一种音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法及应用技术

本发明专利技术属于宽带无线通信技术领域，公开了一种音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法及应用，通过对信道有效损失率的推导和对路径容量、延迟边界的计算进而动态调节FEC包数量和FEC包的出发时间，使得FEC块大小和FEC包的传输时间间隔最小化，从而达到最高效率利用带宽以提高无线音视频传输的QoS。为了验证改进的FEC方法的有效性，搭建WebRTC音视频通信系统进行仿真测试，结果表明，与目前存在的自适应FEC方法相比，使用本发明专利技术提出的FEC方法，视频图像的PSNR的平均值高出了近10dB，音频传输信号波动减少。本发明专利技术有效提高了接收端音频和视频图像的质量，具有复杂度低、实现简单的特点。

An adaptive forward error correction method for audio and video quality of service control and its application

【技术实现步骤摘要】
一种音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法及应用
本专利技术属于宽带无线通信
，尤其涉及一种音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法及应用。
技术介绍
目前，最接近的现有技术：现有技术基于网络分级的自适应FEC(ForwardErrorCorrection，前向纠错)方法，该方法假设无线网络状态可以分成多个等级T1，T2，…，Tn。其中，T1表示网络处于很好的状态，此时不需要采用FEC编码；T2表示网络处于较好的状态，此时采用FEC编码，且设置编码冗余度为1；T3表示网络处于一般好的状态，此时也采用FEC编码，且设置编码冗余度为2，依此类推，当无线网络状态由Tk转变为Tk+1时，表示网络状态变得更差，此时编码冗余度比原来要增加1；当无线网络状态由Tk转变为Tk-1时，表示网络状态逐渐转好，此时编码冗余度比原来要降低1。发送端假设当前网络处于最好的状态，它首先生成并缓存16个源数据包作为应用层FEC编码组的输入符号。因为此时不需要采用FEC编码，可以直接将FEC编码组的输入符号传递到下层并发送到网络中。接收端通过判断数据包初始的接收情况，便能够统计出当前无线网络的丢包信息，并将统计的丢包信息反馈给发送端。发送端根据接收端反馈的FEC编码组内的数据包丢失数量对当前FEC编码组的编码冗余度进行动态调节。基于网络分级的自适应FEC方法动态调节FEC编码冗余度的过程如下：FEC编码冗余度初始值设为0，当反馈的FEC编码组内数据包丢失数量大于当前编码冗余度时，代表网络当前状态与当前预期不符合，编码冗余度增加1；当反馈的FEC编码组内数据包丢失数量等于当前编码冗余度时，代表网络当前状态没有发生突变，编码冗余度不变；当反馈的FEC编码组内数据包丢失数量小于当前编码冗余度时，代表网络当前状态逐渐转好，编码冗余度降低1。综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术没有考虑到数据丢包严重情况和给出丢包率阈值划分的标准，导致数据包的传输时延增加和音视频传输过程中QoS下降。解决上述技术问题的难度：要解决上述问题，需要有效地计算端到端数据传输的丢包率，当数据丢包严重时，上述算法通过逐次反馈接收信息来增加发送FEC数据包冗余度的方法进程缓慢，增加了数据传输过程的时延，降低传输效率。解决上述技术问题的意义：通过解决上述问题，对丢包率较低和较高时候的FEC冗余包进行快速且合理的分配，有效地解决了网络丢包率较低时，多余的冗余数据包会占用一定的带宽资源造成视频延时抖动现象，和当网络丢包率较高时，固定数量的冗余数据包又不足以恢复出正确的源数据包，造成视频卡顿、花屏等问题，提高了接收端音视频的重建质量。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法及应用。本专利技术是这样实现的，一种音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法，所述音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法通过对信道有效损失率的推导和对路径容量、延迟边界的计算进而动态调节FEC包数量和FEC包的出发时间，使得FEC块大小和FEC包的传输时间间隔最小化。进一步，所述音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法包括以下步骤：第一步，确定音视频网络通信路径的度量指标；第二步，音视频通信路径的失真估计，用户最终感知到的音视频失真为信源失真和信道失真之和；第三步，根据音视频通信系统的FEC的性质，信号失真有效损失率计算；第四步，FEC块大小和传输间隔的约束条件确定；第五步，在路径容量和延迟约束下分配足够的FEC包。进一步，所述第一步确定音视频网络通信路径的度量指标包括：带宽μ、往返时间Q、丢包率已知，音视频通信路径上的突发损耗行为由连续时间Gilbert损耗模型建模是一个双态平稳连续时间马尔可夫链；状态χr(t)在t时刻假设有两个值：G(好)和B(坏)；如果在时间t发送一个数据包当χr(t)＝G，发送数据包了；否则，当χr(t)＝B时，出现丢包；用和表示到D的固定路径是好的还是坏的；用λE和λG表示从G到B和从B到G的转移数据包数量，得出：and进一步，所述第二步包括：由端到端音视频失真模型可知，用户最终感知到的音视频失真为信源失真(Dsrc)和信道失真(Dchl)之和，端到端音视频失真表示为：D＝Dsrc+Dchl；信道失真是由平均有效损耗率(Γ)和序列参数决定的，信道失真大致与平均有效损耗率成比例：其中，ε、V0、η参数取决于特定的编解码器和数据序列，通过使用非线性回归技术从试验编码中估计。进一步，所述第三步包括：根据音视频通信系统的FEC的性质，路径P的有效损失率Γ表示为：c表示一个n元组，表示在n包向D传输期间的特定故障配置，如果FEC块中的第i个包在路径P上丢失，那么ci＝B，1≤i≤n，反之亦然；通过考虑所有可能的c配置，计算传输损失率为：其中，表示给定c的路径P上丢失的FEC包的数量，得到的表达式：令P(ci)表示第i个数据包在路径P上丢失的概率，连续吉尔伯特损失模型的P(ci)的推导很简单；用fi，j(θ)表示时间θ时刻路径P从状态i到j转换的概率：fi，j(θ)＝P[χr(θ)＝j|χr(0)＝i]；对于连续时间马尔可夫链，以下状态转移矩阵：其中k＝exp[-(μB+μG)*θ]，的表达式得出，当n＝3，c3＝B|c2＝B|c1＝G，得到：其中θi是出发的时间间隔在路径P上的第i个和(i+1)个FEC包之间，P(c)计算为：最后，经过代数运算，得到：使用M/G/1模型对排队延迟进行建模，通信路径P上数据包的丢失概率表示为：端到端延迟d包括路径传播延迟和数据传输延迟，n个FEC包被分配到D上，d被估计：其中，代表的无损耗带宽，Δ表示FEC数据包的大小，无损耗带宽是在有损路径上进行端到端数据传输可用容量的良好指示器，迟到的FEC包的概率被得出：进一步，所述第四步包括：确定FEC块大小和传输间隔的约束条件：给定网络状态FEC参数(Δ，n，k)，编码率(V)，FEC块的延迟约束(T)，设计一个有效的传输方案使得信道失真降到最低；对于每一个数据包，确定FEC包数量(n)和FEC包的出发时间(Φi)：进一步，优化问题满足以下约束条件：(1)路径P上FEC包(n)的分配数量不超过路径容量且编码时间不超过延迟约束T：(2)所有FEC数据包应在延迟约束T之前估计到达目的地：其中Ψi表示FEC数据包传输延迟和Φi代表了FEC数据包出发的时间；(3)FEC报文按顺序发送，在上一个FEC数据包编码过程完成后，发送下一个FEC数据包，表示为：0≤Φi≤Φi+1，1≤i≤n。进一步，所述第五步包括：在路径容量和延迟约束下分配足够的FEC包：其中表示P的无损带宽，得出：...

【技术保护点】
1.一种音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法，其特征在于，所述音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法通过对信道有效损失率的推导和对路径容量、延迟边界的计算进而动态调节FEC包数量和FEC包的出发时间，使得FEC块大小和FEC包的传输时间间隔最小化。/n

【技术特征摘要】
1.一种音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法，其特征在于，所述音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法通过对信道有效损失率的推导和对路径容量、延迟边界的计算进而动态调节FEC包数量和FEC包的出发时间，使得FEC块大小和FEC包的传输时间间隔最小化。


2.如权利要求1所述的音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法，其特征在于，所述音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法包括以下步骤：
第一步，确定音视频网络通信路径的度量指标；
第二步，音视频通信路径的失真估计，用户最终感知到的音视频失真为信源失真和信道失真之和；
第三步，根据音视频通信系统的FEC的性质，信号失真有效损失率计算；
第四步，FEC块大小和传输间隔的约束条件确定；
第五步，在路径容量和延迟约束下分配足够的FEC包。


3.如权利要求2所述的音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法，其特征在于，所述第一步确定音视频网络通信路径的度量指标包括：带宽μ、往返时间Q、丢包率已知，音视频通信路径上的突发损耗行为由连续时间Gilbert损耗模型建模是一个双态平稳连续时间马尔可夫链；状态Xr(t)在t时刻假设有两个值：G(好)和B(坏)；如果在时间t发送一个数据包当Xr(t)＝G，发送数据包了；否则，当Xr(t)＝B时，出现丢包；用和表示到D的固定路径是好的还是坏的；用λB和λG表示从G到B和从B到G的转移数据包数量，得出：

and


4.如权利要求2所述的音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法，其特征在于，所述第二步包括：由端到端音视频失真模型可知，用户最终感知到的音视频失真为信源失真(Dsrc)和信道失真(Dchl)之和，端到端音视频失真表示为：
D＝Dsrc+Dchl；
信道失真是由平均有效损耗率(Γ)和序列参数决定的，信道失真大致与平均有效损耗率成比例：



其中，ε、V0、η参数取决于特定的编解码器和数据序列，通过使用非线性回归技术从试验编码中估计。


5.如权利要求2所述的音视频服务质量控制的自适应前向纠错方法，其特征在于，所述第三步包括：根据音视频通信系统的FEC的性质，路径P的有效损失率Γ表示为：



c表示一个n元组，表示在n包向D传输期间的特定故障配置，如果FEC块中的第i个包在路径P上丢失，那么ci＝B，1≤i≤n，反之亦然；通过考虑所有可能的c配置，计算传输损失率为：



其中，表示给定c的路径P上丢失的FEC包的数量，得到的表达式：



令P(ci)表示第i个数据包在路径P上丢失的概率，连续吉尔伯特损失模型的P(ci)的推导很简单；用fi，j(θ)表示时间θ时刻路径P从状态i到j转换的概率：
fi，j(θ)＝P[Xr(θ)＝j|Xr(0)＝i]；
对于连续时间马尔可夫链，以下状态转移矩阵：

...

【专利技术属性】
技术研发人员：马乐，李波，张家旭，
申请(专利权)人：西安邮电大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61