趙曉焱 劉小可

（河南師范大學(xué)計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007；河南省科學(xué)技術(shù)信息研究院，河南 鄭州 450000）

基于W in CE的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

趙曉焱 劉小可

（河南師范大學(xué)計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007；河南省科學(xué)技術(shù)信息研究院，河南 鄭州 450000）

提出了一種基于W in CE平臺的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。由于無線網(wǎng)絡(luò)帶寬的波動性和高誤碼率，系統(tǒng)引入了RTP速率控制單元，優(yōu)化了傳統(tǒng)的RTCP擁塞控制，在客戶端中加入丟包處理模塊，通過采用分級速率調(diào)節(jié)，重傳關(guān)鍵幀I幀數(shù)據(jù)包等策略為無線視頻傳輸提供了有效的QoS保障，提高了視頻傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性。

W in CE；監(jiān)控系統(tǒng)；差錯控制；擁塞控制

隨著無線傳輸技術(shù)和數(shù)字成像技術(shù)的發(fā)展，有線視頻監(jiān)控開始向無線視頻監(jiān)控演進(jìn)[1]，無線監(jiān)控將視頻監(jiān)控系統(tǒng)帶進(jìn)了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域?；跓o線通信平臺的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端兼容了多種通訊方式，具有強(qiáng)大的實時圖像采集和傳輸能力，并且支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集和控制邏輯，可以應(yīng)用于本地控制、遠(yuǎn)程遙控等多種模式[2]。無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用與移動視頻點播類似，是從有線網(wǎng)絡(luò)向無線網(wǎng)絡(luò)的單向的無線流媒體，同時比視頻點播要求有更高的實時性。它以無線移動設(shè)備作為客戶端，通過無線接入點，以IP網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，向架設(shè)在有線網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器發(fā)出請求，再由服務(wù)器向客戶端發(fā)送流媒體數(shù)據(jù)。由于無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中視頻業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量大，無線信道又具有易錯、時變和帶寬有限的特點，使得信道的誤碼率和丟包率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有線網(wǎng)絡(luò)，因此必須使用擁塞控制、差錯控制、改進(jìn)傳輸協(xié)議等方法來保證視頻服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

1 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

本文系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三個部分：服務(wù)器（嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)）、接收端（PDA終端）和網(wǎng)絡(luò)通訊線路。服務(wù)端內(nèi)置了高性能的RISC芯片[3]，可以實現(xiàn)Web服務(wù)以及TCP/IP協(xié)議，負(fù)責(zé)采集視頻數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用MPEG-4視頻編碼方案和G.723音頻編碼方案進(jìn)行音視頻壓縮，以RTSP方式提供流媒體服務(wù)，與請求連接的客戶端交換數(shù)據(jù)，獲取客戶端監(jiān)聽的RTP端口，將客戶端的IP地址與端口加入RTP發(fā)送列表，并提供CGI接口使客戶端可以對攝像機(jī)進(jìn)行控制。音視頻數(shù)據(jù)通過WLAN無線局域網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到PDA終端，用戶通過Pocket PC獲得壓縮后的媒體流解碼并播放，真正實現(xiàn)了在寬帶無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的視頻實時監(jiān)控。由于無線網(wǎng)絡(luò)帶寬的波動性和高誤碼率，在系統(tǒng)設(shè)計中必須考慮視頻流的擁塞控制和差錯控制，并在客戶端中加入丟包處理模塊，以提高畫面質(zhì)量和穩(wěn)定性。

圖 1無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)開發(fā)平臺W inCE

Win CE是微軟公司開發(fā)得一種嵌入式操作系統(tǒng)（EOS）。它是一種模塊化的（可組裝定制）、實時的、有強(qiáng)大通信能力的、搶先式、多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用Win CE作為無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的手持終端的嵌入式操作系統(tǒng)。Win CE面向只有有限的硬件系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計方式，它不需要標(biāo)準(zhǔn)硬件，它提供了一個操作系統(tǒng)所能提供的最大柔性，并具有緊湊高效可伸縮的特性。Win CE包含強(qiáng)有力的應(yīng)用程序開發(fā)工具Embedded Visual C++。利用EVC，程序員將在友好的環(huán)境下開發(fā)基于Win CE的應(yīng)用程序，并能訪問詳細(xì)的平臺軟件開發(fā)工具包文檔。同時用EVC進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)，程序可運行于特定的平臺，不需要編寫額外的代碼，針對特定平臺的代碼轉(zhuǎn)換工作將由系統(tǒng)自動完成。EVC和VC在界面、語法和開發(fā)流程上十分相似。對于有VC開發(fā)經(jīng)驗的人來說，可以較快地進(jìn)入EVC的開發(fā)。

3 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻數(shù)據(jù)的傳輸實際就是流媒體的傳輸，流媒體的傳輸對網(wǎng)絡(luò)帶寬、傳輸時延、分組丟包有著嚴(yán)格的要求[4]。尤其將基于PDA的視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于CDMA1X網(wǎng)絡(luò)中時，視頻狀況嚴(yán)重下降，丟包率非常高。在無線環(huán)境中，有兩類原因?qū)е聰?shù)據(jù)丟失：網(wǎng)絡(luò)擁塞和鏈路錯誤。網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的數(shù)據(jù)丟失為擁塞丟包，鏈路錯誤引起的數(shù)據(jù)丟失為誤碼丟包。

3.1 擁塞控制機(jī)制

傳統(tǒng)的TCP擁塞控制機(jī)制將網(wǎng)絡(luò)擁塞作為丟包的唯一原因，已經(jīng)不能適用于無線網(wǎng)絡(luò)，否則會導(dǎo)致錯誤的速率調(diào)整，降低網(wǎng)絡(luò)性能。同時TCP重傳造成的時延對于實時業(yè)務(wù)質(zhì)量是不能承受的，多媒體實時業(yè)務(wù)如VOIP、視頻會議、視頻點播等業(yè)務(wù)通常使用UDP包來傳輸，但是UDP包沒有提供擁塞控制和質(zhì)量保證的機(jī)制，基于UDP的傳輸質(zhì)量會由于網(wǎng)絡(luò)通信中不可避免的分組丟失而嚴(yán)重降低，所以需要在UDP的上層加上實時傳輸協(xié)議（RTP）或?qū)崟r流協(xié)議（RTSP）等擁塞控制的機(jī)制。目前流媒體的擁塞控制是由應(yīng)用程序利用RTCP提供的信息來實現(xiàn)的，擁塞控制的實現(xiàn)十分復(fù)雜，給應(yīng)用開發(fā)造成了很多困難，這使得很多應(yīng)用開發(fā)者在其應(yīng)用程序中根本就不采取擁塞控制[5]。在有線網(wǎng)絡(luò)中，針對怎樣控制這些非TCP流的傳輸速率，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，如TFRC等方法，不但要求自適應(yīng)的根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)調(diào)整發(fā)送速率，還要求具有TCP友好性。這些方法都需要由接收端的反饋得到丟包率和RTT。接收端發(fā)送一個RTCP反饋報告，提供反映RTP流狀態(tài)的特殊信息，包括包丟失率和抖動信息，發(fā)送端可以判斷網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況和控制傳輸速率。但這種方案應(yīng)用于無線移動網(wǎng)絡(luò)時，發(fā)送端不能識別擁塞丟包和誤碼丟包，會造成不合理的速率控制，誤碼丟包任務(wù)會使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞從而降低發(fā)送速率，造成網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。

圖2 傳統(tǒng)的RTCP擁塞控制方案圖

為解決此問題，系統(tǒng)引入了RTP速率控制單元。在系統(tǒng)的速率調(diào)節(jié)控制中，傳輸層使用RTP協(xié)議，RTP速率控制單元作為速率控制的代理，將其設(shè)置于有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的邊緣處。其實現(xiàn)方法類似于split TCP，在中繼點上工作，但并不真正的分離一個RTP連接，而是反饋一個相應(yīng)的RTCP信息，同時客戶端也返回RTCP至媒體服務(wù)器。RCU的功能是接收RTP包到達(dá)基站時的信息并發(fā)送RTCP反饋信息給媒體服務(wù)器。媒體服務(wù)器端通過RCU反饋的RTCP包來判斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，統(tǒng)計信息塊中的丟包率、抖動等參數(shù)，同時計算往返時間RTT，將統(tǒng)計參數(shù)通知應(yīng)用程序，進(jìn)行速率調(diào)節(jié)，防止系統(tǒng)進(jìn)入嚴(yán)重的擁塞狀況，并相應(yīng)地采取選擇性重傳等差錯控制，提高QoS質(zhì)量。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案如圖3所示：

圖 3 優(yōu)化的基于RCU的速率與魯棒性控制方案圖

3.2 分級速率控制

由于系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)具有分級編碼的功能，可以將采集到的視頻圖像按照幾個不同碼率的大小來壓縮，發(fā)送相應(yīng)帶寬的數(shù)據(jù)，因此可以利用反饋得到的丟包信息正確的判斷網(wǎng)絡(luò)狀況并調(diào)節(jié)攝像機(jī)發(fā)送的視頻流速率。以RTP監(jiān)控代理的包丟失率反饋報告為基礎(chǔ)，系統(tǒng)利用分級轉(zhuǎn)換視頻發(fā)送帶寬來執(zhí)行發(fā)送速率控制。服務(wù)器可將視頻圖像壓縮編碼為各個不同比特率級別的文件，64kbps、128kbps、256kbps……2048kbps，并可以配置改變圖像質(zhì)量（high/middle/low）。當(dāng)平均包丟失率超過1%時視頻服務(wù)器選擇降低一個級別的帶寬速率發(fā)送。平均包丟失率Pavg-RCU按公式（1）計算：

其中ω是權(quán)重參數(shù)，每收到接收端的RTCP后ω增加1。當(dāng)服務(wù)端選擇了不同的比特率級別后ω被重置為1。當(dāng)平均包丟失率少于0.1%并且ω達(dá)最大值Maxω時視頻服務(wù)器選擇高一個級別的發(fā)送帶寬。

3.3 差錯控制策略

對MPEG4的FGS分層編碼，基本層的傳輸如果出現(xiàn)比特錯誤，錯誤會向增強(qiáng)層擴(kuò)散。流媒體錯誤控制最主要的是要防止錯誤擴(kuò)散。而且對于某一幀來說，如果基本層的數(shù)據(jù)沒有收到，即使收到了增強(qiáng)層的數(shù)據(jù)也是無法解碼的。由于PDA的解碼速度較慢，有一定的等待時間，因此系統(tǒng)采用對基本層數(shù)據(jù)的選擇性重發(fā)進(jìn)行差錯控制。考慮重傳丟失數(shù)據(jù)在一定程度上會增加網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的壓力[8]，本文采取只重傳關(guān)鍵幀I幀數(shù)據(jù)包的策略。基本思想示意見圖4：

圖 4 重傳法示意圖

重傳線程采用TCP連接，因為TCP是面向連接的服務(wù)比UDP無連接服務(wù)可靠，但不能讓TCP線程一直重傳某一丟失的幀，只讓它重傳一次，TCP的確認(rèn)幀附在重傳幀后。發(fā)送方需要維護(hù)一個定時器，定時器的時長是從發(fā)送者到接收者之間最大RTT（round to time）的兩倍，以避免包的誤發(fā)。

4 總結(jié)

本文對無線網(wǎng)絡(luò)中視頻傳輸控制技術(shù)做了深入分析和研究，以期對改善無線網(wǎng)絡(luò)下的視頻傳輸質(zhì)量提供有價值的參考。文中采用的有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)邊緣的RTP速率控制單元方案，實現(xiàn)了在無線流媒體傳輸中有效區(qū)分擁塞丟包與誤碼丟包，擁塞控制和差錯控制效率得到了較大提高，丟包模塊測試結(jié)果顯示系統(tǒng)提高了視頻傳輸與解碼播放的質(zhì)量，減少了網(wǎng)絡(luò)帶寬和系統(tǒng)開銷，為無線網(wǎng)絡(luò)中多媒體信息QoS保障的進(jìn)一步研究提供了重要的參考。然而面向大眾應(yīng)用的無線視頻傳輸技術(shù)尚未成熟，仍需進(jìn)一步的研究改進(jìn)。比如與信源編碼相結(jié)合的碼率控制，在編碼器中實現(xiàn)自適應(yīng)速率調(diào)節(jié)的控制技術(shù)和抗誤碼的編碼技術(shù)，都是本文后續(xù)研究工作要考慮的問題。

[1]曹型兵，陳瑩星.基于SIP無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時視頻的實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2012，36（13）：122-124．

[2]楊明遠(yuǎn)，閻明，張亞東.CDMA岸標(biāo)無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46（2）：221-223．

[3]楊國斌，李秋紅，王太宏.基于WSNS和3G 網(wǎng)絡(luò)的無線遠(yuǎn)程安防監(jiān)控系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（12）：76-78．

[4]Liu Jain-Shing.A cross-layer control method for network lifetime maximization in wireless sensor networks[J].International Journal of Innovative Computing，Information and Control，2012，8（11）：7603-7625.

[5]李昕，陳浩，陳堅.基于反饋的區(qū)分服務(wù)網(wǎng)絡(luò)擁塞管理方案研究[J].計算機(jī)應(yīng)用研究，2012，29（8）：3088-3090．

TN919

A

1671-0037（2014）05-68-2

國家自然科學(xué)基金（U1204609）；河南省科學(xué)技術(shù)重點研究項目（14A510011）。

趙曉焱（1981-），女，講師，碩士，研究方向:多媒體網(wǎng)絡(luò)通信。