视频传输技术的拥塞控制研究现状及分析

1.2.2.1 基于拥塞控制的视频单播传输技术

互联网本质上是一个分布式的无中心管理功能的数据传输体系，以TCP/IP协议族为核心，相应的低层与高层协议在很大程度上处于一种开放的状态。TCP作为主要的传输层协议，提供了可靠的端到端数据传输并负责拥塞的避免与解除。然而，由于编码器采用了预测、变换等技术，连续的视频数据包之间具有很强的时间依赖性和解码时限，导致在由TCP拥塞控制机制引起的流量起伏、时延抖动的环境下，解码后的视频播放质量会严重下降，特别是在无线网络传输环境下，网络服务质量对视频重建的质量影响更为明显[57]。而UDP或加入拥塞控制功能的UDP本质上破坏了网络资源分配的公平性，并不适合实时的视频传输[58]。因此，针对视频传输的网络拥塞控制在近年来成了一个重要的研究内容[59]。与此紧密相关的是，一对一的视频传输（单播）仍为当前互联网中视频传输的主要形式，其拥塞控制功能仍基于TCP及其改进协议来实现。对此，针对单播拥塞控制，国内外学者已有大量的研究成果[60]。

Luca De Cicco等[61]以Skype为例，在实验中详细分析了在面对不同程度的网络拥塞时，Skype如何调整编码参数及发送速率，如何适应动态变化的网络传输环境。指出一种新的单播拥塞控制方法首先应是TCP友好的，其次应在接收端保证基本的视频质量。

Hsien Po Shiang等[62]结合视频帧的QoS 要求，采用马尔科夫决策过程求解出某一时间段内的最优拥塞窗口调整策略，设计了一种视频质量感知的单播拥塞控制方法。该方法不仅使视频传输过程中的失真最小，而且是TCP友好的，但要求预先对视频帧进行分类处理，实时性较低。

Zhiqiang Shi等[63]针对P2P中的视频数据在互联网的某些区域可能占主导地位的情形，通过合理设置令牌数量和对区域边缘数据流量的调节，提出了一种基于令牌的单播拥塞控制方法。该方法复杂度低且便于实现，视频平均失真较小。其不足之处在于对反馈信息的实时性要求过高。

Hao Yujie等[64]根据丢包率和时延抖动的反馈值，设置了一个大小可自适应调整的视频发送速率因子，在此基础上设计了TCP友好的单播拥塞控制方法。

Sheng Shuen Wang等[65]在提出的面向SVC的拥塞控制方法中，使用RTP/RTCP对可用带宽进行周期性探测，通过调节发送的层数来适应网络拥塞。实验证明了该方法的有效性，但该方法中的可用带宽估计方法在高负载的网络环境下存在精度不够的问题。

Sajjad Zare等[66]针对目前高速网络中的拥塞控制问题，根据视频编码器的特征，设计了一种智能丢包策略，结合数字喷泉码技术，有效地保证了在不同网络服务质量情况下接收端视频的质量。

Carlos Eduardo Maffini Santos等[67]设计了一种基于人工神经网络的分类器并将其部署于路由器中，根据包中的参考信息对视频数据包进行分类。当探测到网络拥塞时，根据优先级的大小对数据包进行有选择的保护，显著提高了视频数据的抗误码能力。

Bin Hu 等[68]针对视频传输的接收端以无线方式接入互联网的特点，结合应用层、网络层、数据链路层设计了一种跨层的拥塞控制方法，提高了视频传输的稳定性。但实验表明，该方法的可扩充性较差。

Sunghee Lee等[69]针对时延带宽积较大的网络中的视频传输，提出了一种TCP友好的拥塞控制方法。改进了TCPreno的慢启动过程，提高了发送速率的增速。通过采用新带宽预测算法，使视频数据流之间的带宽分配更加合理，保证了接收端的视频质量。

从以上分析不难看出，目前的单播拥塞控制方法一般会结合视频编码器，在采用基于RTT的方法探测到网络拥塞后，一方面根据相应的速率模型降低视频数据的发送速率； 另一方面针对视频数据包的类别及数据包对解码的重要程度，采取合适的包丢弃策略，在避免网络拥塞的同时，保证接收端视频质量的最大化。其不足之处是缺乏在视频传输的整个时间维度上考虑拥塞控制问题，在接收难以获得理想的视频质量。

1.2.2.2 基于拥塞控制的视频组播传输技术

随着视频会议、视频点播、网络游戏等应用的日益广泛，视频组播（一对多或多对多视频传输）在互联网的数据服务中占据了越来越重要的地位。而组播拥塞控制是实现稳定而高效的视频组播服务的关键因素。本质上，无论视频组播是采用应用层组播方式还是IP组播方式，其拥塞控制都是由单播拥塞控制扩展而来的[70]。如何在满足视频传输质量约束的前提下最小化组播树费用、提高带宽利用率、保证组播服务的公平性，是目前视频组播拥塞控制要解决的主要问题。(www.xing528.com)

按组播拥塞控制方法的部署方式进行区分，可分为基于发送端驱动的方法、基于接收端驱动的方法和混合型三类。针对不同类的拥塞控制方法，目前已有一些研究成果。

Róz·a Gos′cień 等[71]综合了单播和多播环境下的数据流分配策略，提出一种针对基于延时和度约束的组播拥塞控制方法，并将其部署于视频数据的发送端。在一定程度上均衡了网络流量，保证了接收端的视频质量。

Kavitha Subramaniam等[72]针对无线网络，特别是互联网环境下的组播路由问题提出一种缓冲区管理算法，以均衡网络流量、减小拥塞发生概率，并在实验中取得了较好效果。

Lijun Chen 等[73]采用随机网络编码对组播中的视频数据进行资源分配及拥塞控制，设计了一种分布式的组播拥塞控制方法。虽然有效地提高了带宽利用率，但该算法依赖于网络路由设备，应用受到很大限制。

Jianqun Cai等[74]针对应用层组播，设计了一种源路由发现机制，可有效地对数据传输路径中的路由器、网关等设备的地址进行标记，借此均衡网络负载，解决组播树中的拥塞现象。

Vincent Lucas等[75]提出了一种基于TCP的多速率组播拥塞控制方法，由拥塞避免与慢启动两个阶段构成，其特点在于降低慢启动的执行条件，以保证拥塞控制方法的TCP友好性与带宽利用率。但该方法易导致视频数据的流量起伏过大，难以获得稳定的视频质量。

Phuc Chau 等[76]分析了MIMO传输环境下服务质量，在此基础上采用网络编码技术提出一种针对可分组视频编码序列的组播算法，可有效地应用于组播拥塞控制方法中。

Jiyan Wu 等[77]针对视频组播系统的特点，通过在发送端测量不同的视频数据接收端的时延，以检测是否有网络拥塞现象，然后根据时延判定拥塞程度，采用不同的FEC和视频数据包调度策略解除组播树中某些链路的拥塞状态。但实验表明该方法的计算复杂度过高，降低了视频传输的实时性。

Manjul M等[78]根据接收端QoS 参数的反馈自适应地对发送速率进行调整，提出了一种单速率组播拥塞控制方法。但该方法需精确地测量时延、丢包率等QoS 参数的值，并采用启发式算法求解发送速率与各参数的关系，计算复杂度极高，难以实际应用。

M.A.Raayatpanah 等[79]在组播系统中采用网络编码以提高数据传输的可靠性，在此基础上设计了组播路由及拥塞控制方法，在满足网络服务质量约束的条件下提高了组播的吞吐量。

Sajjad Zare等[80]针对组播拥塞控制中的数据帧的重要性不同的特点，将各数据帧赋以不同的权值，结合FEC设计了一种新的数据保护机制，借此减轻网络拥塞。

总的来看，目前仍然缺乏能有效保证视频传输可靠性的组播拥塞控制方法。如何在适应终端设备及其接入网络多样性的基础上，提高接收端视频质量，并保证组播拥塞控制方法的公平性及可扩展性，是目前研究工作中要解决的主要问题。