一种基于无线网络的视频数据包传输方法及系统

摘要

本发明涉及一种基于无线网络的视频数据包传输方法及系统。该方法包括：源节点提取当前视频帧的元数据；源节点根据所述元数据和所述视频帧数据包的类型获取当前视频帧中数据包的权重；转发节点或目的节点根据当前视频帧的数据包的权重和各优先级队列的长度将各个数据包调度进不同的优先级队列，以进行视频数据包的传输；其中，所述元数据包括视频帧结构、视频帧类型和视频帧在GOP中的位置；每个视频帧分为帧头数据包和帧内容数据包。本发明保证了权重越高的数据包具有更大的概率通过高优先级队列发送，而权重较低的数据包竞争高优先级队列的概率则相对较小，提高了信道利用率，提高了视频传输的质量。

说明书

技术领域

本发明涉及无线网络视频传输技术领域，尤其涉及一种基于无线 网络的视频数据包传输方法及系统。

背景技术

网络化数字化的未来工业对工业生产监控提出了更高的要求。视 频监控以其信息的丰富性和用户的友好性成为其中最重要也最常用 的监控手段。然而，在许多极端环境下的工业生产，比如油田、矿井 等，往往难以甚至无法部署有线视频监控系统。在这种场景下，基于 无线多跳网络的视频传输和监控系统具有得天独厚的应用优势。

然而在极端条件下部署无线多跳视频传输系统存在许多挑战。特 别是长距离的传输、高温或低温环境、严重的风沙等部署环境都可能 对无线网络的传输性能造成极大影响。与此同时，无线多跳视频传输 网络的性能要求却非常之高，通常都是在大范围的监控区域部署大规 模的网络，在不可预测的链路质量下实现低延迟和高可靠性的视频传 输。因此，如何保证在无线网络中的视频传输质量是工业视频监控系 统成功的关键。

针对无线局域网络视频传输的研究非常多，有大量关于服务质量 的算法、协议和标准先后被提出。例如，IEEE802.11e无线传输协议 中定义了EDCA视频调度机制，将不同权重的数据包放在不同的优先 级队列中(如图2所示)。IEEE802.11e中定义了四个优先级队列，即 AC(0),AC(1),AC(2),AC(3)，每个队列在竞争无线信道时 具有不同的访问参数，包括拥塞窗口、数据包间隔、连续传输时长等， 由此造成不同的信道访问优先级。在默认的EDCA中，AC(0)(对应 图2中的AC_BK)用于传输背景数据，AC(1)(对应图2中的AC_BE) 用于传输最大努力(bestefforts)业务，AC(2)(对应图2中的AC_VI) 和AC(3)(对应图2中的AC_VO)分别用于输出视频数据和声音数 据。四个队列按照优先级从高到低的顺序为AC(3)>AC(2)>AC (1)>AC(0)。具体地，声音与视频数据被赋予更高的优先级，通 过较高优先级的队列传输。

另一方面，视频编码技术领域的发展出现了诸如H.264、 MPEGE-4等分级编码技术，视频数据被编码为不同权重的视频帧。 因此，分级编码与IEEE802.11e一起，为视频传输服务质量保障的跨 层设计奠定了基础：将权重高的视频帧放入高优先级的队列以提高带 宽不足情况下的视频传输质量。

在H.264等视频分级编码技术中，视频帧由基本的图像帧组 (GroupofPictures,GOP)组成，每一个图像帧组由三种不同的帧类 型组成：I帧(intracodedframe)、P帧(predictivecodedframe)、B帧 (bi-predictivecodedframe)，其中每一个GOP都由一个I帧开始，后面 跟着交替出现的一定数量的P帧和B帧。通常，一个图像帧的结构可 以记作G(N,M)，其中N是该GOP中总的帧数，M是I帧和P帧之间的帧 数(等于两个P帧之间的距离)。如图1所示，G(12,3)表示一组GOP结 构为“IBBPBBPBBPBB”。

不同类型的帧对于视频解码的权重各不相同。I帧是一组GOP的 第一帧，也是压缩最轻的帧，包含了解码该帧的所有信息，因此不依 赖于相同GOP中的任何其他数据帧。P帧存储当前帧与前一个I帧或者 P帧之间的差值，因此需要其前导I帧或P帧的信息才能完整解码。B 帧是GOP中压缩率最大的帧，其编解码依赖于前后的I帧和P帧作为参 考数据。很显然，对于解码视频视距，I帧的权重高于P帧，而P帧高 于B帧。

现有的包括EDCA在内的视频帧优先级调度机制存在许多局限， 比如只区分视频数据与非视频数据、只区别不同的视频帧类型、未考 虑队列长度等，这些因素都造成了在带宽受限的无线网络环境下，视 频传输的QoS得不到有效保障。

传统的视频数据调度映射机制包括静态映射机制和动态映射机 制两类。静态映射机制将某一类型的数据帧固定地放入某一个队列， 而动态映射机制中，则考虑数据帧的帧类型以及队列的拥塞窗口、队 列长度等，每一种类型的数据帧都具有概率被放入任何一个队列(如 图3所示)。

但现有视频数据传输方法未考虑相同类型不同位置的帧的权重 差异，也未考虑同一视频帧中不同帧头数据包与帧内容数据包的区 别。因此信道资源并没有得到最大化利用，输出的视频质量不能保证 最好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的基于无线网络的视频数据 传输方法信道利用率低、视频质量较差的问题。

为解决上述技术问题，本发明一方面提出了一种基于无线的网络 视频数据包传输方法，该方法包括：

源节点提取当前视频帧的元数据；

源节点根据所述元数据和所述视频帧数据包的类型获取当前视 频帧中数据包的权重；

转发节点或目的节点根据当前视频帧的数据包的权重和各优先 级队列的长度将各个数据包调度进不同的优先级队列，以进行视频数 据包的传输；

其中，所述元数据包括视频帧结构、视频帧类型和视频帧在GOP 中的位置；每个视频帧分为帧头数据包和帧内容数据包。

可选地，所述源节点根据所述元数据和所述视频帧数据包的类型 获取当前视频帧中数据包的权重包括：

根据视频帧结构、视频帧类型和视频帧在GOP中的位置获取视频 帧的第一权重；

根据视频帧的第一权重确定视频帧的帧头数据包和帧内容数据 包的权重；

其中，视频帧的帧头数据包的权重为该视频帧的第一权重加权重 增量；视频帧的帧内容数据包的权重为该视频帧的第一权重。

可选地，所述根据视频帧结构、视频帧类型和视频帧在GOP中的 位置获取视频帧的第一权重包括：

I帧的第一权重为1；

根据P帧的前后帧中被当前帧影响的帧数量和影响当前帧的帧数 量获取P帧的第一权重；

根据B帧的前后帧中被当前帧影响的帧数量和影响当前帧的帧数 量获取B帧的第一权重。

可选地，所述根据P帧的前后帧中被当前帧影响的帧数量和影响 当前帧的帧数量获取P帧的第一权重，包括：

根据公式一获取P帧的第一权重：

$w=g\left(f_0{\alpha }^{f_1}\right),$公式一

其中，f₀为被当前帧影响的帧数量，f₁为影响当前帧的帧数量， α∈(0，1)，是调节f₀和f₁的影响系数的因子，f₀≥1，f₁≥1；g(x)是一 个单调递增函数。

可选地，所述根据B帧的前后帧中被当前帧影响的帧数量和影响 当前帧的帧数量获取B帧的第一权重，包括：

根据公式二获取B帧的第一权重：

$w=g\left(f_0{\alpha }^{f_1}\right),$公式二

其中，f₀为被当前帧影响的帧数量，f₁为影响当前帧的帧数量， α∈(0，1)，f₀≥1，f₁≥1；g(x)是单调递增函数。

可选地，单调递增函数g(x)定义如下：

g(x)＝a(log(x)+b)+b₀，

其中，b₀为一个基准线值，$a=\frac{1-b_0}{\log \left(N\right)-\log \left({\alpha }^{\frac{N}{M}}\right)},b=-\log \left({\alpha }^{\frac{N}{M}}\right);$log(N)和分别为的最大值和最小值；

对于GOP中的第p个P帧，f₀＝N+M-1-M*p，f₁＝p，对于该 P帧之后、在下一个P帧之前的任意B帧，f₀＝1，f₁＝min{p+2，N/M}； 对于在I帧和第一个P帧之间的B帧，f₁＝2；对于任何在I帧和第一个P 帧之间的B帧，p＝0；N和M为大于0的整数。

可选地，所述根据视频帧的数据包的权重和各优先级队列的长度 将各个数据包调度进不同的优先级队列包括：

根据视频帧的数据包的权重按照优先级从高到低的顺序查找各 优先级队列，根据视频帧的权重、各优先级队列的最大队列长度和各 优先级队列的当前队列长度将当前视频帧调入相应的优先级队列。

可选地，所述根据视频帧的权重、各优先级队列的最大队列长度 和各优先级队列的当前队列长度将当前视频帧调入相应的优先级队 列包括：

若当前视频帧的数据包满足以下条件则将当前视频帧的数据包 调入该优先级队列；

w*threshold(i)＞qlen(i)，

其中，w为当前视频帧的数据包的权重，threshold(i)为最大队列 长度，qlen(i)为当前队列长度。

本发明另一方面提出了一种基于无线网络的视频数据包传输系 统，该系统包括：

元数据提取单元，用于提取当前视频帧的元数据；

数据包权重获取单元，用于根据所述元数据和所述视频帧数据包 的类型获取当前视频帧中数据包的权重；

优先级队列调度单元，用于根据当前视频帧的数据包的权重和各 优先级队列的长度将各个数据包调度进不同的优先级队列，以进行视 频数据包的传输；

其中，所述元数据包括视频帧结构、视频帧类型和视频帧在GOP 中的位置；每个视频帧分为帧头数据包和帧内容数据包。

可选地，所述数据包权重获取单元包括第一权重获取模块和数据 包权重确定模块；

所述第一权重获取模块用于根据视频帧结构、视频帧类型和视频 帧在GOP中的位置获取视频帧的第一权重；

所述数据包权重确定模块用于根据视频帧的第一权重确定视频 帧的帧头数据包和帧内容数据包的权重；

其中，视频帧的帧头数据包的权重为该视频帧的第一权重加权重 增量；视频帧的帧内容数据包的权重为该视频帧的第一权重。

本发明提供的基于无线网络的视频数据包传输方法及系统，在确 定视频数据包的权重时考虑视频帧的类型、视频帧的位置，并对同一 视频帧区分帧头数据包和帧内容数据包，该视频数据包传输方法及系 统保证了权重越高的数据包具有更大的概率通过高优先级队列发送， 而权重较低的数据包竞争高优先级队列的概率则相对较小，提高了信 道利用率，提高了视频传输的质量。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示 意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了现有的分级编码中一组图像帧组的示意图；

图2示出了现有的EDCA中优先级队列的示意图；

图3示出了静态映射机制和动态映射机制的区别示意图；

图4示出了本发明一个实施例的基于无线网络的视频数据包传输 方法的示意图；

图5示出了本发明一个实施例的基于无线网络的视频数据包传输 方法的工作原理图；

图6示出了本发明一个实施例的基于无线网络的视频数据包传输 方法的跨层设计展示图；

图7示出了本发明一个实施例的基于无线网络的视频数据包传输 系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

在无线多跳网络中，产生视频数据的节点通常被称为源节点，而 接收视频数据的节点被称为汇聚节点或者目的节点，其他节点则作为 转发节点的作用。

图4是本发明一个实施例的基于无线网络的视频数据包传输方 法的示意图。如图4所示，该基于无线网络的视频数据包传输方法包 括：

S41：源节点提取当前视频帧的元数据；

S42：源节点根据所述元数据和所述视频帧数据包的类型获取当 前视频帧中数据包的权重；

S43：转发节点或目的节点根据当前视频帧的数据包的权重和各 优先级队列的长度将各个数据包调度进不同的优先级队列，以进行视 频数据包的传输；

其中，所述元数据包括视频帧结构、视频帧类型和视频帧在GOP 中的位置；每个视频帧分为帧头数据包和帧内容数据包。

本实施例的基于无线网络的视频数据包传输方法，在确定视频数 据包的权重时考虑视频帧的类型、视频帧的位置，并对同一视频帧区 分帧头数据包和帧内容数据包，该视频数据包传输方法及系统保证了 权重越高的数据包具有更大的概率通过高优先级队列发送，而权重较 低的数据包竞争高优先级队列的概率则相对较小，提高了信道利用 率，提高了视频传输的质量。

在一种可选的实施方式中，所述源节点根据所述元数据和所述视 频帧数据包的类型获取当前视频帧中数据包的权重包括：

根据视频帧结构、视频帧类型和视频帧在GOP中的位置获取视频 帧的第一权重；

根据视频帧的第一权重确定视频帧的帧头数据包和帧内容数据 包的权重；

其中，视频帧的帧头数据包的权重为该视频帧的第一权重加权重 增量；视频帧的帧内容数据包的权重为该视频帧的第一权重。

进一步地，所述根据视频帧结构、视频帧类型和视频帧在GOP 中的位置获取视频帧的第一权重包括：

I帧的第一权重为1；

根据P帧的前后帧中被当前帧影响的帧数量和影响当前帧的帧数 量获取P帧的第一权重；

根据B帧的前后帧中被当前帧影响的帧数量和影响当前帧的帧数 量获取B帧的第一权重。

可选地，所述根据P帧的前后帧中被当前帧影响的帧数量和影响 当前帧的帧数量获取P帧的第一权重，包括：

根据公式一获取P帧的第一权重：

$w=g\left(f_0{\alpha }^{f_1}\right),$公式一

其中，f₀为被当前帧影响的帧数量，f₁为影响当前帧的帧数量， α∈(0，1)，是调节f₀和f₁的影响系数的因子，f₀≥1，f₁≥1；g(x)是一 个单调递增函数。

数据包的权重定义为0到1的权值系数。I帧具有最高的重要性， 其数据包权重也最高，记为w＝1。

可选地，所述根据B帧的前后帧中被当前帧影响的帧数量和影响 当前帧的帧数量获取B帧的第一权重，包括：

根据公式二获取B帧的第一权重：

$w=g\left(f_0{\alpha }^{f_1}\right),$公式二

其中，f₀为被当前帧影响的帧数量，f₁为影响当前帧的帧数量， α∈(0，1)，f₀≥1，f₁≥1；g(x)是单调递增函数。

其中，α∈(0，1)是调节f₀和f₁的影响系数的因子，f₀≥1(所有的 P帧和B帧都至少会影响其自身)，f₁≥1(每一帧都至少会被I帧影响)， g(x)是一个单调递增函数，使得某一帧如果被越多帧所依赖同时依赖 于越少帧，则其权重越高。更直观地讲，通常在GOP中出现越早的帧， 其权重越高。换言之，相同类型的数据帧，其权重还取决于GOP结构 和其出现位置。

为了减少数据包重要性的计算复杂度，单调递增函数g(x)定义如 下：

g(x)＝a(log(x)+b)+b₀，

由此，对于P帧或者B帧中的数据包而言，其重要性为

w＝a(logf₀+f₁logα+b)+b₀)

此处，b₀为一个基准线值，用于提升B帧中的数据包的重要性权 值，以使其有机会进入较高优先级的队列。a，b，b₀三个系数共同使得 w∈[b₀，1]，其中a,b的值定义如下：

$a=\frac{1-b_0}{\log \left(N\right)-\log \left({\alpha }^{\frac{N}{M}}\right)},b=-\log \left({\alpha }^{\frac{N}{M}}\right)$

其中log(N)和分别为的最大值和最小值；

对于GOP中的第p个P帧，f₀＝N+M-1-M*p，f₁＝p；对于该 P帧之后(但在下一个即p+1个P帧之前)的任意B帧， f₀＝1，f₁＝min{p+2，N/M}；对于在I帧和第一个P帧之间的B帧， f₁＝2，即这些B帧仅依赖于I帧和第一个P帧。或者等价地，对于任何 在I帧和第一个P帧之间的B帧而言，可以视p＝0；N和M为大于0的整 数。

在本实施例中，旨在优化带宽有限网络条件下，优化接收端输出 的视频质量，如图2所示的四个优先级队列都将被用于视频数据传输。

所述根据视频帧的数据包的权重和各优先级队列的长度将各个 数据包调度进不同的优先级队列包括：

根据视频帧的数据包的权重按照优先级从高到低的顺序查找各 优先级队列，根据视频帧的权重、各优先级队列的最大队列长度和各 优先级队列的当前队列长度将当前视频帧调入相应的优先级队列。

具体地，所述根据视频帧的权重、各优先级队列的最大队列长度 和各优先级队列的当前队列长度将当前视频帧调入相应的优先级队 列包括：

若当前视频帧的数据包满足以下条件则将当前视频帧的数据包 调入该优先级队列；

w*threshold(i)＞qlen(i)，

其中，w为当前视频帧的数据包的权重，threshold(i)为最大队列 长度，qlen(i)为当前队列长度。

在实际应用中，首先按照优先级从高到低的顺序依次检查每一 个AC队列。一旦发现某一个AC队列有充分的缓存空间，则停止 检查并将该数据包放入此AC。具体地，对于每一个AC队列AC(i)， 定义其最大队列长度为threshold(i)，当前队列长度为qlen(i)。假设 某待发送数据包的权值为w，对于队列AC(i)，如果满足

w*threshold(i)＞qlen(i)，

则将该数据包置入队列AC(i)；否则，继续检查下一个优先 级队列的状态，直到找到符合上述条件的AC队列为止。如果某一 个数据包对于AC(3)，AC(2)和AC(1)均无法满足上述条件， 则无需进行验证直接将其放到AC(0)。

图5示出了本发明一个实施例的基于无线网络的视频数据包传输 方法的工作原理图；图6示出了本发明一个实施例的基于无线网络视 频数据包传输方法的跨层设计展示图。对于上述视频数据包传输方 法，数据包的权重计算在源节点完成，并被写入数据包的ToS字段， 在转发过程中保持不变。转发节点从数据包的ToS字段中读取相应的 权重，根据当前节点的队列长度和信道状态决定该数据包通过何信道 发送。

图7示出了本发明一个实施例的基于无线网络的视频数据包传输 系统的结构示意图。如图7所示，该基于无线网络的视频数据包传输 系统包括：

元数据提取单元71，用于提取当前视频帧的元数据；

数据包权重获取单元72，用于根据所述元数据和所述视频帧数据 包的类型获取当前视频帧中数据包的权重；

优先级队列调度单元73，用于根据当前视频帧的数据包的权重和 各优先级队列的长度将各个数据包调度进不同的优先级队列，以进行 视频数据包的传输；

其中，所述元数据包括视频帧结构、视频帧类型和视频帧在GOP 中的位置；每个视频帧分为帧头数据包和帧内容数据包。

所述数据包权重获取单元包括第一权重获取模块和数据包权重 确定模块；

所述第一权重获取模块用于根据视频帧结构、视频帧类型和视频 帧在GOP中的位置获取视频帧的第一权重；

所述数据包权重确定模块用于根据视频帧的第一权重确定视频 帧的帧头数据包和帧内容数据包的权重；

其中，视频帧的帧头数据包的权重为该视频帧的第一权重加权重 增量；视频帧的帧内容数据包的权重为该视频帧的第一权重。

本实施例所述的基于无线网络的视频数据包传输系统可以用于 执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。

本发明提供的基于无线网络的视频数据包传输方法及系统，在确 定视频数据包的权重时考虑视频帧的类型、视频帧的位置，并对同一 视频帧区分帧头数据包和帧内容数据包，该视频数据包传输方法及系 统保证了权重越高的数据包具有更大的概率通过高优先级队列发送， 而权重较低的数据包竞争高优先级队列的概率则相对较小，提高了信 道利用率，提高了视频传输的质量。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可 以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样 的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。