無線視頻監(jiān)控傳輸技術(shù)的研究

2 無線視頻傳輸機(jī)制分析與容錯(cuò)傳輸技術(shù)
可靠信道上信號(hào)傳輸研究的目的是充分利用信道的帶寬資源；而對(duì)于不可靠信道，傳輸中研究的重點(diǎn)則是充分利用帶寬資源來實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，即容錯(cuò)傳輸技術(shù)。這里討論在無線信道上的視頻傳輸機(jī)制，其主要的研究點(diǎn)是容錯(cuò)傳輸控制。容錯(cuò)傳輸控制技術(shù)根據(jù)其控制方式的不同可以分為三大類：即前向錯(cuò)誤控制、基于反饋的ARQ和信源信道聯(lián)合編碼。前向錯(cuò)誤控制(Forward Error Control，F(xiàn)EC)包括信道糾錯(cuò)編碼技術(shù)、交織打包技術(shù)和優(yōu)化的包調(diào)度機(jī)制等。基于反饋的ARQ技術(shù)包括利用多幀參考機(jī)制的參考幀選擇(Reference Picture Selection，RPS)機(jī)制、混合ARQ(Hybrid，HARQ)機(jī)制和基于ARQ的反饋錯(cuò)誤跟蹤技術(shù)。由于基于ARQ的容錯(cuò)傳輸控制技術(shù)具有優(yōu)良的性能，所以在此重點(diǎn)介紹ARQ相關(guān)的傳輸控制技術(shù)，并討論現(xiàn)有視頻容錯(cuò)傳輸機(jī)制存在的不足。
前向錯(cuò)誤控制采用前向糾錯(cuò)編碼的方式來克服信道錯(cuò)誤。在信道出錯(cuò)概率波動(dòng)比較劇烈的情況下(如現(xiàn)有的移動(dòng)信道)，為了獲得一定的傳輸質(zhì)量，前向糾錯(cuò)編碼必須根據(jù)當(dāng)前估計(jì)的最差情況來增加冗余校驗(yàn)比特，這會(huì)導(dǎo)致帶寬資源的浪費(fèi)。對(duì)帶寬資源本來就有限的無線信道而言，顯然是不能滿足要求的。為此，考慮把ARQ技術(shù)和前向錯(cuò)誤控制結(jié)合起來，稱為HARQ技術(shù)。HARQ分為兩類：I類HARQ中，發(fā)送端的前向編碼要具有一定的糾錯(cuò)能力，當(dāng)接收端發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后，首先利用前向糾錯(cuò)編碼來糾正錯(cuò)誤。如果錯(cuò)誤被糾正，則向發(fā)送端傳送一個(gè)當(dāng)前包接收成功的反饋信息(ACK)，反之則發(fā)送接收失敗消息(NACK)。發(fā)送端如果收到ACK，則繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包，否則，則重發(fā)出錯(cuò)的數(shù)據(jù)包。由此可見I類ARQ需要較強(qiáng)的前向糾錯(cuò)編碼，在錯(cuò)誤率較低的應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)導(dǎo)致帶寬資源的浪費(fèi)，但在錯(cuò)誤率高的環(huán)境下能夠獲得比其他類型ARQ機(jī)制更好的吞吐效率。Ⅱ類ARQ中只要求前向糾錯(cuò)編碼具有檢錯(cuò)能力即可，根據(jù)關(guān)于信道編碼糾錯(cuò)能力的理論可知，這可以起到節(jié)約帶寬的作用。當(dāng)接收端發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后，發(fā)送重傳請(qǐng)求；發(fā)送端只傳送出錯(cuò)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的具有糾錯(cuò)能力的校驗(yàn)碼。當(dāng)接收端收到后，如果仍然不能糾正錯(cuò)誤，則繼續(xù)發(fā)送重傳請(qǐng)求，發(fā)送端可以選擇重傳整體出錯(cuò)數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼，也可以選擇發(fā)送更強(qiáng)糾錯(cuò)能力的校驗(yàn)碼，具體因控制策略不同可有所調(diào)整。鑒于無線信道錯(cuò)誤率高，具有反饋信道的無線傳輸通常采用HARQ-I。圖2顯示了采用HARQ-I的無線視頻傳輸系統(tǒng)，圖中虛線框代表了傳輸中錯(cuò)誤控制的流程。根據(jù)HARQ-I的設(shè)計(jì)原理，接收端發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后，首先進(jìn)行前向錯(cuò)誤糾正(圖中第一層錯(cuò)誤屏障)，如果不能糾正且當(dāng)前系統(tǒng)滿足時(shí)延限制，則發(fā)送ACK請(qǐng)求來讓發(fā)送端重傳出錯(cuò)部分的數(shù)據(jù)(第二層錯(cuò)誤屏障)。這樣的重傳可以重復(fù)到接收端收到正確的數(shù)據(jù)或者重傳延遲超出系統(tǒng)時(shí)延限制為止。如果重傳結(jié)束后仍然不能得到正確的數(shù)據(jù)包，在接收端就會(huì)用錯(cuò)誤隱藏技術(shù)來進(jìn)行錯(cuò)誤恢復(fù)(第三層錯(cuò)誤屏障)?？梢钥闯觯@種機(jī)制的基本思想是出錯(cuò)后盡量使用ARQ技術(shù)來恢復(fù)錯(cuò)誤，所以這里將其命名為“盡力而為”ARQ機(jī)制(BestEffortARQ，BEA，RQ)。

由于視頻信號(hào)具有較強(qiáng)的時(shí)空相關(guān)性，而且編碼端并不能完全去除這種相關(guān)性，使得解碼端能夠利用這些殘留的相關(guān)來恢復(fù)一定質(zhì)量的視頻。恢復(fù)的質(zhì)量還和被恢復(fù)部分的紋理以及運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，一般而言，對(duì)紋理比較平緩和運(yùn)動(dòng)比較單一的部分，恢復(fù)效果要好于其他情況。在這種情況下，如果利用BEARQ來重傳這部分視頻，顯然會(huì)造成帶寬上的浪費(fèi)。
為了克服這種帶寬上的浪費(fèi)，在實(shí)際應(yīng)用中，由于信道的錯(cuò)誤率和重傳次數(shù)有密切的關(guān)系，而每次重傳都要耗費(fèi)一定帶寬，所以成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包需要的帶寬和信道錯(cuò)誤率相關(guān)?？紤]到這個(gè)因素，利用帶寬一失真代價(jià)函數(shù)的概念，其核心思想是：在一定的丟包率、信道帶寬和傳輸延遲限制條件下，終端視頻的接收質(zhì)量和傳輸中所用的帶寬不僅和視頻信源的率失真性能相關(guān)，而且還和信道的錯(cuò)誤率(丟包率)以及終端錯(cuò)誤恢復(fù)技術(shù)相關(guān)。將其作為衡量視頻包是否應(yīng)當(dāng)予以重傳的準(zhǔn)則。在此基礎(chǔ)上，采用優(yōu)化的端對(duì)端傳輸機(jī)制，該機(jī)制中通過在編碼端根據(jù)當(dāng)前信道狀況和解碼端所采用的錯(cuò)誤隱藏算法，預(yù)先判定每一部分的出錯(cuò)恢復(fù)模式，解碼端根據(jù)這個(gè)模式信息來決定采取ARQ還是錯(cuò)誤恢復(fù)。這樣就有效避免了由于不必要重傳而帶來的帶寬資源浪費(fèi)，提高了系統(tǒng)帶寬使用效率。