浅析无线视频传输系统及相关报文分析

1、前言无线视频通信作为第三代移动通信关键技术得到了广泛关注，要实现无线视频传输，就要应用大压缩比的视频压缩编码满足无线传输速率的苛刻要求，MPEG－4编码是基于图像内容的第二代视频编码方案，并将对象合成的编码方案也结合在标准中，它根据图像的内容将图像分割为不同的视频对象(VO)。在编码过程中，前景和背景对像采用不同的编码策略:前景对像的编码压缩尽可能保留压缩对像的细节和平滑性;对背景视频对像，采用大压缩比的编码策略，而在解码端用其他的背景拼成新的的背景。因此它可以实现大压缩比的视频编码，不仅解决了块效应，同时解决了无线传输时的带宽限制问题，因此MPEG－4被作为无线通信系统中主要的视频编码标准。针对高质量图像传输的需求，编码正交频分复用技术（COFDM），让信道编码技术与这种多载波技术进行了有效的结合，这样COFDM的抗多径衰落能力，抗码间干扰能力，抗多普勒频移能力等得到了显著提高，，真正解决了视频传输“高速率、非视距、动中通”兼容的难题。该技术是目前世界上最先进和最具发展潜力的调制技术。2、基于MPEG4编码的系统硬件总体方案图1所示为无线视频传输系统框图。OV7620是一款CMOS摄像头器件，是一款彩色CMOS型图像采集集成芯片。采用专用MPEG—4编码器，可以获得良好的性价比，因此采用日本OKI公司的ML86410芯片是较好的MPEG－4视频压缩解决方案;同时采用挪威Nordic公司的nRF24L01和nRF24LU1芯片实现无线传输，它们不仅具有高达2Mbps的无线空中速率，而且后者带有增强型8051内核和USB2.0协议的无线Soc芯片，较好地解决了与PC机的连接问题;控制器采用广泛使用的低功耗FPGA（现场可编程门阵列），来协调控制视频流的无线传输以及对OV7620和ML86410进行控制和模式配置，FPGA准确地逻辑性保证了传输的可靠性。从图中可以看出，在视频采集电路中，FPGA是整个系统的核心控制器。它的作用是无线接收配置参数，对图像CMOS传感器和ML86410进行初始化配置;当开始图像采集后，其负责接收MPEG－4视频数据，并进行无线传输。设计重点是实现了视频的无线传输，采用具有nRF24系列芯片，具有2Mbit/s的空中速率;这样的速率对一般视频数据流是不能实现无线传输的，所以要采取具有高压缩率的MPEG－4视频编码，其要求的传输速率较低，当图像分辨率为176×144时，速率为4800～64000bit/s。3、COFDM技术在无线视频传输中的应用COFDM（Codedorthogonalfrequencydivisionmulti⁃plexing）是编码正交频分复用的简称，其基本思想是把高速率的信源信息流变换成N路低速率的并行数据流，然后用N个相互正交的子载波进行调制，将N路调制后的信号相加得到发射信号。在所传输的频带内，当N个子载波并行传输一路数据信号时，每个子信道的符号周期相对于串行传输展宽了N倍，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的影响，提高了抗多径衰落的性能。编码（C）是指信道编码采用编码率可变的卷积编码方式，它可将突发性误码进行分散处理，以确保整帧图像的正确传输；正交频分复用（OFDM）指使用大量的载波（副载波），它们有相等的频率间隔，都是一个基本震荡频率的整数倍；复用（M）指多路数据源相互交织地分布在上述大量载波上，形成一个频道。编码正交频分复用是结合了信道编码的正交频分复用，采用信道编码与OFDM相结合的方法，使信息在频域和时域扩展，各单元码信号受到的衰落近似于统计独立，从而消除平坦性衰落及多普勒频移的影响，可有效对付信道的频率选择性衰落和各种干扰。一个OFDM符号是由多个经过调制的子载波合成的，每个子载波又可以根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK，QPSK，16-QAM，64-QAM等。4、ICMP协议及其在MPEG4视频流传输中的应用4.1ICMP协议Internet网络中数据的传输有两种形式,一种是运用TCP协议提供的有连接的、可靠的数据流传输,另一种是运用UDP协议提供的无连接的、高效的数据报传输。在不需要下载所有的码流就可以播放的视频流的传输中,采用的正是第二种传输方式,由于数据报传输不需要事先经过建立连接的过程,因此视频流可以得到高效、快速地传输。与TCP不同,UDP协议不提供数据传送的保证机制。如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据报的丢失,协议本身并不能做出任何检测或提示。因此,需要在传输层的下一层互联网层增加监控功能。这里将利用ICMP协议监控视频流的传输。ICMP协议封装结构如下：网际控制报文协议ICMP是一个辅助协议,能在不同主机间传递简短消息。在TCP/IP参考模型中,与IP协议同属网际层。当IP数据报在传送途中出错时,IP总是和ICMP配置在一起,向源主机发回出错的消息。ICMP提供有三类消息,如请求消息、差错消息和控制消息,它们辅助IP进行主机探测、路由维护、路由选择和流量控制等,使得利用/UDP传输的视频流有了差错处理功能。ICMP是一个辅助协议,它只有和IP封装在一起,作为IP数据报的一部分向外发送,才能被IP层或更高层协议TCP或UDP使用。它不是一种高层协议,只是IP的一部分,它为IP提供差错报告功能,当源主机收到ICMP差错报告之后,还需要与应用程序联系起来,才能决定相应的差错处理方式。4.2IP协议IP协议是TCP/IP协议族中最为核心的协议。它提供不可靠、无连接的服务，也即依赖其他层的协议进行差错控制。在局域网环境，IP协议往往被封装在以太网帧中传送。而所有的TCP、UDP、ICMP、IGMP数据都被封装在IP数据报中传送。如图所示：TCP/IP报文封装IP头部格式其中：●版本（Version）字段：占4比特。用来表明IP协议实现的版本号，当前一般为IPv4，即0100。●报头长度（InternetHeaderLength，IHL）字段：占4比特。是头部占32比特的数字，包括可选项。普通IP数据报（没有任何选项），该字段的值是5，即160比特=20字节。此字段最大值为60字节。●服务类型（TypeofService，TOS）字段：占8比特。其中前3比特为优先权子字段（Precedence，现已被忽略）。第8比特保留未用。第4至第7比特分别代表延迟、吞吐量、可靠性和花费。当它们取值为1时分别代表要求最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。这4比特的服务类型中只能置其中1比特为1。可以全为0，若全为0则表示一般服务。服务类型字段声明了数据报被网络系统传输时可以被怎样处理。例如：TELNET协议可能要求有最小的延迟，FTP协议（数据）可能要求有最大吞吐量，SNMP协议可能要求有最高可靠性，NNTP（NetworkNewsTransferProtocol，网络新闻传输协议）可能要求最小费用，而ICMP协议可能无特殊要求（4比特全为0）。实际上，大部分主机会忽略这个字段，但一些动态路由协议如OSPF（OpenShortestPathFirstProtocol）、IS-IS（IntermediateSystemtoIntermediateSystemProtocol）可以根据这些字段的值进行路由决策。●总长度字段：占16比特。指明整个数据报的长度（以字节为单位）。最大长度为65535字节。●标志字段：占16比特。用来唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发一份报文，它的值会加1。●标志位字段：占3比特。标志一份数据报是否要求分段。●段偏移字段：占13比特。如果一份数据报要求分段的话，此字段指明该段偏移距原始数据报开始的位置。●生存期（TTL：TimetoLive）字段：占8比特。用来设置数据报最多可以经过的路由器数。由发送数据的源主机设置，通常为32、64、128等。每经过一个路由器，其值减1，直到0时该数据报被丢弃。●协议字段：占8比特。指明IP层所封装的上层协议类型，如ICMP（1）、IGMP（2）、TCP（6）、UDP（17）等。●头部校验和字段：占16比特。内容是根据IP头部计算得到的校验和码。计算方法是：对头部中每个16比特进行二进制反码求和。（和ICMP、IGMP、TCP、UDP不同，IP不对头部后的数据进行校验）。●源IP地址、目标IP地址字段：各占32比特。用来标明发送IP数据报文的源主机地址和接收IP报文的目标主机地址。可选项字段：占32比特。用来定义一些任选项：如记录路径、时间戳等。这些选项很少被使用，同时并不是所有主机和路由器都支持这些选项。可选项字段的长度必须是32比特的整数倍，如果不足，必须填充0以达到此长度要求。4.3UDP协议UDP是一种不可靠的、无连接的数据报服务。源主机在传送数据前不需要和目标主机建立连接。数据被冠以源、目标端口号等UDP报头字段后直接发往目的主机。这时，每个数据段的可靠性依靠上层协议来保证。UDP数据段格式●源、目标端口号字段：占16比特。作用与TCP数据段中的端口号字段相同，用来标识源端和目标端的应用进程。●长度字段：占16比特。标明UDP头部和UDP数据的总长度字节。●校验和字段：占16比特。用来对UDP头部和UDP数据进行校验。和TCP不同的是，对UDP来说，此字段是可选项，而TCP数据段中的校验和字段是必须有的。5、小结本文对无线视频传输系统的硬件架构和软件设计都有说明。目前具有多种无线视频传输技术，本文只是结合自己所学对所用无线图传设备的工作机理进行简要说明，如需深入研究，请结合更多参考文献。