曹 莹

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

0 引 言

联合编队（包括抗洪抢险编队、消防救援编队、应急救援空中编队、渔政巡航编队、亚丁湾护航编队等）因具备灵活性、协同性、临时组建等特点，是目前面对突发事件和机动应急处置时的主要任务协同方式。如果应急事故或灾难处理时动中通通信车因自然地理条件的限制无法靠近事故现场，则由单兵编队完成现场动态图像的采集，再将图像传给动中通通信车[1]。编队间的视频会议协同基本采用机动无线通信方式开展，主要包括卫星通信、mesh自组网通信、宽带超短波通信、4G/5G通信等无线通信手段。编队视频会议系统组网示意如图1所示，基于典型的星树结合式网络架构，保证了编队成员、编队与上级之间的联系更加紧密，协同工作的效率也得到了很大程度上的提高[2]。

图1 编队视频会议系统组网示意

1 无线通信环境的影响

无线通信环境并不能保证用户每时每刻获得如同有线网络那样的环境，编队视频会议通信因各编队成员的通信位置、通信环境、通信距离以及运行速度等都会随着执行任务的变化而动态变化[3]。网络环境的复杂性、异域性、动态性与不可控性对视频信息在网络中的传输造成不可低估的影响，普遍存在数据丢包、传输延时、品质降低等隐患，严重影响了机动环境下的视频会议通信质量，主要因素包括以下几点。

1.1 带宽影响

视频流的正常传输需要足够的带宽来保证，当传输允许带宽低于视频的码流速率时，传输的视频图像质量将无法保证。无线通信网络上承载有多种视频、语音和数据业务，具体包括指挥调度、即时通信、业务数据、文件传输等多种应用模式，不同应用模式的数据流量和突发性也有差别，导致视频会议业务的可占用带宽不平稳[4]。

1.2 时延影响

一般时延由多种因素影响，包括处理时延、传输时延以及分发时延等。音视频会议设备进行编解码以及同步处理产生的时延相对固定，而通信网络时延最不可控，主要取决于链路情况、环境情况以及网络拓扑等因素，对承载的业务延时影响较大[5]。媒体业务对通信的实时性要求极高，一般认为如果时延超过300 ms，那么通话双方交互的过程中便能明显感觉到停顿，影响互动体验。

1.3 抖动影响

由于接收缓存的作用，幅度不大的抖动对视频的播放影响不大，但如果经过线路传输后码流抖动大，并超过设备的承受范围时，就会引起视频播放不稳定，甚至解码器进行丢弃导致丢包，从而影响音视频的质量。

1.4 丢包影响

在无线网络中，由于网络拥堵而导致网络包丢失将会影响视频通信质量。例如，部分视频出现马赛克，图像产生花屏或不连续、声音断续不清晰等，严重时甚至会导致会议中断。

2 视频会议的质量控制

对高实时性要求的视频会议来说，无线网络的不稳定会极大地影响通信质量和视频会议效果。根据网络实际情况采取处理的措施，在不稳定网络条件下实现多方视频会议的质量保障。

2.1 关键帧平滑处理

视频的编码是按照“组”来进行，每一个组叫作GOP，如图2所示。GOP与GOP之间没有联系，编码关系只在GOP之间产生。每一个GOP都是由关键帧（也叫作I帧）开始的，I帧是一幅完整的画面。GOP中间的帧都不完整，需要由I帧、前面帧以及后面帧等一起运算得到[6]。

图2 典型的GOP结构图

原始视频经过视频压缩编码后如图3所示，I帧数据量较大，占用瞬时网络带宽较大。针对I帧在GOP内的重要作用，在网络传输时需对I帧的传输进行管理控制，设计时在编码和网络传输会对I帧进行专门的保护。

图3 未平滑处理的原始视频数据占用情况

关键帧平滑处理流程如图4所示。

图4 关键帧平滑处理流程

以往有多种方法可以改善码流的平滑，如最小化码率变化次数、最小化发送码流变化率、离线码率平滑的自适应分段以及离线平滑算法等[7]。文献[8]中也提出了一种采用SP帧的平滑码流方法，该方法使用SP帧代替I帧，可以在不引入延时的情况下对码流起到很好的平滑效果。

码流平滑的基本原理是在码率较高的情况下进行缓存，码率较低时发送之前的缓存，从而起到码流平滑的效果。如图4所示，编码后的视频流在网络发送前先进入网络传输缓存器，CPU对编码后的视频流进行I帧识别，系统对I帧进行打包的平滑处理，平滑处理后的视频数据如图5所示。并对I帧进行包内容冗余校验，最后对平滑后的视频流和冗余校验码统一打包传输。

图5 平滑处理后的视频数据占用情况

2.2 码率控制

视频流传输中码率控制的目标是在保证压缩视频质量的前提下，控制编码器输出的码率以适应信道带宽的变化，从而在压缩率与编码质量这二者间达到一个最佳平衡[3]。对于视频内容变化的场景，图像质量稳定，编码码率会波动；编码码率稳定，图像质量会波动。因此如果不进行码率控制，视频的码率会变化剧烈，不可控制，影响视频的传输。

图6是对一段40 s的视频采用固定量化参数（也就是没有码率控制）编码后的瞬时码率分布。可以看到，码率在5 000 kb/s上下波动很大，这不利于视频的传输。通常不同的码率控制方法对应于不同的场景，根据实际应用采取最为合适的码率控制方法，以使产生的比特流符合各种应用的需求。

图6 无码率控制的视频码率情况

典型的编码流程包括了图像的编码、码流的输出等过程。如图7所示，码率控制器按照一定的码率控制机制对编码器的关键参数进行调整，控制编码器输出码率的高低，从而达到输出码率与传输信道允许码率相匹配的目的。

图7 码率控制的基本原理

码率控制属于受限条件下的优化问题，即在码率R和编码缓冲区B的约束下选择合适的量化参数。通过构建拉格朗日代价函数J，可以根据率失真模型寻找码率和失真的最优平衡点，相关公式为：

式中：λ是拉格朗日系数，根据编码情况进行自适应调整；D是最小化编码失真。

图8是与图6相同的一段40 s的视频，采用了码率控制，可以看到它的码率比上面小很多，码率波动比图6小，实现了低带宽下视频流的连续传播。

图8 定码率控制的视频码率情况

2.3 丢包重传

数据丢包重传是通过重传数据包来执行纠错的功能算法。常规的丢包重传机制有多种实现方法，其中典型的有以下3种。一是停止等待重传。数据发送后，发送端需要等待接收端回复确认，发送端收到接收端确认前处于等待状态，收到确认后再进行后续数据的发送。二是退回N步重传。发送端在没有收到接收端重传请求的情况下，持续不断地进行数据发送，直到收到接收端对于某个数据包的重传请求后，发送端重传相应的数据包，并且该重传数据包后面的数据包都要重新再传送。三是选择性重传。发送端持续对发送数据进行传送，不需要等待接收端的确认信息，如果接收到接收方的重传请求，只对需重传的数据包进行重传，其他数据包不用重传。

前两种重传机制效率相对低下，会影响到系统的使用效果，第三种重传机制效率会比较高，可以有效地实现在误码和丢包网络环境下良好的视频通信传输。

选择性重传在实际应用中需要考虑实时性，系统需要评估重传数据包到达的时间（一般用RTT倍数表示），如果预期到达时间在用户容忍效果内，则可以进行重传，但如果超过系统用户的容忍时间，则就要放弃重传。

图9展示了选择性重传机制的实时策略：（1）发送端按照约定的通信规则发送数据包1、数据包2以及数据包3；（2）如果数据包2丢失，则系统根据可冗余时间判断可以接收两次重传；（3）接收端通过约定信道请求重传；（4）发送端进行重传后，又收到接收端数据包2重传请求；（5）接收端收到数据包2重传请求；（6）发送端重传数据包2，接收端接收成功；（7）接收端把数据包1、数据包2以及数据包3排序，传送给下个流程；（8）传输中，如果超过两次重传不成功，系统就停止重传。

图9 选择性重传机制的实时策略

选择性重传下的丢包重传，系统只用传输重要的数据包，并且会兼顾传输准确性和传输时效性，不会增加太多的系统和网络压力，也不会增加太多的传输时延，能够有效实现在一定误码和丢包环境下的媒体通信效果。

2.4 差错控制

为了适应丢包和误码严重的无线网络，需具有良好的抗丢包性能和抗误码性能[9]。前向纠错是解决丢包重传问题的有效方法，其核心是通过冗余数据段降低重传的概率[10]。

码流差错控制是在音视频码流的基础上，通过一定的算法模型，适度增加冗余纠错信息，通信各方统一按照相应的算法进行冗余编码和解码纠错，达成传输过程中误码恢复、丢包恢复的效果，实现相对良好的音视频码流传输效果。码流差错控制的主要算法体现在以下几方面。

（1）原始数据按照一定的数据算法进行冗余校验，并把校验信息生成少量的数据包，原始数据结合冗余校验信息一起传输，接收端收到相应的数据包后，通过冗余校验数据包可以恢复原始数据误码或丢失的数据包。

（2）原始音视频信息前后数据有一定的一致性和不同性，软件通过一定的耦合算法对前后数据个性化的特征值进行特别标注记忆。接收方收到数据包后，根据相应的前后关联信息和个性化特征值，对相应的误码和丢失的数据进行纠错恢复。

下面通过一个示例展示码流差错控制的过程。如图10所示，系统通过RS(12，10)结构的数据传输格式进行冗余码流差错控制，即每10个数据包，系统通过算法产生两个冗余数据包。

图10 丢包恢复

对方接收到12个数据包后，由于网络的原因，出现第一串数据包里面0、5、8数据包有误码或丢包，第二串数据中13、18数据包有误码或丢包。接收方按照一定的码流差错控制算法，结合前面10个数据包的信息，对11和12的校验冗余数据包进行综合校验算法，可以有效恢复相应误码或丢包的数据。

3 实测效果

采用视频服务质量保障与无视频保障处理的试验结果如表1所示。测试验证表明，采用视频服务质量保障处理后，在5%～30%的丢包率下均可明显提升视频数据传输的可靠性，使原本出现马赛克、会议中断或画面卡死的视频信息也可正常应用。

表1 无视频保障处理与视频服务质量保障对比

4 结 论

采用上述关键帧平滑处理、丢包选择性重传、前向纠错等综合视频服务质量保障技术，在网络丢包率达30%的环境下仍可保障视频流畅；采用智能码率控制技术，可动态调整视信码流带宽，保证良好的音视频体验。视频服务质量保障等方法适合于机动编队环境下的视频会议应用，对提升低带宽和高丢包环境下的视频会议通信质量具有实际意义。