АДАПТИВНЫЙ СПОСОБ ОЦЕНИВАНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ДАННЫХ Российский патент 2007 года по МПК H04L12/56 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к системе передачи мультимедийных данных, основанной на протоколе передачи в реальном времени (RTP)/протоколе управления передачей в реальном времени (RTCP) в рамках протокола проводного IP (Интернет-протокола), в частности, к способу адаптивного оценивания скорости передачи мультимедийных данных с использованием функции контроля состояния сети протокола RTCP.

Предшествующий уровень техники

В общем случае, такие условия, как достаточная ширина полосы, малая задержка и малые потери пакетов и т.п. должны гарантироваться для передачи мультимедийных данных в проводной IP-сети, такой как Интернет. Однако сетевой уровень в современной проводной IP-сети не может обеспечить функцию, подходящую для удовлетворения требований по качеству обслуживания (QoS), необходимого для передачи видеоданных. Поэтому QoS должно быть обеспечено на более высоком сетевом уровне. С этой целью предложены протокол передачи в реальном времени (RTP) и протокол управления передачей в реальном времени (RTCP), работающие на транспортном уровне.

RTP представляет собой Интернет-протокол для мультимедийных данных реального времени, таких как аудио- и видеоданные, генерируемые в реальном времени. Хотя протокол RTP сам не гарантирует передачи данных в реальном времени, при использовании протокола RTP прикладные программы передачи/приема в системе передачи мультимедийных данных в реальном времени могут поддерживать потоковую передачу данных. Протокол RTP обычно исполняется на протоколе пользовательских дейтаграмм (UDP). Протокол RTCP представляет собой протокол, используемый для поддержания качества обслуживания (QoS) протокола RTP. Протокол RTP относится только к передаче данных, в то время как протокол RTCP относится к контролю передач данных и передаче информации, связанной с сеансами связи. Узлы протокола RTP посылают друг другу пакеты протокола RTCP, чтобы анализировать состояние сети и периодически сообщать, не перегружена ли сеть. При использовании протоколов RTP и RTCP могут учитываться характеристики в соответствии с временным ограничением при передаче мультимедийных данных, и можно противодействовать потерям, возникающим в сети.

В традиционной системе передачи мультимедийных данных мультимедийная прикладная программа (уровень приложений) определяет состояние сети посредством протокола RTCP и управляет скоростью кодирования мультимедийных данных реального времени, которые должны передаваться. Управление скоростью кодирования мультимедийных данных реального времени осуществляется за счет управления скоростью передачи, и традиционный способ оценивания эффективной скорости передачи путем использования информации состояния сети посредством протокола RTCP использует следующее уравнение (1):

(1)

Здесь R(t) обозначает эффективную скорость передачи, p(t) обозначает коэффициент потерь пакетов, получаемый посредством передачи по протоколу RTCP от приемной стороны. RTT(t) обозначает время задержки двустороннего распространения и s обозначает размер пакета.

Если время задержки двустороннего распространения RTT(t) и коэффициент потерь р(t) пакетов заданы, то общая эффективная скорость передачи оценивается с помощью уравнения (1). В частности, в известном способе оценивания скорости передачи с использованием уравнения (1), если размер (s) пакета постоянный, то оцениваемая скорость передачи изменяется в соответствии с временем задержки двустороннего распространения (RTT(t)) и коэффициентом потерь пакетов (р(t)).

На фиг.1 показано изменение доступной скорости передачи, оцениваемой согласно уравнению (1), когда коэффициент потерь пакетов (р(t)) и размер (s) пакетов постоянны, а время задержки двустороннего распространения (RTT(t)) изменяется линейным образом. Если коэффициент потерь пакетов является постоянным, так что p(t)≡0.015 и s≡625, а время задержки двустороннего распространения (RTT(t)) линейно возрастает от 80 мс до 380 мс, то минимальная скорость передачи для пользователя равна 50 кб/с, а максимальная скорость передачи равна 500 кб/с. Как показано на фиг.1, по мере того как время задержки двустороннего распространения (RTT(t)) увеличивается, оцениваемая доступная скорость передачи соответственно уменьшается.

На фиг.2 показано изменение доступной скорости передачи, оцениваемой согласно уравнению (1), когда время задержки двустороннего распространения (RTT(t)) и размер (s) пакетов постоянны, а коэффициент потерь пакетов (р(t)) изменяется линейным образом. Если время задержки двустороннего распространения (RTT(t)) равно 100 мс, размер (s) пакетов равен 625, а коэффициент потерь пакетов (р(t)) изменяется от 0,1% до 20%, то минимальная скорость передачи для пользователя равна 50 кб/с, а максимальная скорость передачи равна 500 кб/с.

Как показано на фиг.2, в известном способе для оценивания эффективной скорости передачи с использованием уравнения (1) не учитывается то, что вследствие больших потерь пакетов возникает такое явление как тайм-аут. Соответственно, когда коэффициент потерь пакетов мал, то доступная скорость передачи оценивается как имеющая подходящее значение. Однако если коэффициент потерь пакетов возрастает, то доступная скорость передачи оказывается преувеличенной. В частности, когда коэффициент потерь пакетов равен 10%, что является довольно высоким показателем, то доступная скорость передачи становится нежелательно завышенной примерно до 200 кб/с, если применяется традиционный способ оценивания скорости передачи.

Таким образом, традиционному способу оценивания скорости передачи свойственен недостаток, состоящий в том, что состояние перегрузки сети не может быть быстро разрешено, и качество приема мультимедийных данных ухудшается ввиду того, что скорость передачи получает завышенную оценку в условиях, когда коэффициент потерь пакетов велик.

Сущность изобретения

Поэтому задачей изобретения является создание способа адаптивного оценивания скорости передачи мультимедийных данных, обеспечивающего повышение точности оцениваемого значения доступной скорости передачи путем определения коэффициента потерь пакетов из пакета сообщения приемника протокола RTCP, передаваемого от приемной стороны, и изменения способа оценивания доступной скорости передачи в соответствии с коэффициентом потерь пакетов.

Для достижения этих и других результатов и в соответствии с назначением изобретения, как реализовано и в обобщенном виде описано ниже, предложен способ адаптивного оценивания скорости передачи мультимедийных данных, содержащий прием пакета сообщения приемника протокола управления передачей в реальном времени (RTCP), определения коэффициента потерь пакетов из пакета сообщения приемника протокола RTCP, и адаптивного оценивания доступной скорости передачи в соответствии с диапазоном, в который попадает коэффициент потерь пакетов.

Вышеуказанные и иные задачи, признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем детальном описании настоящего изобретения со ссылками на чертежи.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи, которые включены для обеспечения более глубокого понимания изобретения и составляют часть данного описания, иллюстрируют варианты осуществления изобретения и вместе с описанием служат для пояснения принципов изобретения.

На чертежах показано следующее:

Фиг.1 - иллюстрация изменения доступной скорости передачи, оцененной известным способом оценивания, когда коэффициент потерь пакетов является постоянным, а время задержки двустороннего распространения изменяется линейным образом;

Фиг.2 - иллюстрация изменения доступной скорости передачи, оцененной известным способом оценивания, когда время задержки двустороннего распространения является постоянным, а коэффициент потерь пакетов изменяется линейным образом;

Фиг.3 - иллюстрация структуры известной системы передачи мультимедийных данных в реальном времени с использованием протоколов RTP и RTCP;

Фиг.4 - иллюстрация способа адаптивного оценивания скорости передачи мультимедийных данных в соответствии с настоящим изобретением и

Фиг.5 - иллюстрация изменения значений скорости передачи, оцененных способом вычислений, который варьируется в соответствии с величиной коэффициента потерь пакетов.

Детальное описание предпочтительных вариантов осуществления

Ниже детально описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, примеры которого иллюстрируются на чертежах.

На фиг.3 представлена структура известной системы передачи мультимедийных данных в реальном времени с использованием протоколов RTP и RTCP.

Как представлено на чертеже, блок передачи и блок приема известной системы передачи мультимедийных данных в реальном времени разделены на транспортные области и области сжатия (включенные в уровень приложений), соответственно.

Область сжатия блока передачи содержит видеокодер, который кодирует мультимедийные данные в соответствии с оцененной скоростью передачи; и блок видеосжатия, который сжимает кодированные мультимедийные данные. Транспортная область блока передачи содержит уровень протокола передачи в реальном времени (RTP), управляющий передачей мультимедийных данных, передаваемых от блока видеосжатия, уровень протокола пользовательских дейтаграмм (UDP) и уровень Интернет-протокола (IP) для передачи к блоку приема мультимедийных данных, передаваемых от уровня RTP, и блок управления скоростью передачи, связанный с уровнем RTP, определяющий коэффициент потерь пакетов из пакета сообщения приемника (RR) протокола RTCP, переданного от блока приема, измеряющий время задержки двустороннего распространения (RTT) с использованием пакета RR протокола RTCP, оценивающий скорость передачи с использованием коэффициента потерь пакетов и времени задержки двустороннего распространения и выдающий оцененную скорость передачи в видеокодер.

Транспортная область блока приема включает в себя уровень IP и уровень UDP, уровень RTP, управляющий передачей мультимедийных данных, передаваемых с уровня UDP, блок контроля качества обслуживания, контролирующий качество обслуживания (QoS) мультимедийных данных посредством информации, включенной в заголовок пакета протокола RTP уровня RTP, и блок сообщения канала для уведомления блока передачи об информации канала на основе контролируемого QoS. Блок сообщения канала передает информацию канала к блоку передачи посредством пакета RR протокола RTCP.

Пакет RR протокола RTCP включает в себя блок сообщения приема для подачи назад в блок передачи статистической информации о пакетах протокола RTCP, передаваемых от блока передачи. Блок сообщения приема также содержит коэффициент потерь пакетов и временную метку последнего сообщения отправителя (LSR). Временная метка LSR указывает время передачи последнего пакета сообщения отправителя (SR) протокола RTCP.

Уровень сжатия блока приема содержит видеодекодер, который декодирует мультимедийные данные, переданные с уровня RTP.

Пакет мультимедийных данных, переданный блоком передачи известной системы передачи мультимедийных данных, имеющей описанную структуру, может быть потерян в сети Интернет или может быть отклонен блоком приема ввиду избыточной временной задержки. Другие пакеты, поступающие в блок приема вовремя, передаются к видеодекодеру через уровни IP/UDP/RTP и затем декодируются.

Блок приема принимает пакет мультимедийных данных и затем вычисляет информацию о состоянии сети, такую как коэффициент потерь пакетов, задержку или т.п. посредством различной информации, существующей в RTP-заголовке пакета мультимедийных данных, тем самым контролируя качество обслуживания (QoS). Контролируемая информация подается назад в блок передачи посредством блока сообщения канала протокола RTCP. Блок передачи прогнозирует доступную ширину полосы текущего канала с использованием информации, которая была подана назад, и прогнозируемая доступная ширина полосы, в частности доступная скорость передачи, передается к видеокодеру. Видеокодер, имеющий прогнозируемую доступную скорость передачи, управляет выходной скоростью кодирования битового потока мультимедийных данных в соответствии с прогнозируемой скоростью передачи.

Настоящее изобретение предлагает новый способ оценивания скорости передачи, в котором скорость передачи оценивается посредством информации, включенной в пакет RR, когда блок передачи принимает пакет RR протокола RTCP от блока приема в системе передачи мультимедийных данных, в то же время способ не противоречит базовому принципу оценивания скорости передачи в соответствии с протоколом управления передачей (TCP).

В системе передачи мультимедийных данных, в которой может применяться настоящее изобретение, один пакет протокола RTCP передается каждый раз, когда передается предварительно заданное число пакетов мультимедийных данных с форматом пакета протокола RTP, и предварительно заданное число может составлять, например, 20.

Фиг.4 иллюстрирует адаптивный способ оценивания скорости передачи мультимедийных данных.

В системе передачи мультимедийных данных блок передачи передает мультимедийные данные в формате пакета протокола RTP к блоку приема (этап S11). В данном случае один пакет протокола RTCP передается каждый раз, когда передается предварительно заданное число пакетов протокола RTP, например 20. Таким образом, блок передачи передает к блоку приема по одному пакету SR протокола RTCP каждый раз, когда он передает 20 пакетов протокола RTP. Пакет SR протокола RTCP включает в себя информацию, относящуюся к времени передачи пакета SR, а именно значение временной метки протокола сетевого времени (NTP) в момент передачи пакета SR.

При приеме пакета SR протокола RTCP блок приема получает время передачи пакета SR на основе значения временной метки NTP для пакета SR протокола RTCP в поле LSR для генерации пакета RR протокола RTCP и передает генерированный пакет RR протокола RTCP блоку передачи (этап S13). Пакет RR протокола RTCP включает в себя коэффициент потерь пакетов.

Блок передачи, приняв пакет RR протокола RTCP, определяет коэффициент потерь пакетов из пакета RR протокола RTCP (этап S15) и оценивает допустимую скорость передачи (R(t_n)) с помощью способа вычисления, который варьируется в соответствии с полученным коэффициентом потерь пакетов, как представлено в уравнении (2).

В частности, блок передачи оценивает допустимую скорость передачи (R₁(t_n)), когда полученный коэффициент потерь пакетов не превышает 5% (p(t_n)≤0.05), блок передачи оценивает допустимую скорость передачи (R₂(t_n)), когда полученный коэффициент потерь пакетов больше 5%, но меньше 10% (0.05<p(t_n)<0.1), и блок передачи оценивает допустимую скорость передачи (R₃(t_n)), когда полученный коэффициент потерь пакетов не меньше 10% (p(t_n)≥0.1).

Иными словами, когда полученный коэффициент потерь пакетов не превышает 5% (p(t_n)≤0.05), блок передачи оценивает допустимую скорость передачи (R₁(t_n)) с помощью традиционного способа оценивания с использованием уравнения (1). Когда полученный коэффициент потерь пакетов больше 5%, но меньше 10% (0.05<p(t_n)<0.1), блок передачи делит полный размер данных, обычно поступающих в блок приема, соответствующий 20 пакетам протокола RTP, на время, требуемое для передачи 20 пакетов, тем самым оценивая допустимую скорость передачи (R₂(t_n)).

Время, требуемое для передачи 20 пакетов протокола RTP, вычисляется с использованием значения LSR, включенного в пакет RR протокола RTCP. Более конкретно, блок передачи вычитает значение LSR (LSR(t_n-1)) ранее принятого пакета RR протокола RTCP из значения LSR (LSR(t_n)) текущего принятого пакета RR протокола RTCP, тем самым получая время, требуемое для передачи 20 пакетов протокола RTP. А именно, блок передачи получает время передачи n-го переданного пакета SR (SR(t_n)) посредством значения LSR (LSR(t_n)) n-го переданного назад пакета RR (RR(t_n)) и вычитает время передачи (n-1)-го пакета SR (SR(t_n-1)) из времени передачи n-го пакета SR (SR(t_n)), тем самым получая время, требуемое для передачи 20 пакетов протокола RTP (LSR(t_n) - (LSR(t_n-1)).

Таким образом, полный размер данных, нормально поступающих в блок приема, определяется следующим образом. Блок передачи проверяет число пакетов протокола RTP, обычно передаваемых между временем передачи (n-1)-го пакета SR (SR(t_n-1)) и временем передачи n-го пакета SR (SR(t_n)), и вычисляет размер нормально принимаемых данных с использованием проверенного числа нормально переданных пакетов протокола RTP. Число пакетов протокола RTP, нормально переданных в течение интервала между (n-1)-ым пакетом SR (SR(t_n-1)) и n-ым пакетом SR (SR(t_n)), равно s·20·(1-р(t_n)). Здесь р(t_n) обозначает коэффициент потерь пакетов, полученный из n-го пакета RR протокола RTCP, а s обозначает размер пакета.

α и β представляют собой весовые коэффициенты, заданные так, чтобы скорости передачи, оцененные посредством разных уравнений, имели непрерывные значения без существенных различий между ними, когда коэффициенты потерь пакетов равны 5% и 10%. α и β могут быть вычислены с использованием трех выражений в уравнении (3), когда коэффициент потерь пакетов для пакета RR протокола RTCP, переданного от блока приема, равен 5%, и когда коэффициент потерь пакетов для пакета RR протокола RTCP, переданного от блока приема, равен 10%.

Здесь, если время, требуемое для передачи данных, постоянно, то уравнение для оценки допустимой скорости передачи (R₂(t_n)) определяется как линейное выражение по отношению к коэффициенту р потерь пакетов.

Если коэффициент потерь пакетов, определенный на этапе S15 не меньше, чем 10% (p(t_n)≥0.1), то блок передачи оценивает допустимую скорость передачи (R₃(t_n)) как минимальную скорость передачи, устанавливаемую пользователем.

На фиг.5 показаны скорости передачи, оцениваемые с использованием соответствующего изобретению способа вычислений, который варьируется в соответствии с коэффициентом потерь пакетов.

В частности, на фиг.5 показаны допустимые скорости передачи, оцениваемые в соответствии с увеличением коэффициента р потерь пакетов, когда s≡625, RTT≡100 мс и (LSR(t_n)-(LSR(t_n-1)≡ RTT/2·20. В данном случае α=44, β=395600.

Как показано на фиг.5, допустимая скорость передачи, оцениваемая в соответствии с уравнением (3), является той же, что и результирующее значение, получаемое с помощью уравнения (1) (результирующее значение, получаемое с помощью традиционного способа оценивания скорости передачи), когда коэффициент р потерь пакетов не превышает 5%. Когда коэффициент р потерь пакетов больше 5%, но меньше 10%, допустимая скорость передачи, оцениваемая в соответствии с уравнением (3), меньше, чем результирующее значение, получаемое с помощью уравнения (1), и когда коэффициент р потерь пакетов не меньше 10%, то допустимая скорость передачи представляет собой минимальную скорость передачи, устанавливаемую пользователем.

Таким образом, в способе оценивания скорости передачи, соответствующем изобретению, когда коэффициент потерь пакетов велик, допустимая скорость передачи оценивается как значение, меньшее, чем оцениваемое значение, получаемое с помощью традиционного способа оценивания скорости передачи.

Как описано выше, в настоящем изобретении определяется коэффициент потерь пакетов из пакета RR протокола RTCP, передаваемого от блока приема, и способ оценивания доступной скорости передачи выбирается адаптивным образом в соответствии с диапазоном, в который попадает полученный коэффициент потерь пакетов, так что доступная скорость передачи оценивается как имеющая меньшее значение, когда коэффициент потерь пакетов велик. Соответственно, состояние перегрузки сети может быть легко разрешено, и качество приема мультимедийных данных в условиях потерь пакетов может быть улучшено.

Так как настоящее изобретение может быть реализовано в различных формах без отклонения от его сущности, понятно, что вышеописанные варианты осуществления не ограничены какими-либо деталями, раскрытыми в приведенном описании, если только это не определено иным образом, а должно трактоваться в широком смысле в пределах сущности и объема, как определено формулой изобретения. Поэтому все изменения и модификации, находящиеся в рамках пунктов формулы изобретения или их эквивалентов, должны интерпретироваться как охватываемые формулой изобретения.

Изобретение относится к адаптивному вычислению скорости кодирования при использовании протокола передачи RTP/RTCP. Технический результат заключается в устранении завышения скорости передачи при больших потерях пакетов. Для этого производят адаптивную оценку скорости передачи в зависимости от коэффициента потерь пакетов: если коэффициент потерь мал, то используют известное уравнение для оценки, если коэффициент потерь средний, то используют линейную аппроксимацию известного уравнения для оценки, и если коэффициент потерь высок, то используют заранее выбранное значение минимальной скорости. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ оценивания скорости передачи мультимедийных данных, содержащий прием пакета сообщения приемника протокола управления передачей в реальном времени (RTCP) от блока приема мультимедийных данных, определение коэффициента потерь пакетов из пакета сообщения приемника протокола RTCP и когда коэффициент потерь пакетов больше, чем первое значение, и меньше, чем второе значение, оценивают доступную скорость передачи посредством использования первого уравнения

,

где R(p(t_n)) обозначает доступную скорость передачи;

s обозначает размер пакета;

p(t_n) обозначает коэффициент потерь пакетов, получаемый из n-го пакета сообщения приемника (RR) протокола RTCP;

LSR(t_n) обозначает время передачи n-го пакета сообщения отправителя (SR) протокола RTCP; и

α и β обозначают весовые коэффициенты.