H.264/AVC在無線環(huán)境的應用_移動_視像通訊_CTI論壇

H.264/AVC在無線環(huán)境的應用
Thomas Stockhammer, Miska M. Hannuksela, and Thomas Wiegand

2004/03/09

　　摘要----視頻在無線網絡的傳輸對高效率的壓縮和網絡的完善設計是一個極具挑戰(zhàn)性的任務。這已經成為H.264/AVC編碼標準化在非正式應用（如可視電話）和正式應用（如存儲、廣播、流媒體）領域的主要目標。H.264/AVC視頻編碼層的視頻壓縮性能有了巨大的提高。基于H.264/AVC的網絡完善設計的目標是通過網絡抽象層來實現(xiàn)的，這已經被開發(fā)出來用于在任何現(xiàn)有的和將來的網絡包括無線網絡來傳輸經過編碼的視頻數據。本文的主要目標是H.264/AVC在無線系統(tǒng)應用方面的一個概述，其中最重要的是H.264/AVC在無線會話服務中的應用。所有的這些應用都是通過不同的工具以及實驗來證明過的。

I．介紹
　　自1997年以來，ITU-T的視頻編碼專家組（VCEG）就開始制訂一個新的視頻編碼標準并在內部命名為H.26L。在2001年后期，運動圖像專家組（MPEG）和VCEG決定共同成立一個聯(lián)合視頻組（JVT），為ITU-T即將推薦的H.264/AVC以及MPEG-4最新的部分AVC創(chuàng)立一個單獨的技術設計。JVT成立后，技術規(guī)范、標準文檔以及軟件在2002年11月已經制訂下來。H.264/AVC的主要目標就是提高編碼效率和提高網絡適應性。在相同的圖象質量下，H.264/AVC的算法比以前的標準如ITU-T REC.H.263和ISO/IEC JTC 1 MPEG-4的碼流都大為降低。

　　在今天的Internet，對多媒體服務的需求呈現(xiàn)快速增長的趨勢。因此，很多當前和將來的移動網絡，如GSM-GPRS，UMTS和CDMA-2000，包含一個多變的基于包的傳輸模式，幾乎可以在所有的移動終端上進行任何類型的基于IP的的數據傳輸，這樣就可以提供給用戶一個簡單靈活的傳輸界面。第三代合作方案（3GPP）已經選擇了幾個多媒體編碼器包含在他們的多媒體規(guī)范里面。為3G無線系統(tǒng)提供基本的視頻服務，在建立好的規(guī)范里已經集成了H.263和MPEG-4 v SP。這個選擇是在編解碼可管理復雜性的基礎上完成的。

　　由于受無線網絡有限的帶寬資源和傳輸能力的限制，目前市場上最終用戶大部分是按照流量付費的方式來使用無線網絡數據服務的。因此，提高壓縮效率是無線視頻和多媒體應用的主要目標。因此，H.264/ AVC編碼標準成為在多媒體信息服務(MMS)、包交換流服務(PSS)和會話應用方面最有競爭力的候選標準。然而,要使視頻在不同的環(huán)境下傳輸，不但需要高效率的編碼，同時經過編碼的視頻應該很容易地無縫集成到當前和未來的網絡協(xié)議架構當中。除此之外，視頻編碼在會話應用中提高容錯的支持是重要的，這也是在編碼標準化過程中被考慮的因素之一。

　　這篇文章是按照以下結構來組織的，第二部分介紹無線視頻應用的各種應用程序和傳輸特征。采用H.264/AVC編碼的視頻傳輸進行了簡單的討論以及對移動視頻傳輸在普通環(huán)境下的測試的介紹。第三部分總結了H.264/AVC視頻編碼標準在無線視頻應用領域的前景。我們根據不同的視頻服務應用進行了分類描寫。第四部分討論了時延約束和差錯控制這兩個最具挑戰(zhàn)性的應用，也就是無線會話應用程序。在這里通過利用H.264/AVC以及聯(lián)合其它幾個方式的系統(tǒng)設計方案進行了系統(tǒng)描述和問題的表達。第五部分提供了在普通環(huán)境下對所選系統(tǒng)的測試結果。

II．視頻在移動網絡

A.概述：應用和局限性
　　移動終端傳輸視頻流是3G網絡成功的一個重要應用之一。移動終端的幾個最新視頻應用為3G應用提供了很好的鋪墊。

以下三個主要的服務標志著H.263/AVC標準的進程：
1）應用于視頻電話和視頻會議的電路交換和包交換會話服務（PCS）
2）應用于直播和視頻錄象的包交換流媒體服務（PSS）
3）多媒體信息服務（MMS）

　　雖然新的服務如多媒體廣播/組播服務（MBMS）是未來無線網絡的發(fā)展計劃，但我們被約束成單一的應用程序接受者。移動手持設備受處理器速度和存儲容量的限制，因此，移動視頻編碼的設計必須以最低復雜度和最高效率為目標。正如其它文章所討論的復雜問題一樣，我們將自己約束在傳輸和工具上。以上三點定義的應用可以在預定的的傳輸帶寬里面，最大限度地允許端到端的時延，在不同的系統(tǒng)結構有不同的結果，一個簡單的圖示如圖一。

　　由于MMS沒實時性的約束，編碼，傳輸和解碼完全分離。記錄的視頻信號進行離線編碼和本地存儲。可以在任何時間進行發(fā)送，接受端在完全下載下來后才進行解碼。

　　對于PSS應用程序來講，用戶典型地請求已經編碼好并存放在服務器的隊列。反之編碼和傳輸是分開的，解碼和顯示是在移動設備的時延和內存的使用率最小時開始。

　　最后，在會話服務中端到端的時延已經最小化來避免可視的干擾和保持視頻和音頻的同步。然而，編碼、傳輸和解碼實時地在雙向同時進行。這些不同的額外情況需要不同的策略去編碼、傳輸和解碼, 如下面的網絡和控制結構圖。

　　一般而言，通過無線網絡來傳輸數據的可用帶寬是有限的，用戶則希望他們使用無線網絡所付出的代價與其低帶寬是成正比的。因此，低碼流很適合大眾，在移動環(huán)境的視頻編碼標準的成功取決于壓縮效率。這樣使H.264/AVC成為了無線系統(tǒng)的最佳候選標準，因為它的特點就是高效率壓縮。
除此之外，移動網絡由于受地理環(huán)境、天氣以及多用戶沖突等因素的影響，造成網絡波動較大。頻道變化的頻率高度地依賴環(huán)境、用戶的位置、用戶移動的速度和信號載波的頻率。通過信號統(tǒng)計進行長代碼的平衡是可以充分實現(xiàn)的，因此傳輸策略可以根據長時間的數據測試來進行制訂。在3G系統(tǒng)中應用C語言可以使許多高度復雜的廣播鏈路頻道情況得以優(yōu)化，例如寬帶接入、差異技術、時空編碼、多天線系統(tǒng)、快速控制、交叉以及錯誤修復轉發(fā)。然而,這些高級的技術只是對快速移動的用戶和相對較大時延的應用來提供可以忽略不計的位錯誤和丟包率。通常，由于信道不穩(wěn)定的原因，在低時延的應用里面不得不忽略一些殘留的錯誤。因此,除了高壓縮效率和合理的復雜性,適用于無線環(huán)境會話服務的視頻編碼標準必須具有較高的抗誤碼的能力。

　　另外，在無線系統(tǒng)設計的新方向中不需要將誤碼率降到最低,但是吞吐量的最大化是必須的。這尤其對時延要求不高的服務，例如PSS和MMS。信道的狀態(tài)對服務的使用有很大的影響，在信道狀態(tài)好的時候較可傳輸的數據流大大高于信道較差的時候。除此之外，可靠的鏈路層協(xié)議ARQ（Automatic Repeat reQuest）通常用來保證無錯誤發(fā)送。舉例來說,在高速下載鏈路包訪問(HSDPA)概念中的ARQ，無線系統(tǒng)里有效地提高吞吐量，適應的模塊化方案和多用戶規(guī)劃需要被列入考慮的范圍。

　　3G無線傳輸堆棧通常由二種不同類型的輸送介質組成，專用和共享信道。然而，使用專用信道用戶可以獲得固定帶寬用于傳輸數據，但使用共享信道用戶只有在動態(tài)的帶寬下傳輸數據，類似于ATM或GSM GPRS。HSDPA將會成為共享信道在空中的一個擴展。除了MMS,在3G系統(tǒng)的初始階段所有的流媒體和會話應用都希望使用專用信道。在現(xiàn)代的系統(tǒng)設計中，一個應用可以請求許多不同的服務質量(QoS)級別的其中之一。服務質量級別包含最大誤碼率、最大延遲和最大保證的帶寬等參數。此外,通常根據不同的應用分為不同的服務級別:會話應用、流媒體應用、交互應用以及后臺通信應用。特性和典型的例子見表1。

B.H.264/AVC視頻在無線的系統(tǒng)的傳送

　　根據圖2，H.264/ AVC在不同的概念層上區(qū)分開來，視頻編碼層(VCL)和網絡抽象層(NAL)。VCL和NAL都是H.264/ AVC標準的一部份。VCL對視頻編碼信號進行了有效的說明。H.264/AVC的NAL定義了視頻編碼和外面世界之間的接口。它通過NAL單元來支持大部分基于包的網絡。在NAL解碼接口，它假設NAL單元已經通過解碼命令被發(fā)送，數據包要么被正確接受，要么丟失，如果有效載荷里包括了錯誤的數據流，NAL單元的頭就會產生一個錯誤的標記。由于標記可以用于不同的目的，因此它并不作為標準的一部分。然而,它提供一個在整個網絡里提供錯誤指示信號的方法。此外，接口規(guī)范要求標準化主體有責任對不同傳送協(xié)議進行描述。NAL單元在不同傳輸系統(tǒng)的精確傳輸和加密,例如H.320,MPEG-2系統(tǒng)和RTP/IP,也同樣在h.264/AVC標準化的范疇以外。在標準里面正式定義了NAL解碼接口,然而，VCL和NAL之間的接口只是概念上的定義，主要是幫助描述和分開VCL和NAL的任務。

　　在3G網絡上面的實時視頻服務,兩個協(xié)議堆棧是最重要的。3GPP為電路交換信道定義了一個多媒體電話服務協(xié)議，就是基于ITU-T建議的H.324M。3GPP已經選擇了SIP和SDP作為呼叫控制協(xié)議以及RTP作為媒體傳輸協(xié)議。換句話說，基于IP的包交換通信會在當前應用于包交換的3G移動服務。雖然H.324和RTP/UDP/IP協(xié)議堆棧有不同的根源和完全不同的交換哲學,但媒體數據在傳輸時的丟包、延時等特性在無線網絡和有線網絡都是非常相似的。

　　ITU-T建立H.324主要應用于低碼流的電路交換鏈路，以及低碼流的移動電路交換會話服務。ITU-T Rec. H.324附件C將H.324正式命名為H.324M,允許在中低碼流或低誤碼下高碼流情況下的傳輸。在3GPP采用的H.324M協(xié)議中，包括一個錯誤多路技術協(xié)議H.223附件B，用于電路交換的視頻通信。這個多路技術協(xié)議包括兩層:基于包的多路技術容錯層和公共錯誤檢測性能適應層,例如，順序編號和循環(huán)碼校驗冗余檢測。因此,它跟RTP/UDP/ IP堆棧非常相似。

　　因為包交換服務,3GPP/3GPP2同意了一個基于IP的協(xié)議棧。圖3展示了一個NAL單元通過3GPP2用戶平面協(xié)議堆棧被封裝在RTP/UDP/IP的典型過程。在頭壓縮（RoHC）后，此IP/UDP/RTP包被封裝進一個PDCP/PPP2包，變成了頻率鏈路控制（RLC）和服務數據單元（SDU）。RLC協(xié)議可以在三種模式下工作：透明、非確認和確認模式。RLC協(xié)議為用戶和數據提供分段和重傳服務。在透明和非確認模式，RLC被定義為單向的；在確認模式，RLC被定義為雙向的。對於所有的RLC模式，循環(huán)冗余檢查(CRC)的錯誤檢測在物理層上被運行，而且CRC檢查的結果和真實的數據一起被遞送到 RLC。在透明模式中，沒有上層的協(xié)議被增加到較高層的數據中。錯誤的協(xié)議數據單元（PDUs）可以被丟棄或標記為錯誤。在非確認模式中，沒有重傳協(xié)議在使用中，而且數據傳送沒有保證。接受到的錯誤數據根據配置來決定丟棄或標記為錯誤。在確認模式中，一種自動的重復請求機制被用于錯誤訂正。

　　由于視頻包是自然改變長度的,RLC-SDU的長度也改變。如果一個RLC-SDU比一個RLC-PDU長，PDU就會被分割成幾個PDU。在使用過的模式中，非確認和確認的模式中，為了避免數據的減弱，大小可變的RLC-SDU的流動是可變，在透明模式也是如此。在非確認模式中，如果任何包含特定RLC-SDU數據的RLC- PDU數據沒有被正確地接收到,RLC-SDU典型地被丟棄。在確認模式中，RLC/RLP層可以執(zhí)行重傳。

　　此外，H.324和RTP/IP/UDP協(xié)議棧使用可靠的調整和控制協(xié)議，H.245和SIP也分別一樣。因此，它可以表明很少量的控制數據可以在一定的范圍里可靠地傳輸。在兩個情形中的實時低時延的視頻傳輸是非常相似的。包通過底層的傳輸協(xié)議和信道來傳輸, 提供校位、封包、錯誤檢測和可靠的調整。我們將來的焦點集中在通過無線信道進行基于RTP/IP的傳輸。

C. 無線視頻的普通測試環(huán)境
　　在H.264/AVC的標準化進程中，移動視頻傳輸的重要性已經在3G移動傳輸里面通過對基于H.324M的電路交換會話服務、包交換會話和流服務得到了證實。這些測試情況允許適當的編碼特征、測試和容錯仿真等特征的選擇,同時也可以得到有意義的測試結果。在本文，我們將會把重心集中在基于IP的測試情況。在正常的測試情況下，我們會定義6個測試情形組合，主要測試通過3G移動網絡的包交換會話服務和包交換流媒體服務。另外，測試環(huán)境包括簡單的脫機3GPP/3GPP2仿真軟件、程序接口和評估標準。無線信道使用專門生產用于移動無線信道仿真的位率差錯模板來進行仿真。位率差錯模板在物理層上和RLC/RLP層下來捕獲，因此，它們在實驗被用于物理層仿真。通過位率差錯模板實驗中得出的碼率、長度、位錯誤率和移動速度數據詳見下表2。

　　位率差錯在文件中的是獨立統(tǒng)計統(tǒng)計,正如信號在3G系統(tǒng)編碼和解碼的時候發(fā)生錯誤一樣。這為以下的位率差錯模板文件所考慮。數組1和2 適合應用于視頻流媒體,數據在RLP/ RLC層可以重傳而且可以修正許多丟失的幀。可以接受的信道編碼策略是使用C語言的編碼策略以及目標吞吐量最大化和錯誤最小化的能力控制。數組1和2 對會話服務是不切實際的,因為在圖象質量可以接受的情況下，在沒有重傳機制的情況下不能夠承受如此高的錯誤碼流。

　　數組3到6的仿真結果更可靠，在會話應用中需要低錯誤率的運送者。假定一任意的字節(jié)的開始位置在文件包可能發(fā)生錯誤的位置里面。這些錯誤可能性的所有數據錯誤在圖4中被顯示。明顯可以看出錯誤率會因為包長度的增加而提高。從位率錯誤表格(BEP1和2)可知，當包長度減少的時候丟包率是不可以接受的, 舉例來說，500個字節(jié), 丟失可能性高達25%. 高的錯誤率需要在鏈路層上重傳。

　　這個圖表為合適包長度的會話服務提供了非常有分寸的錯誤特性分析。1000字節(jié)的合理包長度的錯誤特性可以低于5%. 這意味典型的固定英特網丟包的可能性不會被超過。但要注意，高速移動(50 km/h)的用戶的信道狀況比步行(3 km/h)用戶要差得多。因此，快速移動用戶的錯誤率通常高與慢移動的使用者。

　　在標準化的過程中，標準的開始應該包含基于IP的有線和無線傳輸的容錯特征。在今天的傳輸系統(tǒng)中通常有兩種類型的錯誤：錯位和丟包。然而，所有相關多路傳輸協(xié)議如H.223和UDP/IP和幾乎所有的移動系統(tǒng)都具備通過數字排隊和塊檢測排隊來進行丟包和錯位檢測的能力。因此，可以斷定大部分被錯誤傳輸的包都能夠被檢測到。而且，即使包被檢測到包含位錯誤,解碼也可以被嘗試進行。這一點在某些研究已經被證實,在一些方案中，靜止圖的像傳輸已經被報告。然而，在H.264/ AVC 標準的開發(fā)考軟件里面，基于以下的幾點原因，含有位錯誤的包應被接受者考慮丟棄:

　　1. 處理含有位錯誤的包類似于通過移動設備來接收數據一樣，網關和接收者都是通過丟棄錯誤的包來使用網絡連接的。
　　2. 聯(lián)合的源信道解碼, 例如，可變長度基于架構的代碼解碼或重復的源和信道解碼可以被接受。然而，這些技術還沒有在圖像解碼方面顯示重要的進步。
　　3.基于丟包的解碼適合于在一個較窄的范圍里進行，然而，H.264/AVC提供一個可用的針對錯誤傾向環(huán)境下的解碼。
　　4. 最后,處理位錯誤通常會使解碼軟件的實現(xiàn)變得很復雜。H.264作為一個為許多目標開發(fā)測試的模型，只有簡單和有意義的網絡借口已經被集成。

　　除了定向接收器的錯誤檢測，錯誤可能在傳輸路徑的任何地方被發(fā)現(xiàn)并且馬上發(fā)送信號。RTP草案里面關于H.264/ AVC有效載荷的定義里面包含了超出有效載荷指示的定義。當重新發(fā)送接收到的被修正錯誤的數據流的時候發(fā)射器能設定這個指示。此外，如果傳輸錯誤在相應的數據包中被發(fā)現(xiàn)，任何的中間網絡元素能消除這個標記。因此,錯誤的有效載荷可以通過一個網絡，而且解碼器或任何網關能決定是否將這個錯誤的NAL單元解碼或丟棄。

廣州富年電子科技公司摘譯供稿 CTI論壇編輯

相關鏈接:

富年科技獲“2006移動流媒體最佳應用”三項大獎 2007-04-24

流媒體業(yè)務3G前夜添“堵” 2006-11-13

MBMS－移動網絡中的廣播(組播)電視業(yè)務 2006-06-05

富年科技推出手機高保真整曲音樂下載和在線播放解決方案 2005-12-21

3GPP移動視頻編解碼專利許可狀況 2005-09-20

分類信息: 移動_與_視像通訊文摘行業(yè)_移動_新聞技術_視像通訊_文摘