章廣志+周鳳+孫曉霞+張繼山

摘 要：網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)可以極大地提高多播網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，同時能提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。為了提高基于ARM芯片的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以利用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)對視頻數(shù)據(jù)進行多播傳輸。該方案顯著提高了視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速率，文章就此進行了探討。

中圖分類號：TP314文獻標(biāo)識碼：A收稿日期：2017-05-19

網(wǎng)絡(luò)視頻控制系統(tǒng)是一種遠程監(jiān)控實現(xiàn)方案。用戶能夠通過Internet網(wǎng)絡(luò)實時觀看監(jiān)控終端的監(jiān)控畫面。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的傳輸系統(tǒng)不需要構(gòu)建專門的傳輸線路，節(jié)省了線纜的布置費用，同時可以跨地區(qū)、遠距離布置監(jiān)控系統(tǒng)。但因為網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控傳輸時經(jīng)由外部Internet網(wǎng)絡(luò)，傳輸質(zhì)量有時難以得到保證，所以，構(gòu)建安全通暢的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控解決方案至關(guān)重要。

如果想解決以上問題，網(wǎng)絡(luò)編碼是一個很有價值的技術(shù)。視頻傳輸?shù)钠款i就是傳輸碼率太低，而視頻的數(shù)據(jù)量比文字、音頻等數(shù)據(jù)量大很多，這就對數(shù)據(jù)的傳輸和分發(fā)造成一系列問題。比如吞吐量太低，浪費傳感器節(jié)點能量。

本文從兩個方面利用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)來提升視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男堋Ｒ皇抢镁W(wǎng)絡(luò)編碼提高視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，提高碼率，節(jié)省能量；二是通過有效的網(wǎng)絡(luò)編碼編解碼優(yōu)化技術(shù)來降低視頻節(jié)點用于網(wǎng)絡(luò)編碼運算的能量，進一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)編碼實現(xiàn)技術(shù)。

1.隨機線性網(wǎng)絡(luò)編碼

網(wǎng)絡(luò)編碼的核心思想就是允許并提倡網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點對信源消息進行中間的加工。通過Jaggi-Sanders算法可以實現(xiàn)確定性網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)容量的上限。通過隨機網(wǎng)絡(luò)編碼算法可以實現(xiàn)非相干網(wǎng)絡(luò)的多播容量上限。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)是信息論的一個大發(fā)展，也是一種突破。

2.隨嵌入式視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸方案

（1）嵌入式平臺實現(xiàn)方案。ARM9平臺基礎(chǔ)上整合關(guān)于視頻監(jiān)控的Linux軟件，系統(tǒng)基于Arm9的2410平臺和嵌入式Linux操作系統(tǒng)制作，搭建了一個網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，可以在瀏覽器里輸入監(jiān)控終端的網(wǎng)址或者域名進行實時視頻監(jiān)控調(diào)取。目前網(wǎng)絡(luò)化的視頻監(jiān)控大多是基于局域網(wǎng)傳輸，終端大多是基于成熟的需要微軟版權(quán)授權(quán)的WinCE系統(tǒng)，成本偏高。本技術(shù)方案預(yù)期實現(xiàn)Internet環(huán)境下的視頻傳輸，終端操作系統(tǒng)采用開源的Linux內(nèi)核，降低成本。

（2）網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的數(shù)據(jù)融合路徑。網(wǎng)絡(luò)編碼主要在兩個方面上應(yīng)用于視頻系統(tǒng)。一是服務(wù)器對自己管轄的監(jiān)控節(jié)點的數(shù)據(jù)分發(fā)。服務(wù)器對自己管理監(jiān)控節(jié)點下發(fā)的管理數(shù)據(jù)一般來講都是大致相同的，可以近似為一個多播系統(tǒng)，這是網(wǎng)絡(luò)編碼的經(jīng)典應(yīng)用場景—多播。二是不同于局域網(wǎng)的視頻監(jiān)控，對某一個視頻監(jiān)控終端，查看方可能不止一個，網(wǎng)絡(luò)上任何一個人都可以利用網(wǎng)址登錄該視頻監(jiān)控節(jié)點，隨時查看實時動態(tài)的視頻內(nèi)容。

3.網(wǎng)路編碼在監(jiān)控視頻傳輸中的具體實現(xiàn)

這里主要討論具體實現(xiàn)中關(guān)鍵技術(shù)細節(jié)和應(yīng)該注意的問題。

（1）網(wǎng)絡(luò)編碼方案。將分發(fā)的文件分成m份，每份有n個字符。字符為選定有限域F上的一個元素，F(xiàn)的大小采用經(jīng)典數(shù)值256，即一個字節(jié)大小的8次方。證明在此有限域下，解碼成功率可達到99%以上，已經(jīng)足夠工程實踐的要求。256也是最近很多網(wǎng)絡(luò)編碼具體實現(xiàn)方案經(jīng)常采用的有限域大小。

（2）運算優(yōu)化技術(shù)。如上文所述，網(wǎng)絡(luò)編碼的運算量很大，如何優(yōu)化編解碼成為網(wǎng)絡(luò)編碼實際運用的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這里我們采用比較常見的系統(tǒng)向量技術(shù)和稀疏網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)。系統(tǒng)向量使得解碼運算的運算量大大降低。稀疏網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)使得整個編碼矩陣在保證矩陣滿秩的前提下，大部分矩陣值為0，有限的非0數(shù)據(jù)又恰到好處地保證了解碼的順利進行。這兩種技術(shù)有效地保證了運算量的降低，特別適合運算能力有限的視頻監(jiān)控節(jié)點。

本文利用網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)來進行視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸。實驗結(jié)果表明，此方案有效地提高了視頻傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時降低了監(jiān)控節(jié)點的能量消耗。

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