选择重传技术及其在IPTV中的应用

【中心议题】

•     *介绍了几种解决分组丢失问题的有效方法
•     *选择性重传法在IPTV中的应用

【解决方案】

•     *什么时候重传
•     *选择重传哪些内容
•     *如何进行重传

0引言

IP网络本身具有丢包，时变的有效带宽和可变时延等特性，加之网络异构和接收端异构等综合因素对视频信号传输带来影响，IPTV视频传输需要考虑到这些因素的影响，使用差错控制或者拥塞控制方法尽可能减小其影响，提高视频传输质量。

1差错控制方法

现有的差错控制方法主要有重传、前向纠错（FEC：Forward Error Correction）、误码掩盖技术和交织技术等。

图1是各种差错恢复技术在分层结构中的位置。

1.1 FEC保护

FEC利用增加冗余数据来恢复错误数据的开环差错控制方法。发送端给原始数据增加一定的冗余数据，如果接收端发生丢包事件，该冗余数据即用来重建原始数据。FEC需要权衡网络带宽和冗余数据，而且不够灵活，很难适用于丢包率时变比较大的网络环境。因此，在实际的视频通信系统中，FEC应与其他方法结合使用。

1.2误码掩盖

误码掩盖是基于丢失数据前或者后的信息产生近似的数据替换，在接收端掩盖某些不可避免的传输错误的一种方法，一定程度上可以降低丢包引起的视觉失真度。该方法的结果好坏和误码掩盖算法的效率有关，但它不能抗突发错误。

1.3数据交织

纠正突发错误可以采用数据交织的方法，如行存列取的交织方法、列存行取的交织方法和行存对角线取的交织方法等。交织保护技术，每个数据包分割成大小相等的小单元，然后在发送前重新排列每个单元使得相邻的数据就隔开一定的距离，在接收端恢复原始顺序。交织技术不会增加带宽需求，但它会增加传输时延，所以在实时视频通信应用中限制了其使用范围。

1.4交互式抗误码方法

交互式视频抗误码方法是传输视频信号的一种有效的抑制和防止误码扩散的方法。解码端将检测出的误码位置信息发往编码端，并对最邻近后继帧（NF）的误码扩散进行准确定位及其误码掩盖，然后通过编解码端的交互，对继续影响的后继帧（ANF）做防止误码扩散。该方法可有效保证视频质量，防止误码扩散，但引入计算复杂度和处理时延。

1.5数据重传

重传是一种闭环的错误控制方法，如果接收端有丢包事件，则通知发送端重新传输该丢失包直到正确接收的一种差错控制方法。该方法需要发送端和接收端的信息交互，带来重传延时较大，但它仅需要较小的带宽和处理代价，而且能有效地恢复丢失数据。自动重传请求（ARQ）可分为：停等式ARQ：发送端每发送一个数据分组包就暂时停下来，等待接收端的确认信息。返回n-ARQ：发送端连续发送n个数据分组信息，接收端将每个数据包相应的确认信息（ACK或NACK）反馈回发送端。选择重发式ARQ：只重传出现差错的数据包。

2视频传输差错控制

各种差错控制方法各有其优缺点，在不同环境下使用可以获得不同的效率。也可以将多种差错控制方法联合使用获得更好的性能。

IPTV视频应用对实时性要求较高，却不要求完全可靠传输。因此视频传输的差错控制方法在可靠性和实时性之间权衡以获得更好的视频质量。FEC可以有效的提高视频传输的质量，但浪费带宽资源和降低传输有效性；重传可以保证传输质量但引入较大时延。选择性重传方法只重传部分丢失数据包，显著减少了重传包的数量，提高带宽利用率，选择对重建视频质量影响较大的重要数据进行重传，能获得较好的视频质量性能。

选择性重传方法都是在一定选择依据上提出的，比如依据数据优先级，生存期，重传的最大次数，分组丢包率以及可靠性等选择依据，或者将几种选择依据联合使用。各种选择性重传方法根据不同的应用需求利用各种选择依据之间的均衡，并考虑时延、带宽和丢包特性获得最佳的恢复视频质量性能。

3选择性重传方法

根据重传决策的位置、重传的内容和网络状态对重传的影响等，选择性重传可以分为基于决策位置、基于优先级、基于网络状态和基于不同层面的选择重传方法，如图2所示。

3.1基于决策位置的选择性重传

决策位置可以是接收端、发送端或者接收端和发送端联合。

（1）基于接收端的选择性重传方法

接收端利用对重要数据包选择重传等准则，发送重传请求，减少重传请求包的数量。接收端需要反馈额外的消息（如NACK）或重传请求等给发送端，实现信息的交互。该方法比较容易实现，且灵活性较好。

文献[10]中为连续媒体（CM）传输提出一种选择性重传错误控制方案。实验结果表明，在相同的条件下，只选择重传重要数据包可以使帧率得到显著的改善。

（2）基于发送端的选择性重传方法

基于发送端的选择性重传方法，接收端只需对丢失包反馈NACK等简单信息，而由发送端决策重传哪些数据包。发送端选择重传可以减少不必要的重传数据包，降低网络拥塞发生的概率等。

árpád Huszák提出多媒体流发送端控制且面向播放时间的选择性重传方法，其突出特点是可以减少不必要的重传包。

（3）接收端和发送端联合决策方法

收发端联合决策的方法具有多样性和灵活性，一方面可以联合多种选择性重传原理，一方面均衡了收发端的承载能力。可以在接收端选择重传重要数据包，发送端根据往返时间（RTT：Round-Trip-Time）及死亡时间（数据包的播放时间,deadline）来决定是否重传；也可以在接收端先判断死亡时间决定请求重传，发送端依据数据重要性选择重传。该方法与单端决策的方法相比，系统性能提高了，设备复杂度较小，并能自适应网络状况的变化，避免拥塞发生和改善传输数据质量。

3.2基于内容优先级的选择性重传

由于视频压缩技术的应用，不同的数据包对数据重建质量的影响不同，基于内容优先级的选择性重传方法是针对视频数据的重要性，或者接收端数据解码对重建视频质量的影响度进行数据分类。每个包根据其内容重要性分配优先级，优先级较高的包比优先级低的包优先传输。

基于优先级的选择性重传不需要重传所有的丢失数据包，可以节省网络带宽资源，减少延时，有效恢复丢失的数据包，提高视频质量。内容优先级需要和死亡时间等因素联合考虑以达到更好的性能。

3.3基于网络状态的选择性重传

网络性能变化可能导致传输时延变大或者丢包率增加等，基于网络状态的选择性重传方法，根据网络状态的变化选择重传数据包，放弃重传无效的包。

（1）基于丢包的重传方法

Piecuch提出根据多媒体应用最大允许时延和最大允许丢包率设计了选择性请求重传协议（SRP,Selective ARQ transmission Protocol）。SRP协议利用两种决策算法决定是否需要重传丢失的包：平等损失延迟算法（ELL，Equal Loss Latency）和最佳质量算法（OQ,Optimum Quality）。当检测到一个丢包时，ELL依据丢包时的估计平均丢包率和时延率之差的绝对值决定是否重传；而OQ依据丢包时的估计平均丢包率和时延率之和选择重传丢失包。

该算法控制了多媒体应用的丢包和时延之间的平衡，可以提高传输的吞吐量，但时延比较长，可以利用内容选择重传补偿该缺点。

（2）基于时延的重传方法

时延决策方法主要依据死亡时间和RTT选择重传那些可以在播放时间之前到达接收端的数据包。该方法可以避免不必要的重传，减轻网络负担，从而避免传输时延增大。

Huszák根据RTT和播放缓存时延（TBD：Transmit Buffer Delay）来决定选择性重传。如图3，Tbd表示播放缓存时延，t1表示发送时刻，t0表示发送端收到请求重传包时刻。

当接收到一个重传请求，发送端决定是否重传。该决策算法要求重传包至其播放时刻的剩余时间大于单向网络时延即可重传成功。这种方法适应网络状况的变化，减少了不必要的重传，尤其是网络时延很长的情况；视频质量在适当的播放缓存时延下可以得到较大的改善，甚至恢复初始视频质量。

（3）基于信道带宽的重传方法

如果在解码端用误码掩盖能很好地恢复视频质量的情况下则不必要重传丢失包，因此为了进一步提高信道带宽的利用率，提出了联合使用误码掩盖技术的选择性重传方法。这里利用率失真(R-D)框架结构（a Rate-distortion Framework）分析其应用，用均方误差（MSE）计算仅使用误码掩盖时的失真率（DCE），和给定的极限值T以及信道条件比较决定是否需要重传丢失的数据包。当DCE并且信道条件差时不需要重传该丢失包，一方面因为误码掩盖可以起很好的作用，另一方面信道条件差可能导致重传再次出错。但是相比较无错传输误码掩盖降低了解码效率，增加了质量损毁。因此在DCE但信道条件好的情况下，仍然值得重传该丢失包。当DCE>T时不管信道条件如何都要求重传该包。

总的来说，基于网络状态选择重传方法可以适应网络的变化，减轻网络的负担，避免拥塞事件。还可以提高带宽资源的利用率，增加传输的吞吐量。在视频传输过程中，起到了提高传输效率以及保证视频质量的作用，但准确评估时变网络状态比较困难。

4结语

选择性重传方法的一个关键问题是什么时候重传，选择重传哪些内容，如何进行重传。选择重传的目的是提高视频信号传输质量和满足用户终端的需求，所以该类问题需要联合时变的网络环境、解码端恢复视频的主观质量、用户终端的不同需求等因素来调整视频数据传输策略，保证用户需求的视频质量最大化。时变的网络环境会导致丢包和时延增加，在视频通信中，高效的压缩视频数据传输对丢包事件比较敏感；实时视频传输对时延要求较高，接收端延时到达的数据包被认为是丢失包而忽略。因此视频选择重传方法需要考虑网络状态，来减小丢包和时延对视频通信的影响。解码端恢复视频的主观质量直接反映了视频传输的性能，获得良好的恢复视频主观质量是研究视频传输的主要目的。另外，用户终端的不同需求也是视频质量的一个限定因素。而各种差错控制方法如选择重传等都是为了达到用户终端的视频质量需求服务的，因此可以利用视频主观质量客观化模型评估视频质量，并采取适当的选择重传方法，满足用户需求。