射波等等。 阴影效应。移动终端在运动过程中，周围的地形对电波传播路径的阻挡，形成电磁 场的阴影， 这种随终端移动不断变化的电磁阴影而引起接收端场强中值起伏变化的现象 被称作为阴影效应。阴影效应导致的信号电平衰落称为阴影衰落。由于这种衰落的信号 电平起伏是相对较平缓的，因此阴影衰落属于慢衰落。慢衰落的特点是：慢衰落与频率 无关，而是取决于地形和地物的高度、分布以及移动速度等。 3.1.2 gilbert-elliot 信道模型 无线移动信道上尖锐的强噪声、接收机同步失败、信号衰落等原因可能导致无线信 道上传输数据时出现的差错具有突发性，具体表现为差错出现时间相关。为了体现无限 信道的时变性和突发性，信道模型必须具有时间相关性和能够反映突变错误。文献24 中提出二进制突发差错信道可以用 gilbert-elliot 模型描述，它是一个二阶的马尔可夫 （markov）模型，如图 3-1 所示。 gbpgg pbg pgb pbb 图 3-1 gilbert-elliot 信道模型 无线移动信道的情况可以通过两个状态（“好”状态 g 和“坏”状态 b）的互相转换来 表示。在环境改变的时刻，信道以一定的概率离开一个状态，进入另一个状态。状态之 间的转移概率矩阵为： gggb bgbb pp pp m p ，其中： pgb为信道离开 g 状态转移到达 b 状态的概率； 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 umts 无线信道特性和信道模型 15 pbg为信道离开 b 状态转移进入 g 状态的概率； pgg为信道保持在 g 状态的概率且1 gggb pp ； pbb为信道保持在 b 状态的概率且1 bbbg pp 。 在每一个状态中，分组的丢失机制是离散无记忆信道的丢失机制，分别具有各自独 立的丢失概率 pg和 pb。在本文中，我们对 gilbert-elliot 信道模型进行如下假设：在好 状态时，分组一定能够成功地发送，即 0 g p ；而在坏状态时，分组传输失败的概率为 1，即 1 b p 。每个转换以分组为单位，即在每个分组传输完成以后，在下一个分组传输 前，决定是否转换状态。我们用 g 表示信道处于“好状态”的稳态概率， b 表示信道处 于“坏状态”的稳态概率，则模型的稳态概率分布 , gb 可以根据如下方程计算: 0 , 1 m m i m p （3-1） 计算出的稳态概率为： bg g bggb p pp （3-2） gb b gbbg p pp （3-3） 则无线移动信道的平均误码率可以用如下的公式表示： avgggbb ppp （3-4） 当 0 g p 和 1 b p 时，上式可以简化为： gb avg bggb p p pp （3-5） gilbert-elliot 模型描述了连续丢包长度为 k(大于 0)的概率的几何分布25，设随机变 量 y 用来描述突发丢包事件中连续丢包长度的概率分布，( )p yk 即一次突发丢包事件 中连续丢包长度为 k 的概率： 11 ()(|)(|)(1) kk bgbg p ykp xb xbp xg xbpp （3-6） 则 y 的期望 e y就是一次突发丢包事件中的平均丢包长度 mbl： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 umts 无线信道特性和信道模型 16 0 1 () k bg mble ykp yk p （3-7） gilbert-elliot 模型用来描述无线移动信道的特性是完全