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IP視頻通信中的丟包恢復(fù)技術(shù)

2008/04/02

　　在IP視頻通話中，即使是在丟包率很小的情況下也會(huì)對(duì)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(jì)九十年代中后期IP視頻會(huì)議技術(shù)出現(xiàn)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(xiàng)挑戰(zhàn)。近年來(lái)，隨著低成本，共享式的網(wǎng)絡(luò)線路的普遍采用(如DSL，有線，衛(wèi)星，LAN和WAN，公共互聯(lián)網(wǎng)等)以及使用更高通話帶寬(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(nèi)部(企業(yè)LAN范圍內(nèi))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(jí)流量阻塞低優(yōu)先級(jí)流量、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備問(wèn)題(交換機(jī)，路由器故障等)、設(shè)置/配置問(wèn)題(10/100M不匹配，IP地址重復(fù)使用等)、視頻設(shè)備問(wèn)題、電纜問(wèn)題(線路問(wèn)題，連接問(wèn)題)等等。

在IP視頻會(huì)議應(yīng)用上丟包造成的影響

　　在IP視頻通話中丟包造成的影響多種多樣。其中對(duì)視頻質(zhì)量的影響主要有：馬賽克現(xiàn)象、局部變形(圖像的某些區(qū)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(duì)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(duì)內(nèi)容和演示數(shù)據(jù)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，甚至是通話中斷。

　　IP視頻通話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中各個(gè)終端和設(shè)備的能力所決定。正如我們通常認(rèn)為的那樣，丟包率越高，對(duì)視頻通話的影響也更為明顯。

什么是丟包恢復(fù)技術(shù)LPR

　　LPR (或稱丟包恢復(fù))是寶利通最新開(kāi)發(fā)的一種算法，其目的是保護(hù)IP視頻通話免受網(wǎng)絡(luò)丟包的影響。LPR采用前向糾錯(cuò)(FEC)方法，這是一種差錯(cuò)恢復(fù)方法，由發(fā)送方系統(tǒng)為發(fā)出的數(shù)據(jù)流添加冗余數(shù)據(jù)，使接收方系統(tǒng)可以偵測(cè)并糾正錯(cuò)誤，而無(wú)需請(qǐng)求發(fā)送方系統(tǒng)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(cuò)的能力，使得FEC非常適合于實(shí)時(shí)通信，如電視廣播，IP電話以及IP視頻會(huì)議。LPR的理論依據(jù)是：以相對(duì)低一些的通話速率提供穩(wěn)定的視頻通話質(zhì)量，遠(yuǎn)比受到各種視音頻問(wèn)題(馬賽克、畫(huà)面靜止、斷續(xù)等)困擾的視頻通話要好得多。

LPR如何發(fā)揮作用

　　寶利通視頻終端對(duì)所有正在進(jìn)行的通話進(jìn)行呼入丟包信息監(jiān)控。一旦檢測(cè)到丟包，終端就會(huì)采用三種手段來(lái)保證通話質(zhì)量：丟包恢復(fù)(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(cuò)隱消(PVEC)技術(shù)。

丟包恢復(fù)(LPR)

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

　　如下面流程圖所示，LPR通過(guò)臨時(shí)將一部分通話帶寬分配給一個(gè)數(shù)據(jù)通道(本文中我們將其簡(jiǎn)稱為FEC通道)，從而用于發(fā)送FEC數(shù)據(jù)給接收系統(tǒng)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(shù)據(jù)通道的大小，直到找到必須分配給FEC數(shù)據(jù)通道的最小帶寬，從而使得接收系統(tǒng)能夠恢復(fù)所有丟失的數(shù)據(jù)包。


　　當(dāng)FEC發(fā)揮作用時(shí)(意思是FEC數(shù)據(jù)通道的大小超過(guò)0kbps)，系統(tǒng)反復(fù)檢測(cè)是否可以減少FEC數(shù)據(jù)通道的大小，從而為音頻、視頻和內(nèi)容數(shù)據(jù)提供更多可用的通話帶寬。因此，LPR只在檢測(cè)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(jī)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(duì)丟包率相對(duì)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，可以在視頻通話過(guò)程中自動(dòng)且動(dòng)態(tài)地調(diào)整視頻碼率，以消除或避免丟包。

　　例如，在一個(gè)384 kbps的視頻通話中(320 kbps用于視頻，64kbps用于音頻)檢測(cè)到一個(gè)穩(wěn)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(hào)，觀察是否還存在丟包現(xiàn)象。如果有必要，DBA可以進(jìn)一步降低視頻碼率，直到在數(shù)秒內(nèi)不再出現(xiàn)丟包為止。

　　在降低碼率后，如果DBA測(cè)定丟包只是暫時(shí)的（持續(xù)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(xù)檢測(cè)到丟包現(xiàn)象，它就不再調(diào)整視頻碼率，并將通話繼續(xù)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(xiàn)象。

寶利通視頻差錯(cuò)隱消（PVEC）

　　在參與通話的各方系統(tǒng)都不支持LPR的情況下，可以使用寶利通視頻差錯(cuò)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(duì)由丟包所造成的影響進(jìn)行補(bǔ)償。它通過(guò)利用相鄰的宏塊、前幀和后幀來(lái)估算出當(dāng)前視頻幀的內(nèi)容。與LPR的恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)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(qū)別

1)包恢復(fù)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(cuò)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(fù)丟失的數(shù)據(jù)包將這些技術(shù)又推進(jìn)了一步。

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

3)全面覆蓋
　　大多數(shù)類似系統(tǒng)的差錯(cuò)隱消方案只保護(hù)視頻通道，而LPR則實(shí)現(xiàn)了覆蓋視頻通話的全部三個(gè)部分（語(yǔ)音，視頻及內(nèi)容）。

丟包恢復(fù)(LPR)所帶來(lái)的好處

LPR帶來(lái)五項(xiàng)突出的優(yōu)勢(shì)：

1)丟包保護(hù)

　　LPR使用戶可以在誤碼率較高的IP網(wǎng)絡(luò)上(DSL、有線、衛(wèi)星、高沖突LAN/WAN等)進(jìn)行高質(zhì)量的視頻通話，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(bǔ)償
　　通過(guò)對(duì)正在進(jìn)行通話的碼率進(jìn)行臨時(shí)調(diào)整，LPR可以保護(hù)視頻通話免受短時(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(diào)到最高水平(根據(jù)發(fā)起通話速率或當(dāng)前的帶寬可用性)。

3)降低延遲
　　通過(guò)允許接收方系統(tǒng)實(shí)時(shí)重建和恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)，LPR排除了接收方系統(tǒng)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(qū)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。用戶可以在理想的呼叫速率下方便的通話，并且LPR可以自動(dòng)調(diào)整碼率，以利用全部可用帶寬。這對(duì)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)通話具有特殊的價(jià)值。

5)對(duì)媒體的全面保護(hù)
　　LPR保護(hù)包括視頻會(huì)議通話的所有元素：語(yǔ)音、視頻及內(nèi)容。

　　圖2顯示了384 kbps速率視頻通話時(shí)，開(kāi)啟和關(guān)閉LPR功能，5%的丟包率所造成的影響對(duì)比。注意左圖中視頻圖像的模糊現(xiàn)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)際視頻通話中的圖像失真要比下面左圖靜止圖像所表現(xiàn)的效果還要明顯。



　　圖3顯示的是對(duì)內(nèi)容和演示數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果，可以看出LPR對(duì)H.239的支持同樣非常出色。開(kāi)啟和關(guān)閉LPR / PVEC時(shí)對(duì)丟包處理的區(qū)別十分明顯。



目前支持LPR的視頻系統(tǒng)

　　寶利通的HDX視頻系統(tǒng)和基于HDX的解決方案現(xiàn)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(yuǎn)真解決方案。寶利通預(yù)計(jì)在2008年第二季度為其VSX產(chǎn)品線的全部產(chǎn)品以及寶利通RSS 2000視頻捕捉系統(tǒng)添加LPR功能。之后會(huì)在RMX 2000上提供LPR支持。一旦計(jì)劃完成，LPR還將可以保護(hù)不同的但都具有LPR功能的系統(tǒng)之間的通話 (如HDX和VSX)。

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