基于多路并行的3G视频传输系统设计与实现

万云杰，张 磊，吴泽民，柳 林

(1.解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007；2.海军92665部队，湖南 慈利 427200；3. 中船重工集团第722所，湖北 武汉 430079)

基于多路并行的3G视频传输系统设计与实现

万云杰1,2，张 磊1，吴泽民1，柳 林3

(1.解放军理工大学 通信工程学院，江苏 南京 210007；2.海军92665部队，湖南 慈利 427200；3. 中船重工集团第722所，湖北 武汉 430079)

针对3G视频传输时低带宽、高丢包以及不稳定的特点，提出一种利用WCDMA和CDMA2000多张网卡并行传输720P高清视频的方案。该方案通过测试WCDMA和CDMA2000两种3G上行带宽，分析了3G上行的特点，确定了使用3G网卡的数量；提出了一种带宽自适应方案和一种换路丢包重传算法。测试结果显示，该方案能够很好地聚合带宽、增强传输鲁棒性，将丢包控制在1%以下，并且能够流畅的传输视频。

3G；视频传输；带宽聚合；带宽自适应；丢包重传

第三代移动通信在MTSI(Media Telephony Service for IMS)中提供了视频通信的功能[1]。这种3GPP标准支持将H.264/AVC视频数据封装在RTP中进行传输[2]。MTSI这种典型的移动多媒体传输系统对端到端的延迟要求不超过 400 ms[3]， 以保证可接受的视频质量和良好的用户体验。然而，信号衰减、设备移动、其他用户接入以及其他原因都将引起带宽抖动并且造成网络拥塞[4]。无线误码丢包、拥塞引起的路由排队丢包以及高延时引起的无效到达包会造成严重的视频质量下降，因此需要尽量避免传输过程中出现严重的丢包现象。

在流媒体传输过程中，需要对网络可用带宽进行感知并且实时改变H.264编码速率和发送速率[5]。当信道质量突然降低时，发送端将通过某种机制感知到可用带宽的降低，并且改变编码和发送速率。当编码速率降低时，视频质量也随之下降。特别地当可用带宽下降得特别厉害甚至网络断开时，视频传输接近中断。此时，视频传输的鲁棒性得不到保障[6]。

针对上述问题，本文设计了一种基于多3G链路聚合的传输方案，提出了一种可用的网络自适应方案降低丢包率，利用多路3G负载均衡在聚合带宽[7-8]的同时增强系统的鲁棒性，同时提出了一种利用高带宽链路重传丢包的方案来加快重传速度以保证视频质量。

1 物理与系统框架设计

1.1 物理框架

本文设计系统分为客户端和服务器端两部分组成。客户端负责采集和发送数据并对速率进行控制，服务器端负责接收、储存和播放视频，并反馈相关信息。其物理框架如图1所示。

图1 物理框架

图1中客户端主要由带摄像头的PC和3G发送模块。客户端通过摄像头采集原始的视频数据、经过H.264编码通过多路3G发送至服务器端。在传输过程中，客户端可通过服务器端反馈回来的RTT值判断网络拥塞状况，并实时改变编码速率以及发送速率，并根据当前情况进行丢包重传。服务器端收到数据后进行H.264解码并播放，同时返回客户端所需参数。

1.2 系统结构框架

在使用3G进行视频传输时，要求在保证实时性的条件下尽可能地提高视频的传输质量。传输层协议TCP能够无损地传输视频数据，但其过多的重传严重影响传输的实时性和效率。面向无连接的UDP协议能够保证传输的实时性，但其本身没有确认、重传以及流量控制机制，无法很好地保障视频传输的质量。

本系统根据3G信道低带宽、高误码、带宽不稳定的特点，在UDP协议的基础上设计了一种带宽自适应方案进行带宽估计与丢包重传，并且利用多路3G聚合带宽、提高重传效率并且增加系统的鲁棒性。其系统结构框架如图2所示。

图2中，视频原始数据经过H.264编码后通过多路UDP发送至服务器端。服务器端接收数据后，通过原路返回相关参数并解码播放。客户端带宽自适应模块收到反馈参数后，计算各路带宽、根据各路带宽调度视频数据并进行相应重传。同时反馈控制参数至编码模块，改变编码参数以适应网络传输。

图2 系统结构框架

2 视频传输方案

2.1 使用3G网卡数量

使用多路3G网卡进行视频传输是为了聚合带宽、负载均衡的传输视频数据，同时通过信道质量最好的链路重传。当其中一条或者多条链路出现带宽急剧下降时不会出现断路或者总带宽过低的情况。为确认同种3G在同时使用时相互是否有影响以及同时使用几张网卡稳定性强，进行了多网卡并行传输测试。测试分为单路测试、同种多路测试、异种多路测试。测试系统如图1所示。单路测试时，客户端通过单路3G网卡以恒定速度发送UDP包至客户端，包大小恒为 1 300 byte， 服务器端接收数据并统计平均吞吐量和丢包率。多路测试，客户端使用多张3G网卡并行传输数据，发送速率和包大小同单路相同。每次测试时间为10 min，每种类型的测试进行10次。测试结果如表1所示。

表1 恒定速度发送UDP包情况下的测试结果

测试类型300kbit/s500kbit/s800kbit/s1000kbit/s平均吞吐量/(kbit·s-1)丢包率/%平均吞吐量/(kbit·s-1)丢包率/%平均吞吐量/(kbit·s-1)丢包率/%平均吞吐量/(kbit·s-1)丢包率/%单路WCDMA280358469857762366932273单路CDMA2000284352442983641519381642132路WCDMA574454920561152386219303682路CDMA200055775190017911049228153722453路WCDMA5184521918546317213397162154533路CDMA20006479367950440213552531140495862路WCDMA2路CDMA2000113515917638762825224934967152

表1中的内容为服务器端统计的平均吞吐量和丢包率。测试结果显示，使用恒定速率发送数据，无论发送速率大小均会产生一定丢包。发送速率越大，产生丢包越高。使用两路同种3G并行传输数据时，吞吐量接近单路的2倍，丢包率基本相同，起到了聚合带宽的作用并且没有产生过高的丢包。使用3路同种3G并行传输时，吞吐量与2路相比没有明显提高，丢包率明显上升。同时使用2路WCDMA以及2路CDMA2000并行传输时，吞吐量明显提升同时未引起丢包上升。

通过测试可得出结论，至多2路同种3G在同时使用时相互间不会产生明显影响，可起到聚合带宽作用，3路及3路以上同时使用时会引起吞吐量严重下降并产生过高丢包。不同种类3G在同时使用时，相互间无影响。因此，本系统选择使用4路3G来传输视频，其中WCDMA和CDMA2000各2路。

2.2 带宽自适应

3G上行带宽在实际使用中存在传输带宽低、带宽不稳定的特点，因此在视频传输过程中如果没有带宽自适应机制，视频质量将得不到保障。在传输过程中出现吞吐量下降和丢包时，主要考虑网络拥塞造成。通过测试吞吐量与RTT的关系，可以发现它们之间存在一定的相关性，如图3所示。RTT随着吞吐量的下降而上升，随着吞吐量的上升而下降。本系统带宽自适应的基本思想是当RTT在一定范围内时增加或降低发送速率，最大程度减少丢包，同时减轻网络拥塞使网络快速恢复。

图3 吞吐量与RTT关系

本系统将网络拥塞程度分为5个状态，分别是欠载、满载、过载、轻度拥塞以及严重拥塞。欠载指网络目前负载很低可以大幅度提高发送速度；满载指网络已接近最大负载但仍可小幅度提高发送速率；过载指网络已接近拥塞时不能提高发送速率可保持发送速率不变等待其自动恢复；轻度拥塞需要小幅度减轻发送速率；严重拥塞时必须将发送速率降至最低以保证其快速恢复。通过测试，CDMA2000和WCDMA在均欠载情况下RTT值有差别，所以在定义其状态时，临界点有差别。其带宽估计值具体定义为

(1)

(2)

式中：B为估计带宽，b为上次发送速率，单位均为kbit/s。经过带宽自适应后，客户端的发送速率随信道带宽的变化而变化。多路负载均衡传输为聚合带宽和提高系统鲁棒性提供了重要保障，系统不会因为某一路带宽下降而引起总的发送速率下降，也不会因为某一路接近断路而中断视频传输。加入带宽自适应方案后，重新测试了平均吞吐量和丢包率，测试时最低发送速率为30 kbit/s,WCDMA最高发送速率为 1 000 kbit/s, CDMA2000最高发送速率600 kbit/s。每次测试 10 min， 每种类型测试10次。测试结果如表2所示。表2结果显示，加入带宽自适应方案后，对比表1在相同吞吐量情况下，丢包率明显降低。

表2 带宽自适应测试结果

测试类型平均吞吐量/(kbit·s-1)平均丢包率/%单路WCDMA9403420单路CDMA200053784502路WCDMA2路CDMA200028356470

2.3 换路丢包重传

经过带宽自适应和多路负载均衡虽然能够很大程度地减少丢包，仍然不能将丢包控制在可接受范围内。为了进一步降低丢包，需要加入丢包重传机制。由于丢包的主要原因是网络拥塞，因此重传时选择网络状况最好一路重传，避免重传包再次丢失。为了保证视频传输的实时性和传输效率，丢包只重传一次。

换路重传算法为每路3G链路分配1个等待队列和s个重传队列。客户端发送视频数据包后，将该包添加到等待队列中。服务器每收到1个包返回1个ACK，客户端通过收到的ACK计算RTT用于带宽自适应，同时ACK用于判断是否丢包。收到对应ACK后，从等待队列中移除该包，规定时间内没收到ACK的包将会被放入当前估计带宽最高的链路重传队列中。每条链路在发送数据前首先检查本链路重传队列中是否有数据需重传，如果有则先发送重传队列中的数据，然后发送新的视频数据。在带宽自适应方案上加入重传后重新测试平均吞吐量和丢包率，结果如表3所示。表3显示加入丢包重传后，虽然平均吞吐量有所下降，但丢包率被控制在1%以下，满足视频传输的需求。

表3 加入丢包重传测试结果

测试类型平均吞吐量/(kbit·s-1)平均丢包率/%单路WCDMA9139062单路CDMA200048930762路WCDMA2路CDMA200023357059

3 系统实验

系统实验的客户端和服务器端都使用装有ubuntu12.04的PC，使用4张3G网卡进行视频传输，其中WCDMA和CDMA2000各2张。测试结果使用Video-BLIINDS质量评估算法[9]进行评估。Video-BLIINDS是一种无参考视频质量评估算法，它的性能目前已经和全参考接近。为对比各种传输结果，测试时选用相同720P高清测试序列代替摄像头采集视频。实验类型分为无传输控制和有传输控制，其中无传输控制时WCDMA和CDMA2000的发送速率分别设置为 500 kbit/s 和700 kbit/s。每种实验进行10次测试，每次测试时间为10 min。实验结果如表4所示，有传输控制时平均吞吐量、平均丢包率和评估得分均好于无传输控制，有传输控制的评估得分接近原始评分。实验结果证明视频传输控制方案能够聚合带宽、降低丢包，并清晰传输高清视频。

表4 系统实验结果

测试类型平均吞吐量/(kbit·s-1)平均丢包率/%评估得分原始视频评估无无803无传输控制213211400689有传输控制24676072796

4 总结

随着移动传输技术的飞速发展，4G已经开始投入使用。虽然4G网络的传输速率远高于3G，但是目前4G仍然存在覆盖范围小、上行带宽不稳定以及网络拥塞导致带宽突降等情况，仅使用单路进行传输在鲁棒性方面仍然得不到很好的保证。本文提出的视频传输控制方案可扩展至多4G链路，3G、4G混合传输以及其他多链路混合传输场景。

[1] 3GPP TS 26.114, IP Multimedia Subsystem (IMS): Multimediatelephony; media handling and interaction[EB/OL].[2015-01-10].http://www.3gpp.org/ftp/specs/html-info/26114.htm.

[2] ITU-T Rec. H.264, Advanced video coding for generic audio visual services[S].2003.

[3] 3GPP S4-080771, MTSI video dynamic rate adaptation: evaluation framework ver 1.0[S].2008.

[4] 徐峻峰，于中华，陈思思.基于多手段融合的便携式无线视频传输系统[J].电视技术，2013，37(11)：115-117.

[5] 史惠，孟放，姜秀华.基于H.264码流的商清视频质量评价算法[J].电视技术，2009，33(11)：113-116.

[6] 颜菲菲，高胜法，刘晓兰.远程视频监控系统的安全可靠性研究[J].计算机工程与设计，2007，26(9)：2494-2496.

[7] 刘开梦，何维，田增山.车载双模无线视频监控系统的设计与实现[J].电视技术，2012，36(5)：99-102.

[8] 林科文.基于多链路聚合的无线实时视频传输系统[D].上海：复旦大学，2010.

[9] SAAD M A，BOVIK A C，CHARRIER C. Blind prediction of natural video quality[J].IEEE Trans.Image Processing，2014，23(3)：1352-1365.

责任编辑：任健男

Design and Implementation of Multipath Based 3G Video Transmission System

WAN Yunjie1，2, ZHANG Lei1,WU Zemin1, LIU Lin3

(1.CollegeofCommunicationsEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China;2.Nevy92665,HunanCili427200,China;3.No.722ResearchInstitute,ChinaShipbuildingIndustryCorporation,Wuhan430079,China)

In order to solve the problem caused by the characteristic of 3G video transmission, that is low-bandwidth, high packet drop rate and instability,a 720P high definition video transmission scheme using multi network cards of WCDMA and CDMA2000 is proposed. The number of network cards by testing the upload bandwidth of WCDMA and CDMA2000 is determined and 3G uploading characteristics are analyzed in this paper. Besides, a bandwidth adaptive scheme and an algorithm of retransmission is proposed. The test results show that the newly proposed scheme can aggregate bandwidth, improve the robustness of transmission, decrease the packet drop rate to under 1% and transmit video smoothly.

3G; video transmission; bandwidth adaptive; retransmission

TN915.43

A

10.16280/j.videoe.2015.19.029

2015-02-05

【本文献信息】万云杰，张磊，吴泽民，等.基于多路并行的3G视频传输系统设计与实现[J].电视技术,2015，39(19).