摘 要： 通过对基于TD-SCDMA无线视频监控系统的研究，提出了一种无线传输环境下的视频码率动态调整策略。针对TD-SCDMA信道低带宽、高时延、高误码率的特征，该策略可以根据实时网络环境动态调整码率，以便视频数据能够适应其传输。经过TD-SCDMA无线视频系统的实际应用，证明本策略能够有效解决由于TD-SCDMA信道特征给视频传输带来的不利影响。
关键词： TD-SCDMA；帧率；RTP/RTCP
0 引言
随着3G无线通信系统的广泛商用和普及，移动视频业务不断表现出越来越明显的优势。手机电视、手机电影甚至是手机监控都不再是梦想，让用户能够“随时、随地”获取想要的视频信息，极大地满足了用户的视频业务需求。
移动通信技术的迅速发展，推动着视频监控系统向无线领域发展延伸，改变了传统视频监控有人值守、组网复杂和成本高昂等不足。新一代视频监控系统还能通过短信、邮件提醒以及平板电脑等移动终端实施图像查询和实时告警，极大地提升了视频监控的灵活性、实时性和准确性。
传统的无线视频监控系统依赖于无线局域网和基于移动通信网络等网络环境。它们虽然基本满足了视频监控的需求，但是存在着通信距离短、视频传输质量低等劣势。基于TD-SCDMA的无线视频监控系统的优点是移动性很好、适合远程传输、国产化程度高和功耗相对较低等，带宽相对于2G通信系统有了较大提升。然而在研究过程中发现对于高清视频的带宽需求仍显不足，网络易受干扰等，这些影响将不利于高清视频数据的传输处理。
本文基于TD-SCDMA无线视频监控系统研发过程中的实际情况，提出一种解决3G通信系统实际带宽与高清视频需求带宽之间矛盾的新策略。
1 基于TD-SCDMA的无线视频监控系统
1.1 系统架构
基于TD-SCDMA的无线视频监控系统是国产3G技术和视频监控技术统一融合的综合系统。主要由摄像机、视频服务器或录像机、监控中心和监控终端组成。图1是基于TD-SCDMA的无线视频监控系统的架构图。
本系统的数据流分为信令流和视频数据流。监控中心将录像、实时浏览和报警模块发出的控制命令交给SIP协议模块所对应的录像、实时浏览和报警模块进行编码，然后对数据包进行封装，通过TD-SCDMA单元发送到公共网络并由其路由发送到视频服务器端，该设备通过TD-SCDMA模块接收并解析数据内容，取出控制命令并进行信令处理。
数据流由视频采集前端完成采集，源数据通过视频服务器的编码单元进行H.264编码操作[1]，实现模拟视频的数据化，并得到适合通过网络传输的网络提取层（Network Abstraction Layer，NAL）。经过RTP协议和IP协议对NAL单元的处理后就完成了原始码流单元到IP数据的适配，并通过TD-SCDMA单元进行数据发送。反之则完成IP数据到原始视频数据的解适配过程。
1.2 RTP/RTCP协议
在本系统中采用了RTP协议对视频数据NAL单元进行处理，RTCP用于视频数据传输过程中的拥塞控制。实时传输协议RTP(Realtime Transport Protocol)[2]：针对Internet上多媒体数据流的一个传输协议， 由IETF(Internet工程任务组)作为RFC1889发布；实时传输控制协议RTCP(Realtime Transport Control Protocol)[2]：负责管理传输质量，在当前应用进程之间交换控制信息。
2 视频码率动态调整策略
基于TD-SCDMA的无线视频监控系统在数据处理过程中采用了H.264这种高压缩比的编码方式，在保证高清晰度图像的前提下极大降低了视频数据量，为后面的数据处理和网络传输奠定了基础。由于监控终端在移动通信中会出现扇区切换和网络带宽动态变化等情况，所以通常对于无线视频监控系统来说，摄像机发送视频数据的速率应该与网络实时带宽保持协调一致，才能保证传输过程中数据的完整性。
2.1 算法策略分析
本文提出的基于一种新型的动态视频实时网络传输[3]控制方法，可应用于带宽动态变化的网络中，以实现视频在无线条件下的传输。控制方法实现的核心思想是通过视频监控系统对网络时延和带宽实现自动感知，自动调整摄像机的发送速率，以适应视频图像[4]对于视频传输带宽的要求。其实现过程主要分成网络感知和动态调整两大方面。
⑴网络感知：摄像机按每5 s一次的频率发送发送者报告，视频服务器接收后给出应答消息，摄像机的嵌入式处理器根据该应答消息进行实时带宽计算，得出需要调整带宽的标准。
⑵动态调整：摄像机根据计算出的实时网络带宽，调整自身的发送速率以适应实时网络带宽的要求进行变速率发送。
通过这两个处理策略就可以使视频系统自适应调整相应发送状态[5]，使视频传输效果与实时网络状态相匹配。
2.2 详细实现方法
通过以上讨论，速率调整可以基于周期探测网络实时带宽的方式，摄像机根据反馈消息计算出当前的实际带宽容量，与现在的发送速率进行对比，判断需要增加还是减小发送速率，一般用加性增加和乘性减少或乘性增加和乘性减少的方式探测性地调整发送速率，并根据接收端的反馈判断当前探测是否成功。速率调整也可以基于模型，发送方根据TCP连接的吞吐率模型和网络的当前状态获得模型参数，并调整发送速率，带宽测试模型公式如下：
其中，λ是网络带宽；μmt是一次网络传输的最大字节数；τn是数据交互的时间；p是网络平均丢包率。
发送速率将根据以下两个条件进行调整：
⑴ 网络探测获取的实时带宽；
⑵ 发送视频缓冲区将满的最小发送频率。
网络带宽探测调整，应该以滑动窗口的方式进行发送阈值的选择。滑动窗口动态移动，不断调整发送阈值，避免引起发送端的震荡状态。
客户端根据丢包率和视频延时判断当前网络状况。客户端根据视频数据包中的数据包序列号字段计算丢包率，根据时间戳字段计算视频延时，结合两者判断当前网络状况，并给监控终端发送反馈信息报。
摄像机端通过网络视频服务器给用户发送视频数据，它通过反馈信息包的信息，结合上述公式计算出λ，这个值体现了当前网络实际情况。由于μmt需结合TD-SCDMA网络视频的测试进行取值（200 B），算出每秒发送数据包的最大数量应该小于等于λ。这种方式需要设计一个缓冲区系统进行视频报文的缓冲，把视频报文的发送速率控制在一定范围内，使摄像机的发送速率与视频服务器端的接收速率保持一致。这样就能在网络带宽因环境影响改变时保证视频传输的实时性和正确性。
动态视频实时网络传输控制方法的核心是协调视频质量与变化网络带宽之间的矛盾。其主要目标是把摄像机的数据输出量控制在一定的水平上，同时确保发送端缓存区不丢失数据。视频在TD-SCDMA网络环境上的传输与该网络有关，而视频服务器获得的监控画面质量与摄像机的发送速率及网络环境有关。根据视频服务器缓存的大小以及接收端返回的RTCP反馈数据，可以得知接收端的当前状态；再结合当前瞬时摄像机缓存的数据占有量与设定的阈值之间的关系，摄像机数据通过视频质量控制进行处理后得到参考视频质量。并根据此参数进行数据发送速率的调整，从而使得视频报文的发送速率与不断变化的无线网络带宽相匹配。
此方法是一个反馈控制系统，采用线性化模型进行分析。用snd(t)表示发送缓冲区的数据占有量；rec(t)表示接收缓冲区的数据占有量；qu(t)表示参考视频质量；h表示给定的阈值。为了防止发送缓冲区溢出，采用阈值控制的策略，每当发送方缓冲区的数据占有量snd(t)小于一给定阈值h时，数据帧调度器就从存储设备取下一帧数据放到发送方缓冲区中。不断重复该过程直到发送方缓冲区的数据占有量超过h值：
其中，p、s是常数。若参数p和s满足p<1，s<1，则系统稳定。因此，此系统可以近似认为稳定，从而接收缓存区的数据保有量将趋于稳定。
3 仿真及结果分析
基于缓存区[6]的报文发送控制方法中主要有3个功能模块。摄像机端实现发送缓冲控制模组、视频质量和发送速率控制模组；视频服务器端实现接收缓冲区监视模组。发送缓冲监视模组时刻监测发送缓冲区的空满程度，并把参数snd(t)发送给视频质量控制模组和发送速率控制模组。视频质量和发送速率控制模块通过上述公式计算出参考视频质量Ref(t)，从而自动调整发送速率。调整前后的仿真参数如表1、表2所示。
通过测试仪可以看到，在通过未进行自动调整发送速率的系统进行传输时，网络丢弃报文数量较大以至于无法在视频服务器端进行NAL单元重组，无法在显示设备进行显示；通过调整，测算出当网络带宽为107 KB/s时，动态调整帧率为8 f/s，可以通过舍弃冗余字节和非关键帧，控制发送速率在96 KB/s范围内，保证报文丢失数量在10个左右，显示设备可以显示视频图像。
图2描述了随着网络带宽的变化，实际发送报文速率也会相应变化。可以看出二者变化速率的相关性。当网络带宽由115 KB/s变化为107 KB/s时，摄像机和视频服务器之间通过发送者报文和接收者报文进行通信，摄像机处理模块根据通信交互协议计算出当时网络的实际带宽和时延，并设定发送缓冲区深度，降低视频帧的存储数量，从而达到降低发送速率的目的。从测试结果来看，本策略能够动态感知网络环境，调整发送频率，保证高清视频数据在TD-SCDMA无线信道上的传输。
4 结论
上述研究中，摄像机和视频服务器之间通过软件协议来获知当前网络的实时状况，并且通过发送缓冲区和接收缓冲区来动态调整发送速率。仿真结果表明这种方式可以增强高清视频报文在TD-SCDMA无线信道上的传输能力，减轻了发送方和网络承载的负担，保证了视频图像的质量，能够适用于远程无线视频监控系统的构建。
参考文献
[1] 成嘉. 基于H.264的无线视频监控系统的设计与实现[D]. 广州:华南理工大学, 2006.
[2] RFC3550.RTP:A transport protocol for real-time applications[S].
[3] 鲁士文. 计算机网络协议和实现技术[M]. 北京:清华大学出版社, 2000.
[4] 杨天怡. 图像通信与监控系统[M]. 北京:中国铁道出版社, 1994.
[5] 朱慧冬.视频码流自适应的3G无线传输终端的设计与实现[D]. 南京:东南大学, 2011.
[6] 郝力,戴青,王晓燕,等. 一种基于UDP的终端缓冲区自适应调整方法的研究[J]. 广东通信技术, 2006,26(1):1-2.