3G通信网络的H.264标准问题的若干思考
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摘要:无线通信领域的技术和应用也在迅速发展,移动终端传输视频流将成为3g网络成功的一个重要应用之一。移动终端的最新视频应用为3G应用提供了很好的铺垫。如:应用于视频电话和视频会议的电路交换和包交换会话服务(PCS),应用于直播和视频录象的包交换流媒体服务(PSS)和多媒体信息服务(MMS)等。因此,如何把流媒体算法更好地切入进移动通信领域,是当今最受关注的热点之一,本文将分析把H.264应用在基于IP的3G网络时的性能。
Abstract:Technologies and applications of wireless communications aregrowing rapidly, mobile terminals transmit video streaming will be an important successful application of 3G networks . The latest mobile video applications provide a good groundwork for the 3G application,Such as video telephony and video conferencing which used circuit-switched and packet-switched session services (PCS),broadcast and video of the packet-switched streaming service (PSS) and Multimedia Messaging Service (MMS) and so on. Therefore, how to integrate streaming media algorithms into the field of mobile communications is the focus today, the application of the H.264in IP-based 3G network performance is analyzed.
关键词:视频编码层(VCL);网络提取层;UMTS;CDMA2000
Key words:Video Coding Layer(VCL);NAL;UMTS;CDMA2000
中图分类号:TN91 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)06-0022-01
1移动通信对视频编码标准的要求
无线网络区别于Internet等固网的一个重要特点就是:通过无线网络来传输数据的可用带宽远低于固定网络。因此,对网络的码流要求越低,越适合无线通信。
除此之外,移动网络极容易受地理环境、天气、用户的位置、移动速度和信号载波的频率等因素的影响。虽然在3G系统中进行底层代码的优化可以使许多高度复杂的广播链路频道情况得以改善,例如宽带接入、差异技术、时空编码、多天线系统、快速控制、交叉以及错误修复转发。然而,这些高级的技术只是对快速移动的用户和相对较大时延的应用来提供可以忽略不计的位错误和丢包率。通常,由于信道不稳定的原因,在低时延的应用里面不得不忽略一些残留的错误。 因此,除了高压缩效率和合理的复杂性,适用于无线环境会话服务的视频编码标准必须具有较高的抗误码的能力。
2H.264标准相关问题的探讨
H.264标准压缩系统由视频编码层(VCL)和网络提取层(Network Abstraction Layer,NAL)两部分组成。VCL中包括VCL编码器与VCL解码器,主要功能是视频数据压缩编码和解码,它包括运动补偿、变换编码、熵编码等压缩单元。NAL则用于为VCL提供一个与网络无关的统一接口,它负责对视频数据进行封装打包后使其在网络中传送,它采用统一的数据格式,包括单个字节的包头信息、多个字节的视频数据与组帧、逻辑信道信令、定时信息、序列结束信号等。通过NAL单元,H.264可以支持大部分基于包的网络。
H.264的VCL和NAL层都采用了相应的算法来加强它的差错恢复性能。VCL层的差错恢复功能主要包括参数集、灵活的宏块排序和冗余片RS等。而NAL则是其来支持众多基于包的有线/无线通信网络的基础。已经分析了3G的协议发展趋势,因此在下面将主要分析NAL在基于RTP/UDP/IP传输框架的差错恢复能力。下面首先分析NAL层的基本处理单元NALU以及它的网络封装、分割和合并的方法。
每个NAL单元是一个一定语法元素的可变长字节字符串,一个NAL单元可以携带一个编码片、A/B/C型数据分割或一个序列,或图像参数集。
NAL单元的第一个Byte携带它的头部信息,它各个部分说明如下:
F: 1 比特
禁止位。默认是0,根据h.264标准,如果发现该单元存在句法错误,则将其置为1,以便接收方丢掉该单元。主要用于适应不同种类的网络环境,例如一边是非IP环境,一边是基于IP的无比特错误的环境。假设一个NAL单元到达非IP环境那边时,校验和检测失败,网关可以选择从NAL流中去掉这个NAL单元,也可以把已知被破坏的NAL单元前传给接收端。在这种情况下,智能的解码器将尝试重构这个NAL单元(已知它可能包含比特错误)。而非智能的解码器将简单地抛弃这个NAL单元。
NRI: 2 bits
重要性指示位。00:表示该NAL单元的内容没有在帧内预测中被用来重构参考图像。这种NAL单元将被丢弃。任何一组大于00的值都表示该NAL单元都在重构图像时起作用。且值越高,重要性越大。
Type: 5 bits
这部分定义了NAL单元的种类。可以表示NALU的32种不同类型特征,类型1～12是H.264定义的,类型24～31是用于H.264以外的,RTP负荷规范使用这其中的一些值来定义包聚合和分裂,其他值为H.264保留。
一组NAL单元被称为一个接入单元,定界后加上定时信息(SEI),形成基本编码图像(PCP)。PCP之后是冗余编码图像(RCP),它是PCP同一视频图像的冗余表示,用于解码中PCP丢失情况下恢复信息。如果该编码视频图像是编码视频序列的最后一幅图像,应出现序列NAL单元的end,表示该序列结束。一个图像序列只有一个序列参数组,并被独立解码。
H.264采用上述严格的接入单元,不仅使H.264可自适应于多种网络,而且进一步提高其抗误码能力。序列号的设置可发现丢的是哪一个VCL单元,冗余编码图像使得即使基本编码图像丢失,仍可得到较“粗糙”的图像。
不同的标准在无线环境中的性能可以用SNR值表示,我们定义它的计算式如下:
SNR=-20log10(/255)(db)
DE=E{[fn(x,y)-n(x,y)]2}
X,Y:视频图像的尺寸; N:视频序列的帧数;fn(x,y)是原序列第n帧(x,y)点的像素值,n(x,y)是经过无线信道传输后解码的序列第n帧(x,y)点的像素值。
通过分析和仿真,我们看到在网络的码率或差错率等不同的条件下,264比起前一代的视频压缩技术,具有较强的抗误码特性,更有利于未来分组网络的传输,因此能更好地支持无线网络流媒体业务。
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