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无线环境中的H.264 / AVC
无线环境中的抽象视频传输是一项具有挑战性的任务，要求高压缩效率以及网络友好型设计。两者都是解决“对话”（即视频电话）和“非转换”（即存储，广播或流）应用程序的H.264 / AVC标准化工作的主要目标。 H.264 / AVC视频编码层的视频压缩性能通常提供显着的改进。网络友好的设计
H.264 / AVC的目标是通过网络抽象层来解决的，该网络已经被开发用于在任何现有的和未来的网络（包括无线系统）上传输编码的视频数据。本文的主要目标是提供有关可能用于无线环境的工具的概述，并更详细地讨论最具挑战性的应用，即无线会话服务。介绍了基于实验结果应用不同工具的合适理由。
- 介绍
自从1997年，ITU-T的视频编码专家组（VCEG）一直在研究一种新的视频编码标准，其内部名称为H.26L。 2001年底，运动图像专家组（MPEG）和VCEG决定作为联合视频团队（JVT）共同合作，并为即将推出的ITU-T推荐H.264 H.264 / AVC创建单一技术设计 / AVC以及称为AVC [1] 1，[2]的MPEG-4标准的新部分。 自2002年11月的会议以来，技术规范被冻结，标准文本和软件已经完成。 H.264 / AVC的主要目标是提高编码效率和改进网络适应性。 与所有以前的标准相比，H.264 / AVC的语法通常可以显着降低比特率[3]，如ITU-T Rec。 H.263 [4]和ISO / IEC JTC 1 MPEG-4 [5]在相同的质量水平。
在当今互联网上提供的对多媒体服务快速和位置无关的访问需求正在稳步增长。 因此，大多数当前和未来的蜂窝网络，如GSM-GPRS，UMTS或CDMA-2000都包含多种的面向分组的传输模式，允许向移动终端传输实际上任何类型的基于IP的业务，从而为用户提供简单灵活的传输接口。 第三代合作伙伴计划（3GPP）已经选择了多种多媒体编解码器以将其纳入其多媒体规范中[6]。 为了在3G无线系统的第一个版本中提供基本的视频服务，已经建立了完善的几乎相同的基准H.263和MPEG-4可视简单配置文件。 选择是基于编码和解码过程的可管理复杂性以及设计的成熟度和简单性。
然而，由于可能的商业模式在美国无线系统中，最终用户的成本与传输的数据量成正比，并且由于有限的资源带宽和传输功率，压缩效率是
这是无线视频和多媒体应用的主要目标。这使得H.264 / AVC编码成为包括多媒体消息服务（MMS），分组交换流服务（PSS）和交互式应用在内的所有无线应用的有吸引力的候选者。 然而，为了允许在不同的环境中传输，不仅编码效率相关，而且无缝和简单地将编码视频集成到所有当前和未来的协议和多路复用体系结构中。此外，对于对话应用，视频编解码器支持增强的错误恢复功能具有重要意义。 在编解码器的标准化中也考虑到了这一点。
此篇文章的结构如下。 第二节介绍无线视频应用的应用和传输特性。 简要讨论了H.264 / AVC视频的传输，给出了移动视频传输的常见测试条件。 第三节从无线视频应用的角度概述了H.264 / AVC视频编码标准。 我们根据其在不同视频服务中的适用性对功能进行分类。 第四节讨论了延迟限制和错误恢复方面最具挑战性的应用，即无线会话应用。 在系统描述和问题描述之后，使用H.264 / AVC以及几种模式的组合提供了几种系统设计方案。第五部分提供了基于常见测试条件的选定系统概念的实验结果。
- 视频在移动网络中
- 概述：应用程序和约束
移动终端的视频传输可能是新兴3G系统的主要应用，并且可能是其成功的关键因素。 移动设备上具有视频功能的显示器为几项新应用铺平了道路。 三
主要的服务类别在H.264 / AVC标准化过程中被确定。
1）电路交换和分组交换会话
服务（PCS）用于视频电话和会议。
2）实时或预先录制的视频分组交换流
服务（PSS）。
- 多媒体信息服务（MMS）中的视频。
尽管多媒体广播/多播业务（MBMS）等新业务计划用于未来的无线网络发布，但我们仅限于单接收机应用。 移动设备是手持设备，处理能力和存储容量受到限制。 因此，移动视频编解码器设计必须尽量减少终端复杂性，同时保持与设计的效率和稳健性目标一致。 由于复杂性问题在本期的其他地方有讨论，我们仅限于传输限制和属性。
三种标识的应用的传输要求可以根据请求的数据速率，最大允许的端到端延迟和最大延迟抖动来区分。这导致了不同的系统架构每个这些应用程序。由于MMS不包含任何实时约束，编码，传输和解码是完全分离的。记录的视频信号是离线编码和本地存储的。在任何时候使用存储的信号开始传输。在下载完成之前，接收器处的解码过程一般不会开始。在PSS应用中，用户通常请求存储在服务器上的预编码序列。鉴于编码和传输是分开的，解码和显示在传输过程中开始，以尽量减少移动设备的初始延迟和内存使用。最后，在对话服务中，端到端延迟必须最小化，以避免任何感知干扰并保持音频和视频的同步。因此，编码，传输和解码是同时进行的实时，而且，在两个方向。这些不同的辅助条件在编码，传输，解码以及底层网络和控制体系结构中允许并要求不同的策略。
通常，可用带宽以及因此无线电链路上的比特率是有限的，并且用户的成本预计与保留比特率或无线电链路上传输比特的数量成比例。 因此，低比特率可能是典型的，并且压缩效率是视频编码标准在移动环境中成功的主要要求。这使得H.264 / AVCa主要候选者可用于无线系统中， 由于其卓越的压缩效率。
另外，移动环境的特征是在衰减，阴影，衰落和多用户干扰方面的严酷传输条件，这导致时间和位置变化的信道条件。信道变化的频率高度依赖于环境，用户拓扑结构，移动用户的速度以及信号的载波频率。对于足够长的代码字
可以对信道统计进行平均，并且可以使用基于衰落状态的长期平均值和信道的遍历行为的传输策略。 3G系统采用Turbo码等宽带接入，分集技术，空时编码，多天线系统，快速功率控制，交织和前向纠错（FEC）等高度复杂的无线链路特性来减少信道条件的变化。但是，这些高级技术仅适用于快速移动的用户和相对较大的容忍最大延迟，可提供可忽略的误码率和无线块丢失率。通常，由于信道的非遍历行为和应用信号处理的不完善性，低延迟应用必须容许一定数量的残留误差。因此，除了高压缩效率和合理的复杂度之外，适用于无线环境中的会话服务的视频编码标准必须具有错误弹性。
此外，值得指出的是，无线系统设计中的新方向并不一定要尽量减少系统中的错误率，而是要最大限度地提高吞吐量。这些特点对于具有不受限制的延迟约束的服务如PSS和MMS。 信道的非遍历性行为被利用，以便在信道状态良好的情况下支持比坏信道状态中更高的数据速率。此外，通常使用具有持续自动重发请求（ARQ）的可靠链路层协议来保证无错传递。 例如，在高速下行链路分组接入（HSDPA）概念[15]中，ARQ将自适应调制方案和考虑信道状态的多用户调度结合起来，以显着提高无线系统的吞吐量。
3G无线传输栈通常由两种不同的承载类型组成，即专用和共享信道。 而在专用信道中，一个用户在整个传输间隔中被分配一个固定数据速率，而共享信道允许类似于ATM或GSM GPRS的动态比特率分配。 HSDPA将是空中接口共享信道概念的延伸。 除了MMS之外，假设所有流媒体和对话应用都在3G无线系统的初始阶段使用专用信道，因为它们的比特率几乎不变。 在现代系统设计中，应用程序可以请求许多不同的服务质量（QoS）类中的一个.QoS类包含诸如最大错误率，最大延迟以及保证的最大数据速率。 此外，根据[16]，应用程序通常分为不同的服务类别：对话，流媒体，交互和后台流量。 特点和典型例子
如表1所示。
- 在无线系统中传送H.264 / AVC视频
根据图2，H.264 / AVC区分了两个不同的概念层，即视频编码层（VCL）和网络抽象层（NAL）。 VCL和NAL都是H.264 / AVC标准的一部分.VCL指定编码视频信号的高效表示。H.264 / AVC的NAL定义了视频编解码器本身与外界之间的接口。它在NAL单元上运行，为大多数现有网络的基于分组的方法提供支持。在NAL解码器接口处，假设NAL单元按解码顺序传送，并且分组被正确接收，丢失，或者NAL单元头部中的错误标志可以被加载，以免其负载包含比特错误。不是标准的一部分，因为国旗可以用于不同的目的。但是，它提供了一种通过整个网络发送错误指示的方式。此外，对于不同的传输协议，接口规范是必需的由负责的标准化机构规定。对于不同的端口系统，如H.320 [17]，MPEG-2系统[18]和RTP / IP [19]，NAL单元的确切传输和封装也超出了H.264的范围/ AVC标准化。 NAL解码器接口在标准中被规范地定义，而VCL和NAL之间的接口是概念性的并且有助于描述和分离VCL和NAL的任务。
对于3G移动网络上的实时视频服务，两个协议栈很受关注。 3GPP已经为基于ITU-T建议书H.324M的电路交换信道[8]规定了多媒体电话服务。 对于基于IP的分组交换通信中，3GPP选择使用SIP和SDP来进行呼叫控制[20]和RTP进行媒体传输[9]。换句话说，[21]中介绍的基于IP的协议栈将用于分组交换 3G移动服务。 虽然H.324和RTP / UDP / IP协议栈具有不同的根和完全不同的交换原理，但通过无线专用信道传输时对媒体数据的丢失和延迟效应非常相似。
H.324 [22]主要由ITU-T为低比特率电路交换调制解调器链路建立，并增加了用于移动电路交换低比特率会话业务的容易出错的扩展。 H.324M正式名称为ITU-T Rec。 H.324附件C允许通过低，中和高误码率电路交换链路进行传输。 3GPP采用H.324M，包括被称为H.223附件B的复用协议H.223的错误鲁棒扩展，作为用于电路交换视频通信的协议。 该复用协议包括两层：一个基于错误恢复分组的多路复用层和一个具有通用错误检测功能的适配层，如序列编号和循环冗余校验（CRS）。 因此，它与RTP / UDP / IP协议栈非常相似（参见[21]）。
对于分组交换业务，3GPP / 3GPP2就基于IP的协议栈达成一致。 图3显示了通过3GPP2用户平面协议栈封装在RTP / UDP / IP [19]中的NAL单元的典型分组。 在可靠的报头压缩（RoHC）[23]之后，这个IP / UDP / RTP分组被封装成一个分组数据汇聚协议/点对点协议（PDCP / PPP）分组，成为无线电链路控制（RLC） - 服务数据 单元（SDU）。 RLC协议可以以三种模式运行：1）
透明; 2）未被承认; 和3）确认模式[26]。 RLC协议为用户和控制数据提供分段和重传服务。透明和未确认模式的RLC实体被定义为单向和确认模式实体被描述为双向的。对于所有的RLC模式，在物理层上执行CRC错误检测，并将CRC检查的结果与实际数据一起传递给RLC。在透明模式下，不向上层数据添加协议开销。 错误的协议数据单元（PDU）可能被丢弃或标记为错误。 在未确认模式下，不使用重传协议和数据传输不保证。接收到的错误数据可能会被标记或丢弃，具体取决于配置。在确认模式下，自动重复请求机制用于后向纠错。
由于视频数据包本质上具有不同的长度，因此RLC-SDU的长度也不相同。 如果RLC-SDU大于RLC-PDU，则将SDU分割成若干PDU。 在使用的，未确认的和确认的模式中，可变大小的RLC-SDU的流是连续的，以避免透明模式所需的比特填充。 在未确认模式下，如果任何包含来自某个RLC-SDU的数据的RLC-PDU尚未被正确接收，则通常丢弃RLC-SDU。 在确认模式下，RLC /无线链路协议（RLP）层可以执行重传。
另外，H.324和RTP / IP / UDP协议栈分别使用可靠的设置和控制协议，H.245和SIP。因此，可以假定少量的控制信息可以通过可靠的带外传输因此在两种情况下，实时低延迟视频传输的结果都非常相似。数据包通过底层传输协议和通道传输，提供成帧，封装，错误检测和重新负责的设置。我们将重点介绍基于无线信道的RTP / IP传输[21]。
- 无线视频的通用测试条件
在H.264 / AVC标准化过程中，移动视频传输的重要性已被采纳认可基于H.324M [24]的电路交换会话业务以及分组交换会话和流媒体业务[25]的3G移动传输适当的通用测试条件。这些测试条件允许选择适当的编码特征，测试和评估错误恢复特征以及有意义的锚定结果。在本文中，我们专注于基于IP的测试条件。常见的测试条件定义了六种用于分组交换会话业务的测试用例组合以及3G移动网络上的分组交换流服务。此外，测试条件包括简化的离线3GPP / 3GPP2仿真软件，编程接口和评估标准。无线电信道条件通过模拟移动无线电信道条件产生的位错误模式来模拟。位错误模式被捕获在物理层之上和RLC / RLP层之下，因此它们在实践中被用作物理层模拟。表2给出了比特率，长度，比特错误率和比特错误模式的移动速度。
由于3G系统中包含的信道编码和解码会产生突发错误，因此文件中的位错误在统计上是相关的。 通过评估下面的位错误模式文件已经考虑到了这一点。 模式1和2主要适用于视频流应用，其中RLP / RLC层重传可以纠正许多帧丢失。 应用的信道编码方案是Turbo码方案和功率控制，其目标是吞吐量最大化而不是误差最小化。 模式1和模式2对于会话式服务是不现实的，因为如果没有重传，这种高错误率就无法达到可接受的质量。
模式3-6旨在模拟会话应用中所需的更可靠，更低的错误率承载。假设文件内的随机字节起始位置，可确定取决于数据包长度的字节的数据包错误概率。 所有位错误模式的这些错误概率如图4所示。很明显随着数据包长度的增加，错误率显着增加。 对于比特错误模式（BEP1和
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