利用卫星IP网络实现外地到演示中心的远程视频传输设计

引言

TCP／IP是目前应用最广泛的Internet通信协议，各种通信媒介都被用来传输IP数据，由于卫星通信具有覆盖而广、组网灵活、建网快和不受地理环境限制等优点，因此Internet与卫星的联姻成为必然。随着Internet的迅猛发展和多媒体通信技术的进步，网络业务不仅支持文字、语音等慕本业务，静态图像、动态图像、音频、视频复合等多媒体业务的需求也逐渐增多。IP技术是宽带网络的骨干技术，基于IP的开发具有普遍性。而且通过协议的增强，IP网络适合作为广泛的多媒体通信介质。

1 系统构成

整个传输系统由远程现场(外地实验场地等)和视频演示中心组成，远程现场的图像通过宽带卫星IP网络传回视频演示中心进行显示，可供监控及观看。其中卫星IP网络可提供单向的2 Mbit／s高速信道，双向9.6 khit／s低速信道。系统结构如图1所示。

2 视频压缩算法的选择

由摄像头或其他视频采集设备采到的视频原始信息带宽很大，一般的传输信道很难满足要求，必须对视频信息进行压缩编码。对视频数据进行压缩算法有很多，有的着重速度，有的着重压缩比。常用的视频压缩标准有H.263，M-JPEG，MPEG-1，MPEG-4等。MPEG-4是MPEG(活动图像专家组)在1999年制定的一个国际标准，名称为“甚低速率视听编码”，是针对低速率(小于640 kbit／s)下的视频、音频编码和交互播放开发的算法和工具，其显著特点是基于内容的编码，更加注重多媒体系统的交互性、操作性和灵活性。与其他压缩标准相比，MPEG-4具有节约存储空间、占用网络传输带宽少、错误恢复能力强、图像质量高等优点。本方案选择的视频压缩算法就为MPEG-4标准。

3 视频传输协议

为了保证数字视频网络传输的实时性和图像的质量，传输层协议的选择是整个设计和实现的关键。Internet在IP层上使用两种传输协议：一种是TCP(传输控制协议)，它是面向连接的网络协议；另一种是UDP(用户数据报协议)，它是无连接的网络协议。

TCP／IP最初是为提供非实时数据业务而设计的。IP负责主机之间的数据传输，不进行检错和纠错。因此，经常发生数据丢失或失序现象。为保证数据的可靠传输，人们将TCP用于IP数据的传输，以提高接收端的检错和纠错能力。当检测到数据包丢失或错误时，就会要求发送端重新发送，这样就不可避免地引起了传输延时和耗用网络的带宽。鉴于TCP本身的重传机制、拥塞控制机制、报头长且不提供时间戳及启动速度慢等特点，用传统的TCP／IP实现实时传输视频数据是不适合的。为了实现音视频数据的实时传输，需要寻求其他途径。

本方案的视频网络传输协议结构如图2所示。

从图2可以看出，整个系统的通信功能建立在IP协议上。网络层使用IP，为了实现通信，在网络层之上分为连接控制和媒体数据传输两大部分。为了使通信过程的建立更加可靠，连接控制部分使用TCP提供可靠的分组递交，而媒体传输部分则使用UDP协议。

媒体数据传输部分使用UDP的理由是：TCP不适合网络多媒体的实时传输；使用UDP不必与对方建立连接，因此在多点通信时不必管理过多的连接。

但是，由于UDP没有差错控制，属于不可靠的分组递交，这就意味着可能会丢包，由于双方没有建立连接，所以发放无法知道对方的接收情况。可能由于发送过快，导致网络堵塞，因而大量的数据包被延误或丢失，或者对方根本就没有收到任何数据包。为了避免这种情况，最好对方能够向发送方发送一个反馈信息以报告其接收情况，必要时发送方要调整其数据处理方法或发送速率。例如，当发送方认为数据发送得太快，它可以调整图像压缩器的参数，以较大的量化误差来降低图像数据的速度。RTP(实时传输协议)和RTCP(实时传输控制协议)是IETF(Internet Engineer-ing Task Force)为实现上述目的而定义的两个协议。所有的实时媒体数据都使用RTP协议进行传输，RTCP协议提供接收方向发送方反馈信息的功能，它们都是基于UDP的。

RTP／RTCP是一种应用型的传输层协议，并不提供任何传输可靠性的保证和流量的拥塞控制机制。它是由IETF为音视频的实时传输而设计的传输协议。RTP位于UDP之上，在功能上独立于下面的传输层(UDP)和网络层，但不能单独作为一个层次存在，通常是利用低层的UDP对实时音视频数据进行多播或单播，从而实现多点或单点音视频数据的传输。一般是在UDP数据包之前建立一个RTP包头，其中包含一些保证数据实时连续性的信息(如序列号、时间戳等)；提供时间信息和流同步。RTP本身不提供流量控制和拥塞控制功能。它靠一个专门的RTCP来实现。RTCP周期性地统计数据包传输时的丢失情况等信息，服务器根据这些反馈信息来制定流量控