[发明专利]一种基于无线网络的视频数据包传输方法及系统

说明书

本发明涉及一种基于无线网络的视频数据包传输方法及系统。该方法包括：源节点提取当前视频帧的元数据；源节点根据所述元数据和所述视频帧数据包的类型获取当前视频帧中数据包的权重；转发节点或目的节点根据当前视频帧的数据包的权重和各优先级队列的长度将各个数据包调度进不同的优先级队列，以进行视频数据包的传输；其中，所述元数据包括视频帧结构、视频帧类型和视频帧在GOP中的位置；每个视频帧分为帧头数据包和帧内容数据包。本发明保证了权重越高的数据包具有更大的概率通过高优先级队列发送，而权重较低的数据包竞争高优先级队列的概率则相对较小，提高了信道利用率，提高了视频传输的质量。

技术领域

本发明涉及无线网络视频传输技术领域，尤其涉及一种基于无线网络的视频数据包传输方法及系统。

背景技术

网络化数字化的未来工业对工业生产监控提出了更高的要求。视频监控以其信息的丰富性和用户的友好性成为其中最重要也最常用的监控手段。然而，在许多极端环境下的工业生产，比如油田、矿井等，往往难以甚至无法部署有线视频监控系统。在这种场景下，基于无线多跳网络的视频传输和监控系统具有得天独厚的应用优势。

然而在极端条件下部署无线多跳视频传输系统存在许多挑战。特别是长距离的传输、高温或低温环境、严重的风沙等部署环境都可能对无线网络的传输性能造成极大影响。与此同时，无线多跳视频传输网络的性能要求却非常之高，通常都是在大范围的监控区域部署大规模的网络，在不可预测的链路质量下实现低延迟和高可靠性的视频传输。因此，如何保证在无线网络中的视频传输质量是工业视频监控系统成功的关键。

针对无线局域网络视频传输的研究非常多，有大量关于服务质量的算法、协议和标准先后被提出。例如，IEEE 802.11e无线传输协议中定义了EDCA视频调度机制，将不同权重的数据包放在不同的优先级队列中(如图2所示)。IEEE 802.11e中定义了四个优先级队列，即AC(0),AC(1),AC(2),AC(3)，每个队列在竞争无线信道时具有不同的访问参数，包括拥塞窗口、数据包间隔、连续传输时长等，由此造成不同的信道访问优先级。在默认的EDCA中，AC(0)(对应图2中的AC_BK)用于传输背景数据，AC(1)(对应图2中的AC_BE)用于传输最大努力(best efforts)业务，AC(2)(对应图2中的AC_VI)和AC(3)(对应图2中的AC_VO)分别用于输出视频数据和声音数据。四个队列按照优先级从高到低的顺序为AC(3)>AC(2)>AC(1)>AC(0)。具体地，声音与视频数据被赋予更高的优先级，通过较高优先级的队列传输。

另一方面，视频编码技术领域的发展出现了诸如H.264、MPEGE-4等分级编码技术，视频数据被编码为不同权重的视频帧。因此，分级编码与IEEE 802.11e一起，为视频传输服务质量保障的跨层设计奠定了基础：将权重高的视频帧放入高优先级的队列以提高带宽不足情况下的视频传输质量。

在H.264等视频分级编码技术中，视频帧由基本的图像帧组(Group of Pictures,GOP)组成，每一个图像帧组由三种不同的帧类型组成：I帧(intra coded frame)、P帧(predictive coded frame)、B帧(bi-predictive coded frame)，其中每一个GOP都由一个I帧开始，后面跟着交替出现的一定数量的P帧和B帧。通常，一个图像帧的结构可以记作G(N,M)，其中N是该GOP中总的帧数，M是I帧和P帧之间的帧数(等于两个P帧之间的距离)。如图1所示，G(12,3)表示一组GOP结构为“IBBPBBPBBPBB”。

不同类型的帧对于视频解码的权重各不相同。I帧是一组GOP的第一帧，也是压缩最轻的帧，包含了解码该帧的所有信息，因此不依赖于相同GOP中的任何其他数据帧。P帧存储当前帧与前一个I帧或者P帧之间的差值，因此需要其前导I帧或P帧的信息才能完整解码。B帧是GOP中压缩率最大的帧，其编解码依赖于前后的I帧和P帧作为参考数据。很显然，对于解码视频视距，I帧的权重高于P帧，而P帧高于B帧。