無線視頻監控傳輸技術的研究

2 無線視頻傳輸機制分析與容錯傳輸技術
可靠信道上信號傳輸研究的目的是充分利用信道的帶寬資源；而對于不可靠信道，傳輸中研究的重點則是充分利用帶寬資源來實現可靠傳輸，即容錯傳輸技術。這里討論在無線信道上的視頻傳輸機制，其主要的研究點是容錯傳輸控制。容錯傳輸控制技術根據其控制方式的不同可以分為三大類：即前向錯誤控制、基于反饋的ARQ和信源信道聯合編碼。前向錯誤控制(Forward Error Control，FEC)包括信道糾錯編碼技術、交織打包技術和優化的包調度機制等。基于反饋的ARQ技術包括利用多幀參考機制的參考幀選擇(Reference Picture Selection，RPS)機制、混合ARQ(Hybrid，HARQ)機制和基于ARQ的反饋錯誤跟蹤技術。由于基于ARQ的容錯傳輸控制技術具有優良的性能，所以在此重點介紹ARQ相關的傳輸控制技術，并討論現有視頻容錯傳輸機制存在的不足。
前向錯誤控制采用前向糾錯編碼的方式來克服信道錯誤。在信道出錯概率波動比較劇烈的情況下(如現有的移動信道)，為了獲得一定的傳輸質量，前向糾錯編碼必須根據當前估計的最差情況來增加冗余校驗比特，這會導致帶寬資源的浪費。對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技術和前向錯誤控制結合起來，稱為HARQ技術。HARQ分為兩類：I類HARQ中，發送端的前向編碼要具有一定的糾錯能力，當接收端發現錯誤后，首先利用前向糾錯編碼來糾正錯誤。如果錯誤被糾正，則向發送端傳送一個當前包接收成功的反饋信息(ACK)，反之則發送接收失敗消息(NACK)。發送端如果收到ACK，則繼續發送下一個數據包，否則，則重發出錯的數據包。由此可見I類ARQ需要較強的前向糾錯編碼，在錯誤率較低的應用場合會導致帶寬資源的浪費，但在錯誤率高的環境下能夠獲得比其他類型ARQ機制更好的吞吐效率。Ⅱ類ARQ中只要求前向糾錯編碼具有檢錯能力即可，根據關于信道編碼糾錯能力的理論可知，這可以起到節約帶寬的作用。當接收端發現錯誤后，發送重傳請求；發送端只傳送出錯數據對應的具有糾錯能力的校驗碼。當接收端收到后，如果仍然不能糾正錯誤，則繼續發送重傳請求，發送端可以選擇重傳整體出錯數據和校驗碼，也可以選擇發送更強糾錯能力的校驗碼，具體因控制策略不同可有所調整。鑒于無線信道錯誤率高，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，圖中虛線框代表了傳輸中錯誤控制的流程。根據HARQ-I的設計原理，接收端發現錯誤后，首先進行前向錯誤糾正(圖中第一層錯誤屏障)，如果不能糾正且當前系統滿足時延限制，則發送ACK請求來讓發送端重傳出錯部分的數據(第二層錯誤屏障)。這樣的重傳可以重復到接收端收到正確的數據或者重傳延遲超出系統時延限制為止。如果重傳結束后仍然不能得到正確的數據包，在接收端就會用錯誤隱藏技術來進行錯誤恢復(第三層錯誤屏障)。可以看出，這種機制的基本思想是出錯后盡量使用ARQ技術來恢復錯誤，所以這里將其命名為“盡力而為”ARQ機制(BestEffortARQ，BEA，RQ)。

由于視頻信號具有較強的時空相關性，而且編碼端并不能完全去除這種相關性，使得解碼端能夠利用這些殘留的相關來恢復一定質量的視頻。恢復的質量還和被恢復部分的紋理以及運動密切相關，一般而言，對紋理比較平緩和運動比較單一的部分，恢復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，顯然會造成帶寬上的浪費。
為了克服這種帶寬上的浪費，在實際應用中，由于信道的錯誤率和重傳次數有密切的關系，而每次重傳都要耗費一定帶寬，所以成功傳輸一個數據包需要的帶寬和信道錯誤率相關。考慮到這個因素，利用帶寬一失真代價函數的概念，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，而且還和信道的錯誤率(丟包率)以及終端錯誤恢復技術相關。將其作為衡量視頻包是否應當予以重傳的準則。在此基礎上，采用優化的端對端傳輸機制，該機制中通過在編碼端根據當前信道狀況和解碼端所采用的錯誤隱藏算法，預先判定每一部分的出錯恢復模式，解碼端根據這個模式信息來決定采取ARQ還是錯誤恢復。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，提高了系統帶寬使用效率。