IP视频通信中的丢包恢复技术_视像通讯

IP视频通信中的丢包恢复技术

2008/04/02

　　在IP视频通话中，即使是在丢包率很小的情况下也会对使用效果造成较为明显的影响。正是由于这个原因，自从上世纪九十年代中后期IP视频会议技术出现以来，在“有损耗”的IP网络上成功召开视频会议的能力一直是一项挑战。近年来，随着低成本，共享式的网络线路的普遍采用(如DSL，有线，卫星，LAN和WAN，公共互联网等)以及使用更高通话带宽(通常需要支持更高的视频分辨率)则使这一问题显得更为突出。

造成丢包的原因

　　丢包可以由内部(企业LAN范围内)或外部(企业WAN或网络提供商的核心网)原因引起。丢包的主要原因包括：网络拥塞、高优先级流量阻塞低优先级流量、网络设备问题(交换机，路由器故障等)、设置/配置问题(10/100M不匹配，IP地址重复使用等)、视频设备问题、电缆问题(线路问题，连接问题)等等。

在IP视频会议应用上丢包造成的影响

　　在IP视频通话中丢包造成的影响多种多样。其中对视频质量的影响主要有：马赛克现象、局部变形(图像的某些区域不清晰)、图像模糊、屏幕频繁刷新或闪烁、视音频不同步、帧率下降、图像静止等等。对音频质量的影响包括：总体音频失真、间断或间歇性噪音、音频中断等。而对内容和演示数据质量的影响则包括：幻灯片模糊变形、翻页速度减慢或屏幕频繁刷新和图像静止等等。另外，丢包还会引起过度延迟，甚至是通话中断。

　　IP视频通话中丢包造成的影响程度主要由丢包率、丢包随时间变化情况和视频通话中各个终端和设备的能力所决定。正如我们通常认为的那样，丢包率越高，对视频通话的影响也更为明显。

什么是丢包恢复技术LPR

　　LPR (或称丢包恢复)是宝利通最新开发的一种算法，其目的是保护IP视频通话免受网络丢包的影响。LPR采用前向纠错(FEC)方法，这是一种差错恢复方法，由发送方系统为发出的数据流添加冗余数据，使接收方系统可以侦测并纠正错误，而无需请求发送方系统重新传送丢失的信息。这种无需等待网络传送就可进行纠错的能力，使得FEC非常适合于实时通信，如电视广播，IP电话以及IP视频会议。LPR的理论依据是：以相对低一些的通话速率提供稳定的视频通话质量，远比受到各种视音频问题(马赛克、画面静止、断续等)困扰的视频通话要好得多。

LPR如何发挥作用

　　宝利通视频终端对所有正在进行的通话进行呼入丢包信息监控。一旦检测到丢包，终端就会采用三种手段来保证通话质量：丢包恢复(LPR)，动态带宽分配(DBA)，以及在不支持LPR的情况下，采用宝利通视频差错隐消(PVEC)技术。

丢包恢复(LPR)

　　不同于大多数差错隐消/规避算法(包括宝利通自有的PVEC)只介入接收丢包信息的系统(以下简称“接收系统”)，LPR会介入到视频通话中的各方系统中。

　　如下面流程图所示，LPR通过临时将一部分通话带宽分配给一个数据通道(本文中我们将其简称为FEC通道)，从而用于发送FEC数据给接收系统来发挥作用。通过一个循环处理，LPR会增加或减少FEC数据通道的大小，直到找到必须分配给FEC数据通道的最小带宽，从而使得接收系统能够恢复所有丢失的数据包。

　　当FEC发挥作用时(意思是FEC数据通道的大小超过0kbps)，系统反复检测是否可以减少FEC数据通道的大小，从而为音频、视频和内容数据提供更多可用的通话带宽。因此，LPR只在检测到丢包时才会占用带宽。这一特点，使得LPR非常适合随机的或突发性的丢包环境(如互联网)。

宝利通动态带宽分配(DBA)

　　针对丢包率相对固定的环境，宝利通的动态带宽分配(DBA)功能可以与LPR相配合。DBA也是一种算法，可以在视频通话过程中自动且动态地调整视频码率，以消除或避免丢包。

　　例如，在一个384 kbps的视频通话中(320 kbps用于视频，64kbps用于音频)检测到一个稳定在10%的丢包率，DBA就会降低约10%视频码率，由320kbps降到288kbps左右。然后重新采样信号，观察是否还存在丢包现象。如果有必要，DBA可以进一步降低视频码率，直到在数秒内不再出现丢包为止。

　　在降低码率后，如果DBA测定丢包只是暂时的（持续时间不到几秒钟），DBA将逐步增加视频码率。然而，如果DBA持续检测到丢包现象，它就不再调整视频码率，并将通话继续进行下去。这一方法，使得DBA非常适合于由网络过度使用或因吞吐量问题引起的丢包现象。

宝利通视频差错隐消（PVEC）

　　在参与通话的各方系统都不支持LPR的情况下，可以使用宝利通视频差错隐消 (PVEC) 功能。PVEC是一种用于IP视频服务质量（QoS）的算法。它可以对由丢包所造成的影响进行补偿。它通过利用相邻的宏块、前帧和后帧来估算出当前视频帧的内容。与LPR的恢复丢失的数据包和DBA的避免丢包技术不同，PVEC的作用是掩盖丢包造成的影响。

LPR与其它丢包隐消算法的区别

1)包恢复与丢包掩盖

　　其它解决方案大多是要么试图隐藏丢包造成的影响（差错隐消），要么通过降低视频码率（降速）避免丢包。而LPR则是通过真正恢复丢失的数据包将这些技术又推进了一步。

2)自复原功能
　　许多类似方案也能通过降低码率，避免或减少丢包的影响，但大多数方案在丢包现象好转后却不会提高码率。而LPR则能够在丢包现象消失后，将通话速率恢复到初始状态。

3)全面覆盖
　　大多数类似系统的差错隐消方案只保护视频通道，而LPR则实现了覆盖视频通话的全部三个部分（语音，视频及内容）。

丢包恢复(LPR)所带来的好处

LPR带来五项突出的优势：

1)丢包保护

　　LPR使用户可以在误码率较高的IP网络上(DSL、有线、卫星、高冲突LAN/WAN等)进行高质量的视频通话，而无需忍受丢包带来的影响。

2)临时性网络问题补偿
　　通过对正在进行通话的码率进行临时调整，LPR可以保护视频通话免受短时网络问题的影响。一旦网络问题解决，LPR会自动将码率回调到最高水平(根据发起通话速率或当前的带宽可用性)。

3)降低延迟
　　通过允许接收方系统实时重建和恢复丢失的数据，LPR排除了接收方系统需要等待可能丢失的、延迟的或混乱信息的需求。反过来，也减少了动态抖动缓冲区空间以及相关的延时。

4)提高资源效率
　　LPR使企业或组织可以将所有可用带宽用于视频通话。用户可以在理想的呼叫速率下方便的通话，并且LPR可以自动调整码率，以利用全部可用带宽。这对于在容量不断变化的网络链路上(共享链路，高度拥堵链路)通话具有特殊的价值。

5)对媒体的全面保护
　　LPR保护包括视频会议通话的所有元素：语音、视频及内容。

　　图2显示了384 kbps速率视频通话时，开启和关闭LPR功能，5%的丢包率所造成的影响对比。注意左图中视频图像的模糊现象(关闭LPR / PVEC功能)。右图中显示了综合使用LPR，PVEC和DBA后彻底消除了丢包影响。注意在实际视频通话中的图像失真要比下面左图静止图像所表现的效果还要明显。

　　图3显示的是对内容和演示数据进行测试的结果，可以看出LPR对H.239的支持同样非常出色。开启和关闭LPR / PVEC时对丢包处理的区别十分明显。

目前支持LPR的视频系统

　　宝利通的HDX视频系统和基于HDX的解决方案现已具备LPR功能。这些方案包括宝利通RealPresence Experience (RPX)和Telepresence Experience (TPX)极致远真解决方案。宝利通预计在2008年第二季度为其VSX产品线的全部产品以及宝利通RSS 2000视频捕捉系统添加LPR功能。之后会在RMX 2000上提供LPR支持。一旦计划完成，LPR还将可以保护不同的但都具有LPR功能的系统之间的通话 (如HDX和VSX)。

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