移動(dòng)多媒體系統設計中的關(guān)鍵技術(shù)

張振環(huán) 別紅霞 2008/10/10

圖1 移動(dòng)多媒體終端系統結構框圖

　　1. 微處理器系統

　　核心微處理器將采集到的原始多媒體數據經(jīng)過(guò)音視頻編碼設備根據給定的編碼標準（H.263、H.264、MPEG-4…）進(jìn)行編碼，以備本地播放或通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸。同時(shí)，還要提供必要的多媒體外設接口、外部存儲器接口和網(wǎng)絡(luò )接口。

　　目前，比較流行的核心微處理器的選擇方案主要有以下幾種：

　　采用特殊用途的數字信號處理器（DSP）芯片。現在，國際上已經(jīng)推出了不少專(zhuān)用型DSP芯片，特別還有針對H.263、MPEG、JPEG標準的芯片。在這些芯片中，其軟件算法已在芯片內部用硬件實(shí)現，適用于對速度要求很高的場(chǎng)合。這種方案的缺點(diǎn)是靈活性差，開(kāi)發(fā)工具尚不完善。

　　利用可編程DSP芯片實(shí)現。DSP芯片采用改進(jìn)的哈佛總線(xiàn)結構，內部有硬件乘法器、累加器，使用流水線(xiàn)結構，具有良好的并行性等，非常適用于不允許有延遲的實(shí)時(shí)應用領(lǐng)域。而且，一塊內嵌的DSP芯片結合外圍電路能完成整個(gè)系統的壓縮編碼。這種方案有很強的靈活性，硬件系統完成后，整個(gè)系統的升級僅僅需要修改軟件即可。

　　用FPGA等可編程陣列產(chǎn)品實(shí)現。可以利于公司專(zhuān)用軟件或VHDL等開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，通過(guò)軟件編程用硬件實(shí)現特定的音視頻壓縮算法。這一方案具有通用性的特點(diǎn)，并可以實(shí)現算法的并行運算，無(wú)論是作為獨立的數字信號處理器，還是做為DSP芯片的協(xié)處理器，都是比較活躍的研究領(lǐng)域。

　　2. 多媒體外設

　　多媒體外設主要包括攝像頭、顯示設備、音視頻處理設備，還包括耳機話(huà)筒、網(wǎng)絡(luò )智能卡、天線(xiàn)和電池等。攝像頭采集視頻信號，顯示設備將從本地或網(wǎng)絡(luò )得到視頻數據打開(kāi)數據包，進(jìn)行視頻解碼，并把得到的視頻數據顯示出來(lái)，同時(shí)，如果嵌入式網(wǎng)絡(luò )多媒體終端需要驗證視頻壓縮的數據的正確性，還可以帶有本地解碼器，支持解碼數據的本地顯示。

　　3. 數據存儲設備

　　數據存儲設備包括RAM、ROM、SDRAM和FLASH，用來(lái)擴展系統存儲空間，存儲經(jīng)過(guò)編解碼的多媒體數據和終端控制程序。

　　4. 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口模塊

　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口模塊處理音視頻編碼流，把音視頻數據打包為適合網(wǎng)絡(luò )傳輸的數據包，并把它通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸出去。并支持系統選定的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸控制協(xié)議。如：

　　5. 以DM642為核心處理器的多媒體終端典型構架

圖2 以DM642為核心的多媒體終端的系統框圖

三、抗干擾的視頻編解碼技術(shù)

　　1. 視頻編解碼技術(shù)

　　為了能在時(shí)變、帶寬有限、誤碼率較高的無(wú)線(xiàn)信道上傳輸視頻數據，圖像視頻編碼算法必須滿(mǎn)足：高效的視頻壓縮比；較高的傳輸實(shí)時(shí)性；較強的視頻傳輸魯棒性。

　　目前，圖像視頻壓縮標準有國際標準化組織ISO和國際電工委員會(huì )IEC關(guān)于活動(dòng)圖像的編碼標準MPEG-X，國際電信聯(lián)盟ITU-T關(guān)于視頻電話(huà)/視頻會(huì )議的視頻編碼標準H.26X，以及3GPP提出的第三代移動(dòng)通信流媒體傳輸標準。

　　MPEG-4已應用于Internet流媒體領(lǐng)域，如移動(dòng)通信和個(gè)人通信中的聲像業(yè)務(wù)，以及各種基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的手持式電子產(chǎn)品。今后還將可能應用于多媒體電腦、掌上電腦、網(wǎng)絡(luò )電視、遠程視頻監控、視頻會(huì )議和可視電話(huà)等。MPEG-7被稱(chēng)為“多媒體內容描述接口”，為各類(lèi)多媒體信息提供一種標準化的描述，可以應用于智能多媒體、多媒體編輯、多媒體目錄服務(wù)、個(gè)人的多媒體收集管理系統等。MPEG-21的目標是定義一個(gè)交互式多媒體框架，跨越大范圍內不同的網(wǎng)絡(luò )和設備，使用戶(hù)能夠透明地使用多媒體資源，存取、使用并交互多媒體對象，實(shí)現多種業(yè)務(wù)模型。在MPEG系列中，最適合目前移動(dòng)多媒體通信技術(shù)及移動(dòng)多媒體終端制造水平的應該是MPEG-4視頻編碼標準。因此一般采用MPEG-4 簡(jiǎn)單類(lèi)作為目前移動(dòng)多媒體終端的首選視頻編解碼標準。

　　ITU-T頒布的H. 261標準，用于可視電話(huà)和會(huì )議電視。后來(lái)又陸續發(fā)展了H.263、H.263＋、H.264。它們的壓縮原理是充分利用視頻數據的空間和時(shí)間冗余，采用預測與變換的混合編碼方法，對殘余的數據進(jìn)行編碼，保證了極大的壓縮比。H. 263在多媒體電腦、掌上電腦、網(wǎng)絡(luò )電視、遠程視頻監控、視頻會(huì )議和可視電話(huà)等都己經(jīng)有了廣泛的應用。目前最新的H. 264標準能夠比H. 263節約50%左右的碼率，應用范圍包括網(wǎng)絡(luò )廣播、網(wǎng)絡(luò )會(huì )議和無(wú)線(xiàn)視頻監控等。

　　3G-324M作為3GPP提出的第三代移動(dòng)通信流媒體傳輸標準，可確保有線(xiàn)視頻傳輸系統與第三代移動(dòng)視頻傳輸系統之間的互操作性。與ITU-T H.324中的視訊會(huì )議標準有較緊密的聯(lián)系。3G-324M適用于UMTS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中的64kbit/s電路交換鏈路，其復用協(xié)議為H.223、控制協(xié)議為H.245，缺省視頻編碼器采用H.263及MPEG-4簡(jiǎn)單類(lèi)第一級，缺省語(yǔ)音編碼器則為GSM-AMR和G.723.1。3GPP2也將類(lèi)似的標準集應用于3GPP2無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )電路交換視頻會(huì )議業(yè)務(wù)。

　　2. 編解碼中的抗干擾問(wèn)題

　　相對于有線(xiàn)傳輸信道，移動(dòng)通信所使用的無(wú)線(xiàn)傳輸信道環(huán)境要惡劣得多，數據包的接收誤碼率要高出幾個(gè)數量級。而壓縮視頻流對誤碼非常敏感，即使接收到數據包的誤碼率很低，也會(huì )對解碼后的圖像質(zhì)量造成很?chē)乐氐挠绊憽Ｒ虼耍�抗干擾技術(shù)成為各種編解碼技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　（1） H.263抗干擾機制

　　為了提高壓縮效率并拓展在無(wú)線(xiàn)通信中的適用范圍，提出了一種基于H.263編解碼標準的改進(jìn)的H.263＋編解碼機制。借鑒了基于Huffman的可逆變長(cháng)編碼（RVLC）的思想，每個(gè)RVLC碼字可以前向解碼也可以反向解碼，如果在RVLC中檢測到突發(fā)誤碼，解碼器將跳到該分段的結束處開(kāi)始反向解碼，結果只是丟棄了碰到誤碼的分段的部分數據，更多的數據可以恢復。

　　在H.263+基線(xiàn)模式編碼過(guò)程中，同步標志不僅可以用來(lái)向后同步，也可以用來(lái)向前同步，在不降低編碼效率的前提下，結合差錯掩蓋，極大的提高視頻圖像在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等噪聲信道中傳輸的質(zhì)量。

　　在改進(jìn)的編碼器中，為了阻止GOB前半程MB行誤碼擴撒到后半程，設定后半程MB行的第一個(gè)預測運動(dòng)矢量（MV）的水平和垂直分量都為0，其后宏塊（MB）的運動(dòng)矢量（MV）采用運動(dòng)矢量差（MVD）來(lái)預測編碼。
差錯監測和差錯定位。傳輸差錯可以通過(guò)視頻信號的內在特征或編解碼器的句法來(lái)檢測，如相鄰宏塊（MB）或者塊（block）的邊界存在劇烈的跳變，沖突的碼字，無(wú)效的運動(dòng)矢量等都可以認為出現了誤碼。

　　（2） MPEG-4抗誤碼工具

　　MPEG-4 提供了多種抗誤碼工具，承載流媒體業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )傳輸層及底層移動(dòng)通信系統可以根據傳輸信道的質(zhì)量、系統需要提供的圖像質(zhì)量，以及在圖像壓縮效率和抗誤碼性能間的權衡，自適應地選擇抗誤碼工具，改善流媒體傳輸的抗誤碼性能。MPEG-4的 抗誤碼工具包括：

　　包的重同步標識，每隔固定的比特數周期性地插入重同步標識，并在視頻編碼時(shí)去除兩個(gè)不同視頻包之間所有數據的依賴(lài)性。解碼器在解碼過(guò)程中識別到不可糾正的錯誤時(shí)，就會(huì )依據下一個(gè)重同步標識重新編碼流同步信息，這樣，就減少了由于失步而不得不丟棄的數據量。

　　數據分割（DP），使用運動(dòng)邊界標記（MBM）將視頻數據分為運動(dòng)部分和紋理部分，可以更嚴格的檢查位移估值數據的合法性，主要用于誤碼檢測及提高錯誤定位能力。

　　頭信息擴展編碼（HEC），在視頻碼流中保護重要的頭信息等，視頻頭信息可以在特定的視頻包中重復發(fā)送。

　　可逆的變長(cháng)編碼（RVLC），解碼檢測到誤碼后，可以從下一個(gè)重同步標識開(kāi)始，反向解碼直到誤碼處。

　　（3） 第三代移動(dòng)通信的抗誤碼性能

　　第三代移動(dòng)通信是建立于直接序列擴頻、軟切換及快速功率控制等最新通信技術(shù)上的，因此具備抗窄帶干擾、抗多徑衰落及抗時(shí)延擴展等能力。同時(shí)，第三代移動(dòng)通信系統也采用了卷積碼及TURBO碼作為前向糾錯編碼（FEC），大大提高了移動(dòng)環(huán)境下數據傳送的抗誤碼性能。而且，由于直接序列擴頻技術(shù)允許為移動(dòng)終端用戶(hù)分配多個(gè)語(yǔ)音或數據業(yè)務(wù)邏輯信道，為在視頻流媒體傳送中采用數據分割優(yōu)先級傳輸技術(shù)提供了可能。壓縮視頻流中更重要的部分，如同步頭或運動(dòng)矢量信息可以單獨占據一個(gè)優(yōu)先級較高的邏輯信道，而相對次要的部分，如紋理信息可以只占用優(yōu)先級較低的邏輯信道，這樣可以確保在同樣的傳輸環(huán)境條件下，視頻質(zhì)量受到誤碼的影響相對較小。

四、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )

　　目前，能傳輸多媒體業(yè)務(wù)的寬帶無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)有多種，如VSAT寬帶衛星廣域接入、以IEEE 802.16為代表的寬帶無(wú)線(xiàn)接入系統（BWA，包括MMDS、LMDS）、中距離的無(wú)線(xiàn)本地環(huán)路技術(shù)、以IEEE 802.11系列和HiperLAN為代表的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)接入、以IEEE 802.15無(wú)線(xiàn)個(gè)人域網(wǎng)WPAN，包括藍牙、紅外、超寬頻以及HomeRF為代表的短距離無(wú)線(xiàn)互連技術(shù)。最近，作為一種解決“最后一公里”瓶頸的解決方案，自由空間光通信（Free Space Optical Communication）技術(shù)也浮出水面。

　　1. 基于2.5G公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )

　　中國聯(lián)通采用的CDMA2000 1X制式，是基于碼分多址的移動(dòng)通信技術(shù)，通過(guò)一個(gè)標準的（lx)CDMA頻道能夠支持語(yǔ)音和數據服務(wù)，具有許多優(yōu)越的性能。首先，它的容量接近于以前CDMA 1X系統容量的兩倍(比TDMA和GSM更好)，從而能夠適應不斷增長(cháng)的語(yǔ)音服務(wù)和無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)新型服務(wù)的需要。其次，它的最高下載速度可以達到153kbit／s，現網(wǎng)實(shí)測可以達到100kbit／s左右。

　　中國移動(dòng)采用的GPRS技術(shù)，是基于GSM 網(wǎng)絡(luò )發(fā)展而來(lái)的新型分組交換數據應用業(yè)務(wù)。與傳統的GSM 電路撥號交換相比，GPRS在資源利用效率、交換容量和性能上都有一個(gè)質(zhì)的飛躍。GPRS 拋棄了傳統的獨占電路交換模式，采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶(hù)可同時(shí)占用多個(gè)無(wú)線(xiàn)信道，同一無(wú)線(xiàn)信道又可以由多個(gè)用戶(hù)共享．有效地利用了信道資源，帶寬理論最高可達171．2kbit／s，現網(wǎng)測試也可達到35kbit／s左右。

　　2. 基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )

　　無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )(WLAN)是利用射頻或紅外線(xiàn)的技術(shù)，以無(wú)線(xiàn)的方式連接兩部或多部需要交換信息的移動(dòng)多媒體設備。相較于以有線(xiàn)方式所構成的區域網(wǎng)絡(luò )，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )具有存取架構簡(jiǎn)單、高移動(dòng)性等優(yōu)勢。

　　為了保證多媒體文件的穩定傳輸就必須有足夠的網(wǎng)絡(luò )帶寬，不同的多媒體文件對網(wǎng)絡(luò )帶寬的要求各不相同，為了達到更好的視頻質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò )帶寬就更為重要。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準協(xié)議IEEE802.11b/g/a定義的網(wǎng)絡(luò )帶寬包括多種標準：11Mbps/22 Mbps/54Mbps，其中有效數據傳輸帶寬分別為5Mbps/10Mbps/22Mbps，完全可以滿(mǎn)足各種類(lèi)型的多個(gè)并發(fā)多媒體文件穩定傳輸，保證高質(zhì)量的視頻信息。

　　3. 未來(lái)發(fā)展方向——3G

　　隨著(zhù)3G移動(dòng)通信系統走向實(shí)用，高至2MHz的帶寬將為移動(dòng)多媒體通信提供更加強有力的支持。此時(shí)視頻的質(zhì)量將會(huì )有極大的改善。顯示屏、 CPU 內存、電池和解碼軟件等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展也使得移動(dòng)終端的功能日益增強，更多適合移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)的終端不斷涌現。此外，未來(lái)的3G系統也將考慮公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )與WLAN系統的融合，用戶(hù)將有可能真正實(shí)現“任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何終端”的無(wú)縫式移動(dòng)多媒體通信。

五、SIP將成為無(wú)線(xiàn)多媒體傳輸的主流控制協(xié)議

　　在移動(dòng)多媒體系統應用中，控制協(xié)議決定了整個(gè)系統的效率、兼容性、安全性等諸多重要問(wèn)題，是系統運轉的指揮中心。

　　傳統的通信協(xié)議是通過(guò)TCP建立端到端的連接，連接建立的延遲較大，傳遞的私有信令內容簡(jiǎn)單，不但無(wú)法滿(mǎn)足兼容性要求，而且使得系統功能單一，缺乏進(jìn)一步的控制能力。

　　當前，基于SIP（Session Initiation Protocol即會(huì )話(huà)啟動(dòng)協(xié)議）的新型實(shí)時(shí)控制協(xié)議，是IETF制定的多媒體通信系統框架協(xié)議之一的應用層（信令）控制協(xié)議，具有靈活、簡(jiǎn)單、可擴展性強的特點(diǎn)，在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的應用前景極為廣闊。

　　基于SIP協(xié)議，采用UDP傳輸信令，請求建立連接與媒體能力協(xié)商過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，大大縮短了連接建立的延遲，在會(huì )話(huà)過(guò)程中SIP可以通過(guò)UPDATE方法隨時(shí)修改媒體能力參數，通過(guò)re-INVITE方法重新建立連接。SIP因其系統架構支持移動(dòng)性，能夠保證監控雙方的雙方均可以自由移動(dòng)。此外，SIP擁有比較完善的端到端的鑒權機制，具有更高的安全性。

　　采用SIP作為移動(dòng)多媒體系統的控制協(xié)議，不但能夠實(shí)現有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的平滑過(guò)渡，還保留了向上兼容的特性，采用時(shí)間通告機制避免了大量冗余數據的傳輸，保障了網(wǎng)絡(luò )資源的合理利用同時(shí)減輕了用戶(hù)端設備的負擔。

　　3GPP在R5階段提出了IMS（IP多媒體子系統）的概念，旨在集語(yǔ)音、視頻、消息和基于web的技術(shù)于一體并實(shí)現有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)的融合。為實(shí)現接入的獨立性和無(wú)線(xiàn)終端與Internet互操作的平滑性，SIP成為IMS中最適合的會(huì )話(huà)控制機制。SIP同樣適合其它的無(wú)線(xiàn)通信方式如WLAN、WiMax等，從根本上說(shuō),SIP適用于任何采用分組交換的通信方式，這種特性使它成為NGN中的熱門(mén)協(xié)議。

六、小結

　　建立于更高性能的移動(dòng)多媒體終端、抗干擾的音視頻編解碼標準、新型的無(wú)線(xiàn)傳輸控制協(xié)議及第三代移動(dòng)通信技術(shù)之上的無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)多媒體通信系統具有寬帶、高壓縮比、碼率可擴展及抗誤碼等特性，可以樂(lè )觀(guān)的預計：在未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )中，各類(lèi)高速實(shí)時(shí)移動(dòng)多媒體系統的應用前景將會(huì )是十分廣闊的，此外，基于多網(wǎng)融合，實(shí)現多媒體的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路業(yè)務(wù)的融合，也是必然的發(fā)展方向。

《中國多媒體通信》