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IP視頻通信中的丟包恢復技術(shù)

2008/04/02

　　在IP視頻通話(huà)中，即使是在丟包率很小的情況下也會(huì )對使用效果造成較為明顯的影響。正是由于這個(gè)原因，自從上世紀九十年代中后期IP視頻會(huì )議技術(shù)出現以來(lái)，在“有損耗”的IP網(wǎng)絡(luò )上成功召開(kāi)視頻會(huì )議的能力一直是一項挑戰。近年來(lái)，隨著(zhù)低成本，共享式的網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)路的普遍采用(如DSL，有線(xiàn)，衛星，LAN和WAN，公共互聯(lián)網(wǎng)等)以及使用更高通話(huà)帶寬(通常需要支持更高的視頻分辨率)則使這一問(wèn)題顯得更為突出。

造成丟包的原因

　　丟包可以由內部(企業(yè)LAN范圍內)或外部(企業(yè)WAN或網(wǎng)絡(luò )提供商的核心網(wǎng))原因引起。丟包的主要原因包括：網(wǎng)絡(luò )擁塞、高優(yōu)先級流量阻塞低優(yōu)先級流量、網(wǎng)絡(luò )設備問(wèn)題(交換機，路由器故障等)、設置/配置問(wèn)題(10/100M不匹配，IP地址重復使用等)、視頻設備問(wèn)題、電纜問(wèn)題(線(xiàn)路問(wèn)題，連接問(wèn)題)等等。

在IP視頻會(huì )議應用上丟包造成的影響

　　在IP視頻通話(huà)中丟包造成的影響多種多樣。其中對視頻質(zhì)量的影響主要有：馬賽克現象、局部變形(圖像的某些區域不清晰)、圖像模糊、屏幕頻繁刷新或閃爍、視音頻不同步、幀率下降、圖像靜止等等。對音頻質(zhì)量的影響包括：總體音頻失真、間斷或間歇性噪音、音頻中斷等。而對內容和演示數據質(zhì)量的影響則包括：幻燈片模糊變形、翻頁(yè)速度減慢或屏幕頻繁刷新和圖像靜止等等。另外，丟包還會(huì )引起過(guò)度延遲，甚至是通話(huà)中斷。

　　IP視頻通話(huà)中丟包造成的影響程度主要由丟包率、丟包隨時(shí)間變化情況和視頻通話(huà)中各個(gè)終端和設備的能力所決定。正如我們通常認為的那樣，丟包率越高，對視頻通話(huà)的影響也更為明顯。

什么是丟包恢復技術(shù)LPR

　　LPR (或稱(chēng)丟包恢復)是寶利通最新開(kāi)發(fā)的一種算法，其目的是保護IP視頻通話(huà)免受網(wǎng)絡(luò )丟包的影響。LPR采用前向糾錯(FEC)方法，這是一種差錯恢復方法，由發(fā)送方系統為發(fā)出的數據流添加冗余數據，使接收方系統可以偵測并糾正錯誤，而無(wú)需請求發(fā)送方系統重新傳送丟失的信息。這種無(wú)需等待網(wǎng)絡(luò )傳送就可進(jìn)行糾錯的能力，使得FEC非常適合于實(shí)時(shí)通信，如電視廣播，IP電話(huà)以及IP視頻會(huì )議。LPR的理論依據是：以相對低一些的通話(huà)速率提供穩定的視頻通話(huà)質(zhì)量，遠比受到各種視音頻問(wèn)題(馬賽克、畫(huà)面靜止、斷續等)困擾的視頻通話(huà)要好得多。

LPR如何發(fā)揮作用

　　寶利通視頻終端對所有正在進(jìn)行的通話(huà)進(jìn)行呼入丟包信息監控。一旦檢測到丟包，終端就會(huì )采用三種手段來(lái)保證通話(huà)質(zhì)量：丟包恢復(LPR)，動(dòng)態(tài)帶寬分配(DBA)，以及在不支持LPR的情況下，采用寶利通視頻差錯隱消(PVEC)技術(shù)。

丟包恢復(LPR)

　　不同于大多數差錯隱消/規避算法(包括寶利通自有的PVEC)只介入接收丟包信息的系統(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“接收系統”)，LPR會(huì )介入到視頻通話(huà)中的各方系統中。

　　如下面流程圖所示，LPR通過(guò)臨時(shí)將一部分通話(huà)帶寬分配給一個(gè)數據通道(本文中我們將其簡(jiǎn)稱(chēng)為FEC通道)，從而用于發(fā)送FEC數據給接收系統來(lái)發(fā)揮作用。通過(guò)一個(gè)循環(huán)處理，LPR會(huì )增加或減少FEC數據通道的大小，直到找到必須分配給FEC數據通道的最小帶寬，從而使得接收系統能夠恢復所有丟失的數據包。


　　當FEC發(fā)揮作用時(shí)(意思是FEC數據通道的大小超過(guò)0kbps)，系統反復檢測是否可以減少FEC數據通道的大小，從而為音頻、視頻和內容數據提供更多可用的通話(huà)帶寬。因此，LPR只在檢測到丟包時(shí)才會(huì )占用帶寬。這一特點(diǎn)，使得LPR非常適合隨機的或突發(fā)性的丟包環(huán)境(如互聯(lián)網(wǎng))。

寶利通動(dòng)態(tài)帶寬分配(DBA)

　　針對丟包率相對固定的環(huán)境，寶利通的動(dòng)態(tài)帶寬分配(DBA)功能可以與LPR相配合。DBA也是一種算法，可以在視頻通話(huà)過(guò)程中自動(dòng)且動(dòng)態(tài)地調整視頻碼率，以消除或避免丟包。

　　例如，在一個(gè)384 kbps的視頻通話(huà)中(320 kbps用于視頻，64kbps用于音頻)檢測到一個(gè)穩定在10%的丟包率，DBA就會(huì )降低約10%視頻碼率，由320kbps降到288kbps左右。然后重新采樣信號，觀(guān)察是否還存在丟包現象。如果有必要，DBA可以進(jìn)一步降低視頻碼率，直到在數秒內不再出現丟包為止。

　　在降低碼率后，如果DBA測定丟包只是暫時(shí)的（持續時(shí)間不到幾秒鐘），DBA將逐步增加視頻碼率。然而，如果DBA持續檢測到丟包現象，它就不再調整視頻碼率，并將通話(huà)繼續進(jìn)行下去。這一方法，使得DBA非常適合于由網(wǎng)絡(luò )過(guò)度使用或因吞吐量問(wèn)題引起的丟包現象。

寶利通視頻差錯隱消（PVEC）

　　在參與通話(huà)的各方系統都不支持LPR的情況下，可以使用寶利通視頻差錯隱消 (PVEC) 功能。PVEC是一種用于IP視頻服務(wù)質(zhì)量（QoS）的算法。它可以對由丟包所造成的影響進(jìn)行補償。它通過(guò)利用相鄰的宏塊、前幀和后幀來(lái)估算出當前視頻幀的內容。與LPR的恢復丟失的數據包和DBA的避免丟包技術(shù)不同，PVEC的作用是掩蓋丟包造成的影響。

LPR與其它丟包隱消算法的區別

1)包恢復與丟包掩蓋

　　其它解決方案大多是要么試圖隱藏丟包造成的影響（差錯隱消），要么通過(guò)降低視頻碼率（降速）避免丟包。而LPR則是通過(guò)真正恢復丟失的數據包將這些技術(shù)又推進(jìn)了一步。

2)自復原功能
　　許多類(lèi)似方案也能通過(guò)降低碼率，避免或減少丟包的影響，但大多數方案在丟包現象好轉后卻不會(huì )提高碼率。而LPR則能夠在丟包現象消失后，將通話(huà)速率恢復到初始狀態(tài)。

3)全面覆蓋
　　大多數類(lèi)似系統的差錯隱消方案只保護視頻通道，而LPR則實(shí)現了覆蓋視頻通話(huà)的全部三個(gè)部分（語(yǔ)音，視頻及內容）。

丟包恢復(LPR)所帶來(lái)的好處

LPR帶來(lái)五項突出的優(yōu)勢：

1)丟包保護

　　LPR使用戶(hù)可以在誤碼率較高的IP網(wǎng)絡(luò )上(DSL、有線(xiàn)、衛星、高沖突LAN/WAN等)進(jìn)行高質(zhì)量的視頻通話(huà)，而無(wú)需忍受丟包帶來(lái)的影響。

2)臨時(shí)性網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題補償
　　通過(guò)對正在進(jìn)行通話(huà)的碼率進(jìn)行臨時(shí)調整，LPR可以保護視頻通話(huà)免受短時(shí)網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題的影響。一旦網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題解決，LPR會(huì )自動(dòng)將碼率回調到最高水平(根據發(fā)起通話(huà)速率或當前的帶寬可用性)。

3)降低延遲
　　通過(guò)允許接收方系統實(shí)時(shí)重建和恢復丟失的數據，LPR排除了接收方系統需要等待可能丟失的、延遲的或混亂信息的需求。反過(guò)來(lái)，也減少了動(dòng)態(tài)抖動(dòng)緩沖區空間以及相關(guān)的延時(shí)。

4)提高資源效率
　　LPR使企業(yè)或組織可以將所有可用帶寬用于視頻通話(huà)。用戶(hù)可以在理想的呼叫速率下方便的通話(huà)，并且LPR可以自動(dòng)調整碼率，以利用全部可用帶寬。這對于在容量不斷變化的網(wǎng)絡(luò )鏈路上(共享鏈路，高度擁堵鏈路)通話(huà)具有特殊的價(jià)值。

5)對媒體的全面保護
　　LPR保護包括視頻會(huì )議通話(huà)的所有元素：語(yǔ)音、視頻及內容。

　　圖2顯示了384 kbps速率視頻通話(huà)時(shí)，開(kāi)啟和關(guān)閉LPR功能，5%的丟包率所造成的影響對比。注意左圖中視頻圖像的模糊現象(關(guān)閉LPR / PVEC功能)。右圖中顯示了綜合使用LPR，PVEC和DBA后徹底消除了丟包影響。注意在實(shí)際視頻通話(huà)中的圖像失真要比下面左圖靜止圖像所表現的效果還要明顯。



　　圖3顯示的是對內容和演示數據進(jìn)行測試的結果，可以看出LPR對H.239的支持同樣非常出色。開(kāi)啟和關(guān)閉LPR / PVEC時(shí)對丟包處理的區別十分明顯。



目前支持LPR的視頻系統

　　寶利通的HDX視頻系統和基于HDX的解決方案現已具備LPR功能。這些方案包括寶利通RealPresence Experience (RPX)和Telepresence Experience (TPX)極致遠真解決方案。寶利通預計在2008年第二季度為其VSX產(chǎn)品線(xiàn)的全部產(chǎn)品以及寶利通RSS 2000視頻捕捉系統添加LPR功能。之后會(huì )在RMX 2000上提供LPR支持。一旦計劃完成，LPR還將可以保護不同的但都具有LPR功能的系統之間的通話(huà) (如HDX和VSX)。

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