移動多媒體系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)

張振環(huán) 別紅霞 2008/10/10

圖1 移動多媒體終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　1. 微處理器系統(tǒng)

　　核心微處理器將采集到的原始多媒體數(shù)據(jù)經(jīng)過音視頻編碼設(shè)備根據(jù)給定的編碼標準（H.263、H.264、MPEG-4…）進行編碼，以備本地播放或通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。同時，還要提供必要的多媒體外設(shè)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(shù)字信號處理器（DSP）芯片�，F(xiàn)在，國際上已經(jīng)推出了不少專用型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(nèi)部用硬件實現(xiàn)，適用于對速度要求很高的場合。這種方案的缺點是靈活性差，開發(fā)工具尚不完善。

　　利用可編程DSP芯片實現(xiàn)。DSP芯片采用改進的哈佛總線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有硬件乘法器、累加器，使用流水線結(jié)構(gòu)，具有良好的并行性等，非常適用于不允許有延遲的實時應(yīng)用領(lǐng)域。而且，一塊內(nèi)嵌的DSP芯片結(jié)合外圍電路能完成整個系統(tǒng)的壓縮編碼。這種方案有很強的靈活性，硬件系統(tǒng)完成后，整個系統(tǒng)的升級僅僅需要修改軟件即可。

　　用FPGA等可編程陣列產(chǎn)品實現(xiàn)�？梢岳诠緦Ｓ密浖騐HDL等開發(fā)語言，通過軟件編程用硬件實現(xiàn)特定的音視頻壓縮算法。這一方案具有通用性的特點，并可以實現(xiàn)算法的并行運算，無論是作為獨立的數(shù)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(shè)

　　多媒體外設(shè)主要包括攝像頭、顯示設(shè)備、音視頻處理設(shè)備，還包括耳機話筒、網(wǎng)絡(luò)智能卡、天線和電池等。攝像頭采集視頻信號，顯示設(shè)備將從本地或網(wǎng)絡(luò)得到視頻數(shù)據(jù)打開數(shù)據(jù)包，進行視頻解碼，并把得到的視頻數(shù)據(jù)顯示出來，同時，如果嵌入式網(wǎng)絡(luò)多媒體終端需要驗證視頻壓縮的數(shù)據(jù)的正確性，還可以帶有本地解碼器，支持解碼數(shù)據(jù)的本地顯示。

　　3. 數(shù)據(jù)存儲設(shè)備

　　數(shù)據(jù)存儲設(shè)備包括RAM、ROM、SDRAM和FLASH，用來擴展系統(tǒng)存儲空間，存儲經(jīng)過編解碼的多媒體數(shù)據(jù)和終端控制程序。

　　4. 無線網(wǎng)絡(luò)接口模塊

　　無線網(wǎng)絡(luò)接口模塊處理音視頻編碼流，把音視頻數(shù)據(jù)打包為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，并把它通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸出去。并支持系統(tǒng)選定的無線網(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(gòu)架

圖2 以DM642為核心的多媒體終端的系統(tǒng)框圖

三、抗干擾的視頻編解碼技術(shù)

　　1. 視頻編解碼技術(shù)

　　為了能在時變、帶寬有限、誤碼率較高的無線信道上傳輸視頻數(shù)據(jù)，圖像視頻編碼算法必須滿足：高效的視頻壓縮比；較高的傳輸實時性；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IEC關(guān)于活動圖像的編碼標準MPEG-X，國際電信聯(lián)盟ITU-T關(guān)于視頻電話/視頻會議的視頻編碼標準H.26X，以及3GPP提出的第三代移動通信流媒體傳輸標準。

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

　　ITU-T頒布的H. 261標準，用于可視電話和會議電視。后來又陸續(xù)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(shù)據(jù)的空間和時間冗余，采用預測與變換的混合編碼方法，對殘余的數(shù)據(jù)進行編碼，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(jiān)控、視頻會議和可視電話等都己經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。目前最新的H. 264標準能夠比H. 263節(jié)約50%左右的碼率，應(yīng)用范圍包括網(wǎng)絡(luò)廣播、網(wǎng)絡(luò)會議和無線視頻監(jiān)控等。

　　3G-324M作為3GPP提出的第三代移動通信流媒體傳輸標準，可確保有線視頻傳輸系統(tǒng)與第三代移動視頻傳輸系統(tǒng)之間的互操作性。與ITU-T H.324中的視訊會議標準有較緊密的聯(lián)系。3G-324M適用于UMTS移動網(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簡單類第一級，缺省語音編碼器則為GSM-AMR和G.723.1。3GPP2也將類似的標準集應(yīng)用于3GPP2無線網(wǎng)絡(luò)電路交換視頻會議業(yè)務(wù)。

　　2. 編解碼中的抗干擾問題

　　相對于有線傳輸信道，移動通信所使用的無線傳輸信道環(huán)境要惡劣得多，數(shù)據(jù)包的接收誤碼率要高出幾個數(shù)量級。而壓縮視頻流對誤碼非常敏感，即使接收到數(shù)據(jù)包的誤碼率很低，也會對解碼后的圖像質(zhì)量造成很嚴重的影響。因此，抗干擾技術(shù)成為各種編解碼技術(shù)中的關(guān)鍵問題。

　　（1） H.263抗干擾機制

　　為了提高壓縮效率并拓展在無線通信中的適用范圍，提出了一種基于H.263編解碼標準的改進的H.263＋編解碼機制。借鑒了基于Huffman的可逆變長編碼（RVLC）的思想，每個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(jié)束處開始反向解碼，結(jié)果只是丟棄了碰到誤碼的分段的部分數(shù)據(jù)，更多的數(shù)據(jù)可以恢復。

　　在H.263+基線模式編碼過程中，同步標志不僅可以用來向后同步，也可以用來向前同步，在不降低編碼效率的前提下，結(jié)合差錯掩蓋，極大的提高視頻圖像在無線網(wǎng)絡(luò)等噪聲信道中傳輸?shù)馁|(zhì)量。

　　在改進的編碼器中，為了阻止GOB前半程MB行誤碼擴撒到后半程，設(shè)定后半程MB行的第一個預測運動矢量（MV）的水平和垂直分量都為0，其后宏塊（MB）的運動矢量（MV）采用運動矢量差（MVD）來預測編碼。
差錯監(jiān)測和差錯定位。傳輸差錯可以通過視頻信號的內(nèi)在特征或編解碼器的句法來檢測，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，無效的運動矢量等都可以認為出現(xiàn)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)的實時網(wǎng)絡(luò)傳輸層及底層移動通信系統(tǒng)可以根據(jù)傳輸信道的質(zhì)量、系統(tǒng)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(quán)衡，自適應(yīng)地選擇抗誤碼工具，改善流媒體傳輸?shù)目拐`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(shù)周期性地插入重同步標識，并在視頻編碼時去除兩個不同視頻包之間所有數(shù)據(jù)的依賴性。解碼器在解碼過程中識別到不可糾正的錯誤時，就會依據(jù)下一個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(shù)據(jù)量。

　　數(shù)據(jù)分割（DP），使用運動邊界標記（MBM）將視頻數(shù)據(jù)分為運動部分和紋理部分，可以更嚴格的檢查位移估值數(shù)據(jù)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。

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

　　（3） 第三代移動通信的抗誤碼性能

　　第三代移動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、抗多徑衰落及抗時延擴展等能力。同時，第三代移動通信系統(tǒng)也采用了卷積碼及TURBO碼作為前向糾錯編碼（FEC），大大提高了移動環(huán)境下數(shù)據(jù)傳送的抗誤碼性能。而且，由于直接序列擴頻技術(shù)允許為移動終端用戶分配多個語音或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)邏輯信道，為在視頻流媒體傳送中采用數(shù)據(jù)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，如同步頭或運動矢量信息可以單獨占據(jù)一個優(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、移動通信網(wǎng)絡(luò)

　　目前，能傳輸多媒體業(yè)務(wù)的寬帶無線接入技術(shù)有多種，如VSAT寬帶衛(wèi)星廣域接入、以IEEE 802.16為代表的寬帶無線接入系統(tǒng)（BWA，包括MMDS、LMDS）、中距離的無線本地環(huán)路技術(shù)、以IEEE 802.11系列和HiperLAN為代表的無線局域網(wǎng)接入、以IEEE 802.15無線個人域網(wǎng)WPAN，包括藍牙、紅外、超寬頻以及HomeRF為代表的短距離無線互連技術(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通信技術(shù)，通過一個標準的（lx)CDMA頻道能夠支持語音和數(shù)據(jù)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(tǒng)容量的兩倍(比TDMA和GSM更好)，從而能夠適應(yīng)不斷增長的語音服務(wù)和無線互聯(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(xiàn)網(wǎng)實測可以達到100kbit／s左右。

　　中國移動采用的GPRS技術(shù)，是基于GSM 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來的新型分組交換數(shù)據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)。與傳統(tǒng)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質(zhì)的飛躍。GPRS 拋棄了傳統(tǒng)的獨占電路交換模式，采用分組交換技術(shù)，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享．有效地利用了信道資源，帶寬理論最高可達171．2kbit／s，現(xiàn)網(wǎng)測試也可達到35kbit／s左右。

　　2. 基于無線局域網(wǎng)絡(luò)

　　無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)是利用射頻或紅外線的技術(shù)，以無線的方式連接兩部或多部需要交換信息的移動多媒體設(shè)備。相較于以有線方式所構(gòu)成的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，無線局域網(wǎng)絡(luò)具有存取架構(gòu)簡單、高移動性等優(yōu)勢。

　　為了保證多媒體文件的穩(wěn)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。無線網(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(shù)據(jù)傳輸帶寬分別為5Mbps/10Mbps/22Mbps，完全可以滿足各種類型的多個并發(fā)多媒體文件穩(wěn)定傳輸，保證高質(zhì)量的視頻信息。

　　3. 未來發(fā)展方向——3G

　　隨著3G移動通信系統(tǒng)走向?qū)嵱�，高�?MHz的帶寬將為移動多媒體通信提供更加強有力的支持。此時視頻的質(zhì)量將會有極大的改善。顯示屏、 CPU 內(nèi)存、電池和解碼軟件等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展也使得移動終端的功能日益增強，更多適合移動多媒體業(yè)務(wù)的終端不斷涌現(xiàn)。此外，未來的3G系統(tǒng)也將考慮公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)與WLAN系統(tǒng)的融合，用戶將有可能真正實現(xiàn)“任何時間、任何地點、任何終端”的無縫式移動多媒體通信。

五、SIP將成為無線多媒體傳輸?shù)闹髁骺刂茀f(xié)議

　　在移動多媒體系統(tǒng)應(yīng)用中，控制協(xié)議決定了整個系統(tǒng)的效率、兼容性、安全性等諸多重要問題，是系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的指揮中心。

　　傳統(tǒng)的通信協(xié)議是通過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(nèi)容簡單，不但無法滿足兼容性要求，而且使得系統(tǒng)功能單一，缺乏進一步的控制能力。

　　當前，基于SIP（Session Initiation Protocol即會話啟動協(xié)議）的新型實時控制協(xié)議，是IETF制定的多媒體通信系統(tǒng)框架協(xié)議之一的應(yīng)用層（信令）控制協(xié)議，具有靈活、簡單、可擴展性強的特點，在無線通信領(lǐng)域的應(yīng)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)商過程同時進行，大大縮短了連接建立的延遲，在會話過程中SIP可以通過UPDATE方法隨時修改媒體能力參數(shù)，通過re-INVITE方法重新建立連接。SIP因其系統(tǒng)架構(gòu)支持移動性，能夠保證監(jiān)控雙方的雙方均可以自由移動。此外，SIP擁有比較完善的端到端的鑒權(quán)機制，具有更高的安全性。

　　采用SIP作為移動多媒體系統(tǒng)的控制協(xié)議，不但能夠?qū)崿F(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的平滑過渡，還保留了向上兼容的特性，采用時間通告機制避免了大量冗余數(shù)據(jù)的傳輸，保障了網(wǎng)絡(luò)資源的合理利用同時減輕了用戶端設(shè)備的負擔。

　　3GPP在R5階段提出了IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）的概念，旨在集語音、視頻、消息和基于web的技術(shù)于一體并實現(xiàn)有線和無線的融合。為實現(xiàn)接入的獨立性和無線終端與Internet互操作的平滑性，SIP成為IMS中最適合的會話控制機制。SIP同樣適合其它的無線通信方式如WLAN、WiMax等，從根本上說,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中的熱門協(xié)議。

六、小結(jié)

　　建立于更高性能的移動多媒體終端、抗干擾的音視頻編解碼標準、新型的無線傳輸控制協(xié)議及第三代移動通信技術(shù)之上的無線實時多媒體通信系統(tǒng)具有寬帶、高壓縮比、碼率可擴展及抗誤碼等特性，可以樂觀的預計：在未來移動通信網(wǎng)絡(luò)中，各類高速實時移動多媒體系統(tǒng)的應(yīng)用前景將會是十分廣闊的，此外，基于多網(wǎng)融合，實現(xiàn)多媒體的有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(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》