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关于无线视频监控传输技术详解

时间:2015-6-16 15:58:18 作者:管理员 点击数:

随着无线技术的日益发展,无线传输技术应用越来越被各行各业所接受。无线监控作为一个特殊使用方式也逐渐被广大用户看好。其安装方便、灵活性强、性价比高等特性使得更多行业的视频监控系统采用无线监控方式,建立被监控点和监控中心之间的连接。在无线监控传输技术中,就要考虑到可靠信道上与不可靠信道上的信号传输,也就是要研究容错传输控制技术!

    可靠信道上信号传输研究的目的是充分利用信道的带宽资源;而对于不可靠信道,传输中研究的重点则是充分利用带宽资源来实现可靠传输,即容错传输技术。这里讨论在无线信道上的视频传输机制,其主要的研究点是容错传输控制。容错传输控制技术根据其控制方式的不同可以分为三大类:即前向错误控制、基于反馈的ARQ和信源信道联合编码。前向错误控制(Forward Error Control,FEC)包括信道纠错编码技术、交织打包技术和优化的包调度机制等。基于反馈的ARQ技术包括利用多帧参考机制的参考帧选择(Reference Picture Selection,RPS)机制、混合ARQ(Hybrid,HARQ)机制和基于ARQ的反馈错误跟踪技术。由于基于ARQ的容错传输控制技术具有优良的性能,所以在此重点介绍ARQ相关的传输控制技术,并讨论现有视频容错传输机制存在的不足。

  前向错误控制采用前向纠错编码的方式来克服信道错误。在信道出错概率波动比较剧烈的情况下(如现有的移动信道),为了获得一定的传输质量,前向纠错编码必须根据当前估计的最差情况来增加冗余校验比特,这会导致带宽资源的浪费。对带宽资源本来就有限的无线信道而言,显然是不能满足要求的。为此,考虑把ARQ技术和前向错误控制结合起来,称为HARQ技术。HARQ分为两类:I类HARQ中,发送端的前向编码要具有一定的纠错能力,当接收端发现错误后,首先利用前向纠错编码来纠正错误。如果错误被纠正,则向发送端传送一个当前包接收成功的反馈信息(ACK),反之则发送接收失败消息(NACK)。发送端如果收到ACK,则继续发送下一个数据包,否则,则重发出错的数据包。由此可见I类ARQ需要较强的前向纠错编码,在错误率较低的应用场合会导致带宽资源的浪费,但在错误率高的环境下能够获得比其他类型ARQ机制更好的吞吐效率。Ⅱ类ARQ中只要求前向纠错编码具有检错能力即可,根据关于信道编码纠错能力的理论可知,这可以起到节约带宽的作用。当接收端发现错误后,发送重传请求;发送端只传送出错数据对应的具有纠错能力的校验码。当接收端收到后,如果仍然不能纠正错误,则继续发送重传请求,发送端可以选择重传整体出错数据和校验码,也可以选择发送更强纠错能力的校验码,具体因控制策略不同可有所调整。鉴于无线信道错误率高,具有反馈信道的无线传输通常采用HARQ-I。图2显示了采用HARQ-I的无线视频传输系统,图中虚线框代表了传输中错误控制的流程。根据HARQ-I的设计原理,接收端发现错误后,首先进行前向错误纠正(图中第一层错误屏障),如果不能纠正且当前系统满足时延限制,则发送ACK请求来让发送端重传出错部分的数据(第二层错误屏障)。这样的重传可以重复到接收端收到正确的数据或者重传延迟超出系统时延限制为止。如果重传结束后仍然不能得到正确的数据包,在接收端就会用错误隐藏技术来进行错误恢复(第三层错误屏障)。可以看出,这种机制的基本思想是出错后尽量使用ARQ技术来恢复错误,所以这里将其命名为“尽力而为”ARQ机制(Best Effort ARQ,BEA,RQ)。

  由于视频信号具有较强的时空相关性,而且编码端并不能完全去除这种相关性,使得解码端能够利用这些残留的相关来恢复一定质量的视频。恢复的质量还和被恢复部分的纹理以及运动密切相关,一般而言,对纹理比较平缓和运动比较单一的部分,恢复效果要好于其他情况。在这种情况下,如果利用BEARQ来重传这部分视频,显然会造成带宽上的浪费。

  为了克服这种带宽上的浪费,在实际应用中,由于信道的错误率和重传次数有密切的关系,而每次重传都要耗费一定带宽,所以成功传输一个数据包需要的带宽和信道错误率相关。考虑到这个因素,利用带宽一失真代价函数的概念,其核心思想是:在一定的丢包率、信道带宽和传输延迟限制条件下,终端视频的接收质量和传输中所用的带宽不仅和视频信源的率失真性能相关,而且还和信道的错误率(丢包率)以及终端错误恢复技术相关。将其作为衡量视频包是否应当予以重传的准则。在此基础上,采用优化的端对端传输机制,该机制中通过在编码端根据当前信道状况和解码端所采用的错误隐藏算法,预先判定每一部分的出错恢复模式,解码端根据这个模式信息来决定采取ARQ还是错误恢复。这样就有效避免了由于不必要重传而带来的带宽资源浪费,提高了系统带宽使用效率。

  在文中提出了有损信道视频传输中的带宽一失真(Bandwidth-Distortion,B-D)模型,该模型是R-D模型在考虑了信道错误后的对偶模型,有着和R-D相近的形式。一个无线视频传输系统,其性能主要从两个方面来衡量:吞吐效率和接收端重建失真。