基于IPv6 的高清视频系统实现与性能分析

高清视频系统在IPv6 网上的应用

在国内IPv6 网上的应用

2004 年3 月19 日，基于IPv6 的HDV 视频系统首次在国内IPv6 试验网CERNET2 上试用，视频源采用JVC-HDR 摄像头(720p) ，视频发送地点为清华大学，视频接收点为北京国际会议中心的演示大厅。 网络线路为带宽100 Mbp s 的共享线路；在网络负载较轻时，图像基本流畅。 当网络上其他应用较多时，会出现丢包和抖动。

在国际IPv6 网上的应用

2005 年3 月，清华大学和韩国KAIST 大学之间通过国际互联的IPv6 网络进行了HDV 的对传试验，两端点间的网络连接配置如图2 所示。

双方发送和接收端地址如表1 所示。 该试验中，网络跨越了中韩两国，国际互联带宽为155 Mbps ，途经的路由器均支持IPv4/ Ipv6 双栈协议。 由于中间网络条件比较复杂，试验过程中出现了马赛克和抖动现象。 当网络拥塞导致丢包率大过一定阈值时，图像会出现短时间停滞。

表1 　中韩HDV 系统IPv6 测试收发端地址

高清视频系统对网络背景流量的依赖性和敏感性

　　HDV 系统的性能可通过观察接收端的视频质量感受，如是否流畅、是否出现抖动或马赛克等。 利用测量子系统，对HDV 系统在接收端的视频质量和丢包率进行了比较。 结果表明，接收端看到的视频质量(主观) 与系统的丢包率(即客观测量得到的应用层丢包率) 有着一一对应关系，即系统的丢包率越大，视频质量的下降越明显。 因此作者可以以系统的丢包率来反映接收端视频质量的下降，以丢包率的平均值反映接收端视频质量下降的平均水平，丢包率的方差和峰值反映接收端视频质量的波动(偏离平均水平的程度) 。

为定量分析HDV 系统性能对网络背景流量的依赖性和敏感性，本文设计了一个网络背景流量逐级增加的试验:用流量发生器逐级注入流量，同步记录HDV 传输系统在网络载荷增加各时刻的丢包率。 根据记录的数据绘制网络背景流量和丢包率关系图。

图3 表示系统平均丢包率与注入网络背景流量的关系，图4 表示系统丢包率方差(a) 和丢包率峰值(b) 与注入网络背景流量的关系。

从图3 可以看出，网络背景流量增加时，系统的平均丢包率相应增加。 二者近似为线性单调关系，符合一般的规律。

由图4 (a) 可以看出，随着人为网络背景流量的增加，系统丢包率方差并不是单调增加的。 在背景流量超过35 Mbps (此时网络载荷接近饱和) 以后，系统的丢包率方差曲线呈现波动性状。 即背景流量降低并不意味着丢包率方差的降低，此时丢包率方差反可能升高，体现出和平均丢包率不同的性态，主观感觉就是视频图像偏离平均水平的变坏程度(停顿或花屏) 并不会因为背景流量的降低而降低，而是过了一定背景流量阈值后就有着较高的丢包率方差(丢包峰值表现类似，见图4 ( b) ) 。 这种性态显示了高清视频传输的丢包率方差和丢包率峰值对网络背景流量的改变不敏感，可从HDV 应用本身流量载荷较大的角度去理解。 同时可看出当注入的背景流量超过一定阈值后(图中为35 Mbps) ，平均丢包率和丢包率方差会显著增加。

HDV应用性能与网络性能相关性

由于HDV 应用本身大数据流的特点，在网络传输中， HDV 在网络负载中往往占有很大比例，会出现HDV 视频流传输前网络带宽空余较大， 而HDV 加入后网络出现拥塞并反过来影响应用本身，即所谓的既是网络拥塞的产生者，又是网络拥塞的受害者的现象。 如第3 章所阐述， HDV 的大流量使得其对网络背景变化的反应表现出自身独有的特点。 那么HDV 应用使网络产生拥塞所表现的网络层丢包和与此同时应用系统本身的丢包之间的关系会是怎样的呢? 本文通过试验对两者的关系进行了定量分析。 选择了两个代表性参数---反映HDV系统视频传输性能的应用层丢包率和反映网络背景的网络层丢包率，进行了同步测量和数据记录。 对采集到的数据进行分析和计算，得到了一些结论。

图5 中的两条曲线分别是HDV 系统在拥塞情况下运行时网络层丢包率和应用层丢包率曲线。 从图中可以看到:两条统计曲线的模态比较接近但不重合。 对该图对应的两个参数序列作相关性计算，可得到两者的相关系数为0. 840 71。 改变统计时间长度和测量颗粒度进行重复的试验，得到的图线关系与图5 类似。 根据这些试验数据计算得到的两个丢包率序列的相关系数大都介于0. 81 与0. 85 之间。 相关系数在0. 83 左右的事实表明HDV 应用的性能和网络层性能虽然正相关但离完全相关有一定的距离。 二者的变化步调一致程度不够高从另一个角度说明视频质量随网络流量变化的灵敏