H3C視訊會(huì)議網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)技術(shù)白皮書

概述及NAA技術(shù)

1 概述

    由于IP寬帶網(wǎng)絡(luò)不斷普及，一般單位在建設(shè)視訊會(huì)議時(shí)都會(huì)考慮在IP寬帶網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行。由于視訊會(huì)議中需要實(shí)時(shí)交換視音頻數(shù)據(jù)，所以在IP視訊會(huì)議中視頻和音頻信息采用承載在UDP上的RTP通道進(jìn)行傳輸，RTP不提供任何機(jī)制來確保數(shù)據(jù)的按時(shí)發(fā)送或保證服務(wù)的質(zhì)量，甚至不能保證分組數(shù)據(jù)的順序遞交，一旦中間傳輸網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)點(diǎn)異常如網(wǎng)絡(luò)擁塞、震蕩就會(huì)導(dǎo)致接收端接收到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生丟包、亂序、延時(shí)等現(xiàn)象，使得接收終端不能解碼出流暢聲音與圖像，出現(xiàn)聲音停頓、圖像馬賽克等現(xiàn)象。

2 NAA技術(shù)

    在視訊會(huì)議中由于RTP通道不能為視音頻數(shù)據(jù)提供良好的Qos保障，導(dǎo)致視訊會(huì)議在實(shí)際應(yīng)用中效果受到很大影響，杭州華三通信技術(shù)有限公司在充分分析問題的基礎(chǔ)上，依靠自身在IP領(lǐng)域技術(shù)雄厚積累與視音頻技術(shù)深入研究，提出了視訊會(huì)議NAA（Network Auto-Adaptability，網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)）技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱“NAA”），為視訊會(huì)議提供端到端良好的Qos保障。 NAA在傳輸層面與編解碼層面對(duì)視音頻的質(zhì)量進(jìn)行了特性保障：

2.1 傳輸層

2.1.1 PQ隊(duì)列

    視訊會(huì)議端點(diǎn)設(shè)備支持IP DiffServe服務(wù)模型。在視音頻報(bào)文發(fā)送之前把報(bào)文優(yōu)先級(jí)設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)（如下圖中的“緊急報(bào)文”），當(dāng)路由設(shè)備接收到這些視音頻報(bào)文會(huì)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)，報(bào)文的丟失率和時(shí)延這兩個(gè)性能指標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)也可以有一定的保障。

圖1 PQ隊(duì)列處理過程示意圖

    在報(bào)文到達(dá)路由設(shè)備接口后首先對(duì)報(bào)文進(jìn)行分類，然后按照?qǐng)?bào)文所屬的類別讓報(bào)文進(jìn)入所屬隊(duì)列的尾部，在報(bào)文發(fā)送時(shí)按照優(yōu)先級(jí)總是在所有優(yōu)先級(jí)較高的隊(duì)列中的報(bào)文發(fā)送完畢后再發(fā)送低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的報(bào)文，這樣在每次發(fā)送報(bào)文時(shí)總是將優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文先發(fā)出去，保證了屬于較高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的報(bào)文有較低的時(shí)延與丟失率。

2.1.2 冗余糾錯(cuò)

    在傳輸帶寬允許的情況下，在發(fā)送端對(duì)重要的宏塊進(jìn)行冗余編碼，發(fā)送給對(duì)端，這樣的話當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常出現(xiàn)丟包時(shí)，可以最大限度保護(hù)重要的編碼宏塊不丟失。如下：

圖2 冗余糾錯(cuò)處理過程示意圖

    當(dāng)?shù)?個(gè)包在傳輸過程中丟失時(shí)，由于包“3”被冗余編碼到第4個(gè)傳輸包中，在對(duì)端接收到碼流后還可以正常重構(gòu)出包“3”。

2.1.3 丟包重發(fā)

    利用實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP反饋信息提供丟包重發(fā)功能，當(dāng)接收端檢測(cè)到有丟包時(shí)，判定對(duì)端是否來得及進(jìn)行重發(fā)，可以的話通過RTCP控制信道向發(fā)送端請(qǐng)求重發(fā)。

圖3 丟抱重發(fā)處理過程示意圖

    圖中包“2”在傳輸過程中丟失，接收端根據(jù)包往返時(shí)間及包解碼等待時(shí)間判定包“2”可以在容許的時(shí)間內(nèi)重新傳送到接收端，所以通過RTCP通道向發(fā)送端請(qǐng)求包“2”重發(fā)。

2.1.4 帶寬自適應(yīng)

    在RTP會(huì)話期間，各會(huì)議參與者周期性地傳送RTCP包，RTCP包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計(jì)資料。因此，發(fā)送端可以利用這些信息動(dòng)態(tài)地改變傳輸速率以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的異常變化，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)降低發(fā)送速率，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時(shí)恢復(fù)正常發(fā)送速率。RTP和RTCP配合使用，它們能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率達(dá)到最佳化。

圖4 帶寬自適應(yīng)處理過程示意圖

2.1.5 抖動(dòng)重整

    由于收到中間路由交換時(shí)延抖動(dòng)、擁塞影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包到達(dá)接收端產(chǎn)生亂序現(xiàn)象，這樣直接把數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼的話會(huì)導(dǎo)致圖像出現(xiàn)停頓、馬賽克等現(xiàn)象，接收端會(huì)進(jìn)行一次抖動(dòng)重整，按照接收到包的時(shí)戳恢復(fù)數(shù)據(jù)包原來的順序。

圖5 抖動(dòng)重整處理過程示意圖

NAA技術(shù)之編解碼層

2.2 編解碼層

2.2.1 錯(cuò)誤恢復(fù)編碼

    編碼器采用多描述編碼（MDC），多描述編碼是一種有效的錯(cuò)誤恢復(fù)編碼方式，多描述編碼將同一個(gè)源編碼成多個(gè)獨(dú)立的子流，稱為描述，各個(gè)描述是相關(guān)的，有著同樣的重要性，每個(gè)描述符可以獨(dú)立被解碼并重構(gòu)出可用的原始信號(hào)，提供一個(gè)基本級(jí)別的視頻質(zhì)量，多描述符間存在關(guān)聯(lián)的互補(bǔ)信息，隨著正確地接收到的描述符數(shù)量的增加，解碼出的圖像質(zhì)量也逐步提高，多個(gè)描述一起提供改善的質(zhì)量。

采用多描述編碼還可以利用其他描述符中未受損害的幀來修復(fù)本描述符中受損的幀，即使是兩個(gè)描述符都遭受了分組丟失，只要這兩個(gè)描述符遭受的分組丟失不是同時(shí)發(fā)生的，他們?nèi)匀豢梢跃S持有用的視頻質(zhì)量。

2.2.2 錯(cuò)誤隱藏

    采用包括幀內(nèi)宏塊更新、多片(slice)、片交織、數(shù)據(jù)分割、靈活排序等錯(cuò)誤隱藏和控制技術(shù)，在存在IP網(wǎng)絡(luò)丟包和無線網(wǎng)絡(luò)誤碼的情況下，盡可能的提供視頻數(shù)據(jù)的恢復(fù)，降低對(duì)圖像質(zhì)量的影響。如下示例中，當(dāng)接收端發(fā)覺包“2”傳輸過程中已經(jīng)丟失而無法彌補(bǔ)或者出現(xiàn)不可恢復(fù)的錯(cuò)誤時(shí)，接收端根據(jù)圖像時(shí)間與空間關(guān)聯(lián)性，預(yù)測(cè)出包“2”，插入到正常圖像序列中，保證圖像流暢性。

圖6 錯(cuò)誤隱藏處理過程示意圖

2.2.3 可選的H.264

    視訊會(huì)議產(chǎn)品中集成H.264編解碼技術(shù)，其編碼效率比傳統(tǒng)的H.263、MPEG4等編碼方式提高了30％到50％，在同等圖像效果下可以大大節(jié)省傳輸帶寬。H.264除了具有高效編碼的特性，還引入了一些新工具用于提高錯(cuò)誤恢復(fù)能力，特別是參數(shù)集、NAL（網(wǎng)絡(luò)抽象層）上的NALU的概念、視頻編碼層的FMO（靈活的宏塊順序）和數(shù)據(jù)分割等都?xì)v史性地提高了在盡力而為的IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下視頻通信的性能。

技術(shù)應(yīng)用

3

    NAA技術(shù)廣泛地應(yīng)用到H3C的視訊會(huì)議設(shè)備中：

圖7 NAA技術(shù)應(yīng)用意圖

通過在設(shè)備中承載NAA技術(shù)，H3C視訊會(huì)議系統(tǒng)更加能夠適應(yīng)于以下運(yùn)行環(huán)境：

    1、 Internet視訊會(huì)議：由于Internet網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)不可靠無連接網(wǎng)絡(luò)，只提供一種承載業(yè)務(wù)-盡力傳送(best effort)業(yè)務(wù)。也就是說，網(wǎng)絡(luò)并不保證向應(yīng)用數(shù)據(jù)流提供所需的帶寬，也不保證數(shù)據(jù)流的傳送時(shí)延和丟失率等質(zhì)量指標(biāo)。對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，盡力傳送能夠滿足要求，但是對(duì)于視訊會(huì)議等實(shí)時(shí)通信應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)必須能提供端到端承載業(yè)務(wù)的Qos保障能力，而NAA技術(shù)剛好能夠滿足這種要求。

    2、 帶寬有限，業(yè)務(wù)繁忙網(wǎng)絡(luò)：一些企事業(yè)單位雖然帶寬有限，但是在有限帶寬中同時(shí)承載了視訊會(huì)議與其它業(yè)務(wù)如OA，導(dǎo)致其它業(yè)務(wù)與視訊會(huì)議爭(zhēng)搶網(wǎng)絡(luò)資源的情況，運(yùn)用NAA技術(shù)，提高視訊會(huì)議包的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)，通過包冗余糾錯(cuò)與重發(fā)特性，保證包丟失率達(dá)到最少，加上動(dòng)態(tài)調(diào)整帶寬能力與解碼前包前處理保障，可以比較好得保證會(huì)議視訊的視音頻效果。

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