阅读说明：本技术 以动态可控双流进行视频无线组播下tcp误码重传控制方法 (TCP error code retransmission control method under video wireless group broadcast by dynamic controllable double stream ) 是由 杨工明 李衡 徐勇 周子容 叶隽毅 李嘉仪 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了以动态可控双流进行视频无线组播下TCP误码重传控制方法。本发明方法中视频管理平台通过SIP协议将各个客户端自身的单播IP地址通知至摄像机,摄像机发送组播视频流给客户端；客户端接收到组播视频数据报文后,发送单播确认报文给摄像机；当发生丢包时,客户端反馈重传报文信息,摄像机收到重传报文信息后按TCP标准机制处理,同时通过误码通告字段查看各客户端反馈报文中是否包含不必重传的标注,如未标注不必重传,则启动重传机制,此时摄像机同时启动辅流传输。本发明方法将点播者纳入动态可变的辅码流组播组,发送减速或减速并重传的组播单流,不会导致丢包趋于恶劣,并使丢包环境适应性增强,逐步改进视频点播体验。(The invention discloses a TCP error code retransmission control method under the condition of carrying out video wireless multicast by dynamic controllable double streams. In the method, a video management platform informs a video camera of the unicast IP address of each client through an SIP protocol, and the video camera sends multicast video streams to the clients; after receiving the multicast video data message, the client sends a unicast confirmation message to the camera; when packet loss occurs, the client feeds back retransmission message information, the camera receives the retransmission message information and then processes the retransmission message information according to a TCP standard mechanism, meanwhile, whether the feedback message of each client contains a label which is not required to be retransmitted or not is checked through an error code notification field, if the feedback message of each client is not labeled and is not required to be retransmitted, a retransmission mechanism is started, and at the moment, the camera simultaneously starts auxiliary stream transmission. The method of the invention brings the jukebox into the dynamically variable auxiliary code stream multicast group, and sends the multicast single stream which is decelerated or decelerated and retransmitted, so that the packet loss is not severe, the adaptability of the packet loss environment is enhanced, and the video-on-demand experience is gradually improved.)

以动态可控双流进行视频无线组播下TCP误码重传控制方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种以动态可控双流进行视频无线组播下TCP误码重传控制的方法。

背景技术

在视频图像的传输过程中，由于视频源需要面对多个用户的请求，需要在传输网络中增加视频流分发的环节，在有线传输环境中有的采用视频流媒体转发服务器转发的模式进行视频流的分发，也有越来越多的传输采用了基于组播技术的组播组内的网络交换/路由进行视频流分发的模式，尤其在无线网络环境中采用无线组播技术就是一个非常好的选项。Internet协议集支持一个无连接的传输协议，该协议称为用户数据报协议(UDP，UserDatagram Protocol)，但是由于UDP协议固有的特点，视频在传输过程中的非可靠传输带来了的丢包无法反馈与重传，在恶劣环境下经常导致视频丢包卡顿、严重影响用户的视频点播体验。因此采用TCP进行视频流传输也是业内的主要选项。

TCP(Transmission Control Protocol传输控制协议)是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议，是目前Internet环境进行视频传输的主要传输控制协议，为各主机之间提供可靠按序的传输服务。TCP拥塞控制是其成功应用的重要原因，即只要终端检测出有数据丢失，均认为是网络拥塞所致，于是调用拥塞控制机制，这对于链路质量较好的有线环境是适宜的。

在基于无线环境下的视频传输中，由于无线环境与有线环境相比，通常具有较高的比特误码率(BER)、变化的带宽、时延大以及频繁的移动特性，将传统的基于有线环境设计的TCP技术应用于无线环境时，会造成大幅度的性能减退，这是因为，在无线环境中，丢包的原因不一定是拥塞引起的，大多数时候的丢包是由信道本身特性不理想，例如信号干扰、多径衰落等，或是由移动和切换造成的，TCP将误码引起的丢包当作拥塞进行处理，而降低发包速率，显然是不合适的。因此无线网络中如何有效区分丢包原因并据此做出正确反应就成为提高无线网络线TCP传输视频流性能的关键。

在拥塞丢包时，调用拥塞控制算法，降低数据包发送速率；在无线丢包时，采用显式重传，保持原有发送速率。

高误码率对TCP性能的影响：(1)随机误码对TCP的影响：如果很少，能利用纠错码恢复；过多的误码则可能导致报文到达传输层前被丢弃；引发快速重传；窗口减少、吞吐率降低；(2)突发误码对TCP性能的影响：可能引发超时；慢启动，吞吐率降低；快速重传导致重传丢失报文、减少拥塞窗口，吞吐率降低。因可接受范围内的误码而导致的报文丢失应该无需降低吞吐率(TCP的“发生报文丢失是因为拥塞”的假设造成了低效)。

一般TCP的慢启动机制和拥塞避免机制，都是慢慢的加速发送，当遇到丢包则速度减半。特别是在无线环境视频传送时，可能收不到正确报文的原因只是误码，而非拥塞。接收方发现丢包，通过实时测量无线信道质量：若丢包率低于某个阈值A，视频质量尚可忍受，则反馈的确认消息中注明“不必重传”，避免重传引起带宽浪费，同时在反馈的确认消息中提示误码信息；若丢包率高于阈值A，但误码率高于阈值B，说明丢包很可能是误码引起的，则TCP不减速也不加速，观察一段时间，若丢包无加剧现象，则继续正常加速，否则说明同时存在拥塞现象，按照TCP规则减速；若丢包率高于阈值A，且误码率低于阈值B，说明丢包很可能是因为拥塞引起的，按照TCP规则正常减速。该方法实现了：(1)可接受的少量误码不启动误码丢包重发，会极大减少触发网络拥塞；(2)利用保留报文字段传送误码严重程度及降速+重发指令，带内传输无需额外开销；(3)在无线传输视频流的环境下，每一个视频流的重传将是对网络的加倍冲击，按需启动重传可以平滑网络环境。

该方案适用于P2P的TCP视频图像传输，针对组播模式下的视频分享传输无法实现反向多点反馈与重传控制。由于无线视频组播的传输模式是一个组播源面向多个组播组的点对多点传输，而且由于在无线环境下的误码几率较大，在TCP下当多个组播组反馈丢包信息后，组播源没有接收和响应机制，而且当多个组播组反馈丢包信息互为矛盾时将导致组播源无法响应，无法实现恶劣环境下的重传控制。

发明内容

在无线组播的视频图像传输过程中，当无线环境具有较高的比特误码率(BER)、变化的带宽、时延大以及频繁的移动特性而变差后导致的拥塞丢包，以及由于无线环境中的信号干扰、多径衰落等，或是由于移动和切换造成的误码丢包时，由于各种不同组播组的传输反馈各异，需要及时采取评估和有区别的响应措施以保证组播组反馈的不同的丢包状况。

本发明的目的就是针对以上技术问题，提供一种以动态可控双流进行视频无线组播下TCP误码重传控制的方法。

本发明方法具体是：当多个视频点播应用客户端向视频管理平台VM请求某一摄像机的组播视频，视频管理平台VM通过SIP协议，将各个点播客户端自身的单播IP地址通知至所述摄像机，所述摄像机发送组播视频流给视频点播应用客户端；各视频点播应用客户端接收到组播视频数据报文后，视频点播应用客户端发送单播确认报文给所述摄像机；摄像机只接收源IP为视频管理平台VM预先告知的视频点播应用客户端的确认报文，其他确认报文作为伪造报文，直接丢弃；当发生丢包时，视频点播应用客户端反馈重传报文信息；摄像机收到各视频点播应用客户端的重传报文信息后按TCP标准机制处理，同时通过误码通告字段查看各视频点播应用客户端反馈报文中是否包含不必重传的标注，如未标注不必重传，则启动重传机制，此时摄像机同时启动辅流传输。所述的SIP协议为会话初始协议，是一种视频监控控制信令的通信协议。具体实现步骤如下：

步骤(1).视频点播应用客户端通过SIP协议的Invite方法实现与视频管理平台VM的会话连接，Invite中携带视频点播应用客户端的单播IP信息，通过平台资源列表，选择拟点播视频资源的摄像机；

步骤(2).视频管理平台VM将视频点播应用客户端的单播IP信息通过Invite方法发送至选定的摄像机；

步骤(3).通过跨视频管理平台VM与摄像机TCP的三次握手机制的会话，所述摄像机确认会话成功ACK；

步骤(4).摄像机以RTP/RTCP协议发送组播视频流给视频点播应用客户端；

步骤(5).如视频点播应用客户端接收的视频流发生丢包，根据丢包率PLR和误码率SER大小进行如下操作：

若PLR＜τ1，则该视频点播应用客户端反馈的确认消息中标注不必重传，同时在反馈的确认消息中提示误码信息；τ1为设定的丢包率阈值；

若PLR≥τ1且SER≥τ2，则TCP不减速也不加速，观察一段时间k，若丢包无加剧现象，则继续正常加速，否则说明同时存在拥塞现象，按照TCP规则减速；τ2为设定的误码率阈值，k为观察时间窗口；

若PLR≥τ1且SER＜τ2，按照TCP拥塞避免机制正常减速；

步骤(6).摄像机收到各个视频点播应用客户端的反馈信息及附带信息；

反馈信息的TCP确认报文报头6位预留字段中前2位为误码通知信息，后4位为S值，表示误码累计数，由S值得到误码率SER；

前2位为00，表示不必重传；

前2位为01，表示拥塞减速；

前2位为10，表示误码观察；

前2位为11，表示减速并重传；

步骤(7).视频点播应用客户端的组播组进行动态分组，按照视频点播应用客户端的反馈信息情况进行动态组播二次分组：主码流组播组、辅码流组播组，并按动态可控双流的的形式发送2个组播流：不必重传的视频点播应用客户端组成的主码流组播组，按照主码流的单流全速发送；其他视频点播应用客户端组成的辅码流组播组，按照不同情况启动辅码流的减速或减速并重传：拥塞减速，保持主码流的单流全速发送，辅码流启用TCP拥塞减速机制；减速并重传，保持主码流的单流全速发送，辅码流启用TCP减速重传机制；

步骤(8).视频点播应用客户端接收二次分组组播流：

不必重传的组播组：接收主码流的全速组播流；

其他有丢包组播组：接收辅码流的减速或减速并重传的组播流；

步骤(9).辅码流组播组的优化反馈：当接收辅码流组播组的视频点播应用客户端正常接收时间t间隔后反馈发送不必重传信息，后续进入主码流全速组播组；当接收辅码流组播组的视频点播应用客户端依然产生丢包，则继续反馈发送误码通告，后续依然接收辅码流组播组的码流，直到网络改善PLR＜τ1。

无线组播是一种基于无线传输情况下的可控多播技术，本发明中指视频图像前端视频以点对多点的形式以TCP协议在无线环境下进行的组播传输视频流的技术。

动态可控双流是指前端摄像机在根据TCP反馈判断网络传输质量下以全速主流组播流+减速或减速并重传的辅流组播流，形成动态双流的形式发送的视频流。

本发明方法的有益效果包括：

1、本发明方法实现了无线组播下的TCP传输视频图像，以可控组播双流的形式有选择地适应网络环境；

2、本发明方法对于不同网络丢包环境进行组播组的二次分组，对正常传输的点播者按主码流单流全速传输，不会引入其他干扰；

3、本发明方法对于网络丢包环境恶劣的点播者纳入动态可变的辅码流组播组，发送减速或减速并重传的组播单流，不会导致丢包趋于恶劣，并使丢包环境适应性增强，逐步改进视频点播体验。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明方法做进一步说明。

以动态可控双流进行视频无线组播下TCP误码重传控制方法，具体步骤如下：

步骤(1).视频点播应用客户端通过SIP协议的Invite方法实现与视频管理平台VM的会话连接，Invite中携带视频点播应用客户端的单播IP信息，通过平台资源列表，选择拟点播视频资源的摄像机。

步骤(2).视频管理平台VM将视频点播应用客户端的单播IP信息通过Invite方法发送至选定的摄像机。

步骤(3).通过跨视频管理平台VM与摄像机TCP的三次握手机制的会话，所述摄像机确认会话成功ACK。

步骤(4).摄像机以RTP/RTCP协议发送组播视频流给视频点播应用客户端。

步骤(5).如视频点播应用客户端接收的视频流发生丢包，根据丢包率PLR和误码率SER大小进行如下操作：

若PLR＜τ1，表示视频质量尚可忍受，则该视频点播应用客户端反馈的确认消息中标注不必重传，避免重传引起带宽浪费，同时在反馈的确认消息中提示误码信息；τ1为设定的丢包率阈值，τ1＝5×10^-4～5×10^-3，本实施例中τ1＝0.001。

若PLR≥τ1且SER≥τ2，说明丢包是误码引起的，则TCP不减速也不加速，观察一段时间k，若丢包无加剧现象，则继续正常加速，否则说明同时存在拥塞现象，按照TCP规则减速。τ2为设定的误码率阈值，τ1＞τ2，τ2＝5×10^-5～5×10^-4，本实施例中τ2＝0.0001；k为观察时间窗口，k＝0.5～2s，本实施例中k＝1s。

若PLR≥τ1且SER＜τ2，表示丢包是因为拥塞引起的，按照TCP拥塞避免机制正常减速；

步骤(6).摄像机收到各个视频点播应用客户端的反馈信息及附带信息。

由于各个点播者反馈的误码通告可能各不相同，反馈信息的TCP确认报文报头6位预留字段中前2位为误码通知信息，后4位为S值，表示误码累计数，由S值得到误码率SER；

前2位为00，表示不必重传；

前2位为01，表示拥塞减速；

前2位为10，表示误码观察；

前2位为11，表示减速并重传。

步骤(7).视频点播应用客户端的组播组进行动态分组，按照视频点播应用客户端的反馈信息情况进行动态组播二次分组：主码流组播组、辅码流组播组，并按动态可控双流的的形式发送2个组播流：不必重传的视频点播应用客户端组成的主码流组播组，按照主码流的单流全速发送；其他视频点播应用客户端组成的辅码流组播组，按照不同情况启动辅码流的减速或减速并重传：拥塞减速，保持主码流的单流全速发送，辅码流启用TCP拥塞减速机制；减速并重传，保持主码流的单流全速发送，辅码流启用TCP减速重传机制。

步骤(8).视频点播应用客户端接收二次分组组播流：

不必重传的组播组：接收主码流的全速组播流；

其他有丢包组播组：接收辅码流的减速或减速并重传的组播流。

步骤(9).辅码流组播组的优化反馈：当接收辅码流组播组的视频点播应用客户端正常接收时间t间隔后反馈发送不必重传信息，经过t时段正常接收，说明该点播者的无线网络环境趋于正常，后续进入主码流全速组播组；当接收辅码流组播组的视频点播应用客户端依然产生丢包，则继续反馈发送误码通告，后续依然接收辅码流组播组的码流，直到网络改善PLR＜τ1。t＝0.5～2s，本实施例中t＝1s。