CN1759541A - 改变延迟和带宽条件下的无线链路上的视频分组 - Google Patents

Abstract

一种无线网络中的装置，包括：视频编码器，用于将未压缩视频信息编码成压缩帧的具有可变长度的分组；和判定处理器，用于根据希望的接收质量，为每个分组选择无线信道上的部分带宽和排队延迟。所述排队延迟和部分带宽最好是代表无线传输服务质量等级的多个不同排队延迟和部分带宽之一。

Description

改变延迟和带宽条件下的无线链路上的视频分组

技术领域

本发明涉及无线通信，更具体地说，涉及根据视频质量要求、在改变带宽的条件下经由无线链路最优地发送视频分组。

背景技术

图1的通用移动电信网络10包括在移动设备11与表示为结点B的蜂窝式无线电天线塔12之间的无线链路。可以通过连接到公众交换电话网PTSN19的移动交换中心MSC17来访问标识位置(home location)寄存器HLR18。陆地线路通信网络包括连接到正服务通用分组无线电业务支持结点SGSN14的无线网络控制器RNC13。将结点SGSN14连接到移动交换中心17和网关通用分组无线电业务支持结点GGSN15。将因特网/分组数据网PDN16链接到网关结点GGSN15。

参见图2的方框20，示出了指示为f1、f2、f3、f4和f5的多个未压缩视频帧，它们具有以字节数来表示的固定大小。在视频编码器21进行了视频压缩之后，编码每个视频帧所需要的字节数是可变的，以实现整体视频帧的稳定视频质量，这将导致压缩视频的具有可变长度的分组P1、P2、P3、P4和P5的可变比特率VBR 23流。

经由无线网络或链路传送可变比特率(VBR)压缩视频流需要网络资源的分配。经由无线移动网络传送具有可变帧尺寸的可变比特率(VBR)视频流则需要对每个帧分配适当的网络资源，从而最大化网络效率、最小化传送抖动(帧到达差异)、并且平稳无线网络的业务流量。

目前的视频传送应用将视频流映射成一个没有任何自适应性的服务质量QoS队列。对于可变比特率VBR视频流，用于所有具有可变尺寸的帧的固定服务质量QoS队列并不是最优的方案。

因此，需要经由无线链路最优地发送可变长度视频分组。

发明内容

本发明经由无线通信链路最优地发送具有可变长度或可变比特率的视频分组。

一种包含指令的计算机可读介质，当在通信网络中通过处理器执行所述指令时，计算机可读介质执行以下步骤：接收压缩视频信息的可变长度的分组；以及对于每个所述分组，从无线信道上可用的总带宽中确定部分带宽和排队延迟，用于经由所述无线信道发送所述分组，每个所述分组的排队延迟和部分带宽是基于在所述无线信道的接收位置处的接收质量的标准。最好地，部分带宽是代表无线传输服务质量等级的多个不同排队延迟和部分带宽之一，并且所述多个不同排队延迟和部分带宽代表四个服务质量等级：会话式(convensational)、流式(streaming)、交互式(interactive)和后台(background)。最好地，所述标准包括以下各项中的至少一项：最大带宽(kbps)、保证比特率(kbps)、传送顺序、最大服务数据单元SDU尺寸(8位字节)、服务数据单元SDU格式信息(比特)、服务数据单元SDU误差率、残留误码率、错误服务数据单元SDU的传送、传送延迟(ms)、业务处理优先级、以及分配/保持优先级。

在本发明的另一方面，一种无线网络中的装置包括：视频编码器，用于将未压缩视频信息编码成压缩帧的具有可变长度的分组；和判定处理器，用于根据希望的接收质量，为每个所述分组选择与无线信道的部分带宽有关的等级。

在本发明的另一方面，一种用于视频信息的无线传输的最优带宽分配的方法，所述方法包括以下步骤：将视频信息转换成具有可变长度的比特分组；以及为每个所述分组分配无线信道上的带宽，所述带宽与所述无线信道上的所述分组的接收质量的标准有关。

附图说明

根据结合附图对本发明的示例性实施例的以下详细描述，本发明的这些和其他目的、特性和优点将会变得更加清楚。

参照以下附图，将在以下对优选实施例的描述中详细地介绍本发明，其中：

图1是通用移动电信系统UMTS的系统方框图；

图2是表示将具有固定比特大小的未压缩视频帧编码成具有可变长度的比特压缩视频的分组的框图；

图3是根据本发明，按照服务质量QoS的多个等级，经过无线信道最优地路由的可变比特率视频分组的框图；以及

图4是表示在视频传送中，用于帧间延迟的最优最小变化的数学原理。

具体实施方式

本发明将可变比特率VBR视频流映射到在3GPP的通用移动电信系统(UMTS)规范中所规定的四个服务质量(QoS)等级，从而最大化网络效率、最小化传送抖动(帧到达差异)、并且平稳无线网络上的业务流量。通过最优化目标函数来确定映射，所述目标函数实现帧常量延迟(constant delay)的目标。在无线网络中，通过将具有较大帧尺寸的帧映射到较高的服务质量QoS等级上，并且将具有较小帧尺寸的帧映射到较低服务质量QoS等级上，提供简单的无状态队列调度机制以平衡服务质量QoS等级上的负载，从而实现高的调用允许率和低的视频质量失真。此外，以较低服务质量QoS等级进行的业务要比以较高服务质量QoS等级进行的业务的成本低。本发明为用户提供平衡的成本相对于质量的方案，从而适应无线网络上视频传送应用的用户需要和期望。

典型地，视频帧类型在帧尺寸上具有以下顺序：I、P、B。通常，I帧的帧尺寸要比P和B帧的帧尺寸大很多。因此，本发明自然将I帧映射到较高的服务质量QoS等级，而将P和B帧映射到较低的服务质量QoS等级。从可伸缩视频压缩来看，可以将I帧看作具有最高优先级的基本子层，而将P和B帧看作具有较低优先级的增强子层。因此，本发明自动实现了将可伸缩视频映射到不同的服务质量QoS等级的观点。

在图3中示出了具有多个服务质量QoS等级Q0、Q1、Q2、Q3的本发明的无线通信系统30。将具有可变帧长度的视频分组选择性地发送经过无线信道31中可用的带宽。每个服务质量等级与具有在无线信道31的接收端32所需要的不同服务质量QoS参数的队列Q0-Q3相关。诸如带宽、延迟时间、抖动等的服务质量QoS参数对无线发送链路31有不同的发送带宽要求。如30中所示，服务质量等级或队列Q0在无线信道31中以比服务质量Q3要高的成本来提供较高的发送带宽。因此，以服务质量等级Q0的传输在接收端32传送视频的成本要比以服务质量等级Q3的传输传送视频的成本高。根据考虑带宽可用性以及诸如延迟时间和抖动等的视频质量因素的最优决定，将可变比特率分组路由到不同服务质量等级或队列Q0-Q3。

在3G移动网络中，规定了四个服务质量QoS等级：会话式、流式、交互式和后台。通过将具有不同尺寸的视频帧映射到多于一个的移动网络服务质量QoS等级，我们可以实现那些目标。

在视频中，不是所有的帧都是同样产生的。一些帧要比其他的帧更加动态。例如，位于视频记录中间的具有大量动作的运动视频以及具有场景变化的视频就需要更多比特用来编码，并且需要更多的带宽用来传送。将视频数字化地压缩成一串具有可变尺寸(字节数)的帧，从而最大化整体视频质量。使用具有固定服务质量QoS(吞吐量、延迟时间、抖动要求)的网络是不经济的。在3G通用移动电信系统UMTS无线网络中，3GPP标准正文规定了四个不同的服务质量QoS等级：会话式(服务质量QoS等级0)、流式(服务质量QoS等级1)、交互式(服务质量QoS等级2)和后台(服务质量QoS等级3)。每个等级具有其自己的服务质量QoS参数范围。3GPP为所述四个服务质量QoS等级规定了以下参数：最大带宽(kbps)、保证比特率(kbps)、传送顺序、最大服务数据单元SDU尺寸(8位字节)、SDU格式信息(比特)、SDU误差率、残留误码率、错误SDU的传送、传送延迟(ms)、业务处理优先级、分配/保持优先级。

假设视频流包括一个帧序列，

F＝{f₀，f₁，...，f_n}

并且每帧具有以比特数来表示的大小，

B＝{b₀，b₁，...，b_n}

在通用移动电信UMTS网络10中，为每个用户分配四个数据队列以支持四个服务质量QoS等级。在时间t，我们假设为每个队列所估计的可用带宽是可用的：

C(t)＝{c₀(t)，c₁(t)，c₂(t)，c₃(t)}

并且每个队列的平均排队延迟时间是公知的：

D(t)＝{d₀(t)，d₁(t)，d₂(t)，d₃(t)}

在相同的时间t，具有帧尺寸b_i(i＝0，1，2，...，n)的帧f_i(i＝0，1，2，...，n)移动到发送缓冲器的起始处。经过四个服务质量QoS队列之一，以一个电波反射(hop)将帧从发送器发送到接收器所花费的时间为

T′_k＝d_k(t)+b_i/c_k(t)    i＝0，1，...，n    k＝0，1，2，3    等式(1)

第一项是排队延迟，而第二项是网络传输延迟。视频流的端到端延迟要求ΔT是基础网络必须保证的视频质量之一。帧间延迟的变化称为抖动。无抖动(抖动＝0)传送的视频流满足常量延迟要求，即

ΔT＝常量

但是，在视频传送网络中抖动是不可避免的。因此，我们定义了以下目标函数并将其最优化，从而最小化抖动，以便尽可能地将延迟时间保持为常数。

$\underset{k}{\mathrm{Min}}|d_k\left(t\right)+\frac{b_i}{c_k\left(t\right)}-\mathrm{\ΔT}|k=\mathrm{0,1,2,3}$ 等式(2)

等式(2)条件为

$\mathrm{\α}\≤d_k\left(t\right)+\frac{b_i}{c_k\left(t\right)}-\mathrm{\ΔT}\≤\mathrm{\β}$ 等式(3)

等式(3)其中α和β为常数并且确定抖动的范围。这个限制意味着通过采用ΔT作为参考值，传送时间不得早于α秒和晚于β秒。如果必须在ΔT秒内传送每个帧，β必须等于0。这已在图4的图线40中示出，其示出了在较早到达帧41和较迟到达帧42之间变化的抖动范围。

换言之，我们对全部四个服务质量QoS等级进行搜索，以便找到具有最低可用带宽服务质量QoS但是仍然满足延迟要求的服务质量QoS等级。

这里给出一个说明以上提出的算法的例子。假设发送第i个帧，以使端对端延迟限制ΔT为10毫秒。使经过四个服务质量QoS队列，以一个电波反射将帧从发送器发送到接收器所花费的时间为

$T_k^i=d_k\left(t\right)+b_i/c_k\left(t\right),i=\mathrm{0,1},...n,k=\mathrm{0,1,2,3}$

假设

$T_0^i=5\mathrm{ms}$

$T_1^i=8\mathrm{ms}$

$T_2^i=11\mathrm{ms}$

$T_3^i=15\mathrm{ms}$

α＝-1ms

β＝2ms

定义

$\mathrm{\Ω}=d_k\left(t\right)+\frac{b_i}{c_k\left(t\right)}-\mathrm{\ΔT},k=\mathrm{0,1,2,3}$

并且采用等式2

对于QoS0，|Ω|为|5-10|＝5

对于QoS1，|Ω|为|8-10|＝2

对于QoS2，|Ω|为|11-10|＝1

对于QoS3，|Ω|为|15-10|＝5

采用给出限制条件为α≤Ω≤β的等式3，其中α＝-1ms，而β＝2ms。根据以上算法，我们了解到尽管QoS0和QoS1提供较高的带宽，但是应该选择服务质量QoS2来发送帧，从而实现最佳成本有效的目标。

相对于习惯方法，将可变比特率VBR视频流映射到四个服务质量QoS等级的本发明具有三个主要优势：其以最优的有效方式，在UMTS系统中最优化服务质量QoS资源的利用。采用较低的允许的带宽服务质量QoS等级对运营商和用户都带来了经济利益。

为抖动变化最优化(最小化)目标函数。可以实现近似常量延迟要求。通过实现近似常量延迟要求，从网络的角度上来说，这等同于业务整形功能。这减少了在网络上传送视频流的突发(burst)特性。

尽管已经描述了采用本发明中的经由无线链路最优地发送可变长度分组的示例性移动电信系统(用于说明而不是限制)，但是需要注意的是本领域的技术人员可以根据以上示教进行修改和改变，例如提供QoS的Hiperlan II无线LAN(WLAN)。因此，需要理解的是在所附权利要求所描述的本发明的范围和精神之内，可以对本发明所公开的特定实施例进行改变。

Claims (22)

1.一种包含有指令的计算机可读介质，当在通信网络中通过处理器执行所述指令时，其执行以下步骤：

接收压缩视频信息的可变长度的分组(23)；以及

对于每个所述分组，从无线信道上可用的总带宽中确定(33)部分带宽和排队延迟，用于经由所述无线信道发送所述分组，每个所述分组的排队延迟和部分带宽是基于在所述无线信道的接收位置处的接收质量的标准。

2.如权利要求1所述的计算机可读介质，其中所述排队延迟和部分带宽是代表无线传输的服务质量QoS等级的多个不同排队延迟和部分带宽之一。

3.如权利要求2所述的计算机可读介质，其中所述多个不同排队延迟和部分带宽代表四个服务质量QoS等级(Q0、Q1、Q2、Q3)：会话式、流式、交互式和后台。

4.如权利要求1所述的计算机可读介质，其中所述排队延迟和部分带宽是多个不同排队延迟和部分带宽之一；每个所述不同排队延迟和部分带宽与不同的接收质量有关。

5.如权利要求4所述的计算机可读介质，其中所述多个不同的排队延迟和部分带宽为四个不同的排队延迟和带宽，每一个与不同的接收质量的标准有关。

6.如权利要求5所述的计算机可读介质，其中所述四个不同排队延迟和部分带宽中的每个与四个服务质量QoS等级(Q0、Q1、Q2、Q3)中的一个有关，所述服务质量QoS等级与接收质量的不同标准有关。

7.如权利要求6所述的计算机可读介质，其中所述四个服务质量等级包括第三代(3G)服务质量等级：会话式、流式、交互式和后台。

8.如权利要求1所述的计算机可读介质，其中所述标准包括以下各项中的至少一项：最大带宽(kbps)、保证比特率(kbps)、传送顺序、最大服务数据单元SDU尺寸(8位字节)、服务数据单元SDU格式信息(比特)、服务数据单元SDU误差率、残留误码率、错误服务数据单元SDU的传送、传送延迟(ms)、业务处理优先级、以及分配/保持优先级。

9.一种无线网络中的装置，所述装置包括：

视频编码器(21)，用于将未压缩视频信息编码成压缩帧的具有可变长度的分组；和

判定处理器(33)，用于根据希望的接收质量，为每个所述分组选择与无线信道的部分带宽有关的QoS等级。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述部分带宽是第三代无线服务质量等级的多个不同部分带宽之一。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述多个不同部分带宽代表四个服务质量等级(Q0、Q1、Q2、Q3)：会话式、流式、交互式和后台。

12.如权利要求9所述的装置，其中所述部分带宽是可从所述总带宽中选择的多个不同部分带宽之一，每个所述不同部分带宽与不同的所述希望的接收质量有关。

13.如权利要求12所述的装置，其中所述多个不同部分带宽是四个不同带宽。

14.如权利要求13所述的装置，其中所述四个不同带宽中的每个与四个服务质量等级(Q0、Q1、Q2、Q3)中的一个有关，所述服务质量等级与不同的所述希望的接收质量有关。

15.如权利要求14所述的装置，其中所述四个服务质量等级包括第三代(3G)服务质量等级：会话式、流式、交互式和后台。

16.如权利要求9所述的装置，其中所述标准包括以下各项中的至少一项：最大带宽(kbps)、保证比特率(kbps)、传送顺序、最大服务数据单元SDU尺寸(8位字节)、服务数据单元SDU格式信息(比特)、服务数据单元SDU误差率、残留误码率、错误服务数据单元SDU的传送、传送延迟(ms)、业务处理优先级、以及分配/保持优先级。

17.如权利要求9所述的装置，其中所述判定处理器进一步包括：根据所述希望的接收质量为每个所述分组选择排队延迟。

18.一种用于视频信息的无线传输的最优带宽分配的方法，所述方法包括以下步骤：

将视频信息转换成具有可变长度的比特分组；以及

为每个所述分组分配无线信道上的带宽，所述带宽与所述无线信道上的所述分组的接收质量的标准有关。

19.如权利要求18所述的方法，进一步包括以下步骤：为每个所述分组确定排队延迟时间，所述排队延迟时间与所述分组的接收质量的所述标准有关。

20.如权利要求18所述的方法，其中所述转换步骤包括：将作为等比特的未压缩视频帧的所述视频信息编码成压缩视频的可变长度的分组。

21.如权利要求20所述的方法，其中所述接收质量包括四个要求不同带宽的服务质量等级。

22.如权利要求18所述的方法，其中所述带宽是所述无线信道上四个可选择带宽之一，所述四个可选择带宽中的每个与各自的所述接收质量有关。

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