2022年移动多媒体通信的关键技术 .pdf

随着基于移动网络的多媒体数据业务的蓬勃发展，移动多媒体应用系统的开发技术日渐成为业内的研究热点。 随着 3G 时代的到来， 人们对手机、 PDA 等数字终端的功能不再满足于简单的通话、短信、游戏和MP3 等，需要支持更强大的多媒体业务功能，如VoIP 系统、视频电话、无线多媒体监控系统等。移动多媒体通信系统，能够实现多媒体信息的实时采集、处理和传输， 是为完整的多媒体应用提供信息源， 数据打包，协议支持等功能的无线通信系统。然而，多媒体信息尤其是视频信息在无线网络上传输存在着网络带宽有限、误码严重、 终端处理能力较弱等问题。针对这些问题， 在移动多媒体系统设计时要综合考虑多方面因素。在系统设计时涉及的关键技术包括移动多媒体终端、抗干扰的音视频编解码机制、无线通信网络组网及多媒体传输控制等2 移动多媒体终端设计架构移动多媒体通信终端，能够实现多媒体信息的实时采集、处理（编解码）和网络传输，提供信息源，数据打包，协议支持等功能。系统一般分为四个部分，微处理器系统、多媒体外设、数据存储设备和无线网络接口。2.1 微处理器系统微处理器 : 目前，比较流行的核心微处理器的选择方案主要有以下几种：采用特殊用途的数字信号处理器 （DSP） 芯片利用可编程 DSP 芯片实现。用 FPGA 等可编程阵列产品实现。2.2 多媒体外设多媒体外设主要包括摄像头、 显示设备、音视频处理设备， 还包括耳机话筒、网络智能卡、 天线和电池等。 摄像头采集视频信号， 显示设备将从本地或网络得到视频数据打开数据包，进行视频解码，并把得到的视频数据显示出来，同时，如果嵌入式网络多媒体终端需要验证视频压缩的数据的正确性，还可以带有本地解码器，支持解码数据的本地显示。2.3 数据存储设备数据存储设备包括RAM 、ROM、SDRAM 和 FLASH，用来扩展系统存储空间，存储经过编解码的多媒体数据和终端控制程序。2.4 无线网络接口模块无线网络接口模块处理音视频编码流，把音视频数据打包为适合网络传输的数据包，并把它通过无线网络传输出去。 并支持系统选定的无线网络传输控制协名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 议。2.4.1无线局域网的优点（1）灵活性和移动性。无线局域网另一个最大的优点在于其移动性，连接到无线局域网的用户可以移动且能同时与网络保持连接。（2）安装便捷。无线局域网可以免去或最大程度地减少网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点设备，就可建立覆盖整个区域的局域网络。（3）易于进行网络规划和调整。（4）故障定位容易。无线网络很容易定位故障，只需更换故障设备即可恢复网络连接。（5）易于扩展。无线局域网有多种配置方式，可以很快从只有几个用户的小型局域网扩展到上千用户的大型网络，并且能够提供节点间 漫游等有线网络无法实现的特性。2.4.2无线局域网的理论基础据是，通过扩频方式以宽带传输信息来换取信噪比的提高。扩频通信具有抗干扰能力和隐蔽性强、 保密性好、 多址通信能力强的特点。 扩频技术主要分为跳频技术（ FHSS）和直接序列扩频（ DSSS）两种方式。所谓直接序列扩频， 就是用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。而跳频技术与直序扩频技术不同，跳频的载频受一个伪随机码的控制，其频率按随机规律不断改变。 接收端的频率也按随机规律变化，并保持与发射端的变化规律一致。跳频的高低直接反映跳频系统的性能，跳频越高，抗干扰性能越好，军用的跳频系统可达目前， 无线局域网采用的传输媒体主要有两种，即红外线和无线电波。按照不同的调制方式， 采用无线电波作为传输媒体的无线局域网又可分为扩频方式与窄带调制方式。（1）红外线（ Infrared Rays，IR）局域网采用红外线通信方式与无线电波方式相比，可以提供极高的数据速率， 有较高的安全性， 且设备相对便宜而且简单。 但由于红外线对障碍物的透射和绕射能力很差，使得传输距离和覆盖范围都受到很大限制，通常IR 局域网的覆盖范围名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 只限制在一间房屋内。（2）扩频（ Spread Spectrum ，SS）局域网如果使用扩频技术，网络可以在ISM（工业、科学和医疗）频段内运行。其理论依到每秒上万跳。（3）窄带微波局域网这种局域网使用微波无线电频带来传输数据，其带宽刚好能容纳信号。 但这种网络产品通常需要申请无线电频谱执照，其它方式则可使用无需执照的ISM频带。2.4.3无线局域网的不足之处无线局域网在能够给网络用户带来便捷和实用的同时，也存在着一些缺陷。无线局域网的不足之处体现在以下几个方面：（1）性能。无线局域网是依靠无线电波进行传输的。这些电波通过无线发射装置进行发射， 而建筑物、车辆、树木和其它障碍物都可能阻碍电磁波的传输，所以会影响网络的性能。（2）速率。无线信道的传输速率与有线信道相比要低得多。目前，无线局域网的最大传输速率为54Mbit/s，只适合于个人终端和小规模网络应用。（3）安全性。本质上无线电波不要求建立物理的连接通道，无线信号是发散的。从理论上讲， 很容易监听到无线电波广播范围内的任何信号，造成通信信息泄漏。3 抗干扰的视频编解码技术3.1 视频编解码技术视频编码技术是网络电视发展的最初条件。只有高效的视频编码才能保证在现实的互联网环境下提供视频服务。H.264或称为 MPEG-4 第十部分 （高级视频编码部分） 是由 ITU-T 和 ISO/IEC再次联手开发的最新一代视频编码标准。由于它比以前的标准在设计结构、实现功能上作了进一步改进， 使得在同等视频质量条件下， 能够节省 50%的码率，且提高了视频传输质量的可控性，并具有较强的差错处理能力，适用范围更广。 在名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 低码率情况下， 32kbps的 H.264 图像质量相当于 128kbps的 MPEG-4 图像质量。H.264 可应用于网络电视、广播电视、数字影院、远程教育、会议电视等多个行业。为了能在时变、 带宽有限、 误码率较高的无线信道上传输视频数据，图像视频编码算法必须满足： 高效的视频压缩比； 较高的传输实时性； 较强的视频传输鲁棒性。目前，图像视频压缩标准有国际标准化组织ISO 和国际电工委员会IEC 关于活动图像的编码标准MPEG-X，国际电信联盟ITU-T 关于视频电话 /视频会议的视频编码标准 H.26X，以及 3GPP提出的第三代移动通信流媒体传输标准。MPEG-4 已应用于 Internet 流媒体领域，如移动通信和个人通信中的声像业务，以及各种基于无线网络环境的手持式电子产品。今后还将可能应用于多媒体电脑、掌上电脑、网络电视、远程视频监控、视频会议和可视电话等。MPEG-7被称为 “ 多媒体内容描述接口 ” ，为各类多媒体信息提供一种标准化的描述，可以应用于智能多媒体、 多媒体编辑、 多媒体目录服务、 个人的多媒体收集管理系统等。MPEG-21 的目标是定义一个交互式多媒体框架，跨越大范围内不同的网络和设备，使用户能够透明地使用多媒体资源，存取、使用并交互多媒体对象，实现多种业务模型。在MPEG 系列中，最适合目前移动多媒体通信技术及移动多媒体终端制造水平的应该是MPEG-4 视频编码标准。因此一般采用MPEG-4 简单类作为目前移动多媒体终端的首选视频编解码标准。3G-324M 作为 3GPP提出的第三代移动通信流媒体传输标准，可确保有线视频传输系统与第三代移动视频传输系统之间的互操作性。与 ITU-T H.324 中的视讯会议标准有较紧密的联系。3G-324M 适用于 UMTS 移动网络中的64kbit/s 电路交换链路，其复用协议为 H.223、 控制协议为 H.245， 缺省视频编码器采用H.263及 MPEG-4 简单类第一级，缺省语音编码器则为GSM-AMR 和 G.723.1。3GPP2也将类似的标准集应用于3GPP2无线网络电路交换视频会议业务。3.2 编解码中的抗干扰问题3.2.1 H.263抗干扰机制在 H.263+基线模式编码过程中，同步标志不仅可以用来向后同步，也可以用来向前同步， 在不降低编码效率的前提下，结合差错掩盖， 极大的提高视频图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 像在无线网络等噪声信道中传输的质量。在改进的编码器中，为了阻止GOB 前半程 MB 行误码扩撒到后半程，设定后半程 MB 行的第一个预测运动矢量（MV ）的水平和垂直分量都为0，其后宏块（MB）的运动矢量（ MV ）采用运动矢量差（ MVD ）来预测编码。差错监测和差错定位。 传输差错可以通过视频信号的内在特征或编解码器的句法来检测，如相邻宏块（ MB）或者块（ block）的边界存在剧烈的跳变，冲突的码字 , 无效的运动矢量等都可以认为出现了误码。3.2.2 MPEG-4 抗误码工具。MPEG-4 的 抗误码工具包括：包的重同步标识， 每隔固定的比特数周期性地插入重同步标识，并在视频编码时去除两个不同视频包之间所有数据的依赖性。解码器在解码过程中识别到不可纠正的错误时， 就会依据下一个重同步标识重新编码流同步信息，这样，就减少了由于失步而不得不丢弃的数据量。数据分割（ DP），使用运动边界标记（ MBM ）将视频数据分为运动部分和纹理部分，可以更严格的检查位移估值数据的合法性，主要用于误码检测及提高错误定位能力。头信息扩展编码（ HEC），在视频码流中保护重要的头信息等，视频头信息可以在特定的视频包中重复发送。可逆的变长编码（ RVLC ），解码检测到误码后，可以从下一个重同步标识开始，反向解码直到误码处。3.2.3第三代移动通信的抗误码性能第三代移动通信是建立于直接序列扩频、软切换及快速功率控制等最新通信技术上的，因此具备抗窄带干扰、抗多径衰落及抗时延扩展等能力。同时，第三代移动通信系统也采用了卷积码及TURBO 码作为前向纠错编码（ FEC），大大提高了移动环境下数据传送的抗误码性能。而且，由于直接序列扩频技术允许为移动终端用户分配多个语音或数据业务逻辑信道，为在视频流媒体传送中采用数据分割优先级传输技术提供了可能。压缩视频流中更重要的部分， 如同步头或运动矢量信息可以单独占据一个优先级较高的逻辑信道，而相对次要的部分， 如纹理信息可以只占用优先级较低的逻辑信道，这样可以确保在同样的传输环境条件名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 下，视频质量受到误码的影响相对较小。4 移动通信网络目前，能传输多媒体业务的宽带无线接入技术有多种，如VSAT 宽带卫星广域接入、以 IEEE 802.16 为代表的宽带无线接入系统（BWA ，包括 MMDS 、LMDS）、中距离的无线本地环路技术、以IEEE 802.11系列和 HiperLAN 为代表的无线局域网接入、以IEEE 802.15无线个人域网 WPAN，包括蓝牙、红外、超宽频以及 HomeRF为代表的短距离无线互连技术。最近，作为一种解决 “ 最后一公里 ” 瓶颈的解决方案，自由空间光通信（Free Space Optical Communication ）技术也浮出水面。4.2 基于无线局域网络无线局域网络 (WLAN) 是利用射频或红外线的技术，以无线的方式连接两部或多部需要交换信息的移动多媒体设备。相较于以有线方式所构成的区域网络，无线局域网络具有存取架构简单、高移动性等优势。为了保证多媒体文件的稳定传输就必须有足够的网络带宽，不同的多媒体文件对网络带宽的要求各不相同， 为了达到更好的视频质量， 网络带宽就更为重要。无线网络标准协议IEEE802.11b/g/a 定义的网络带宽包括多种标准：11Mbps/22 Mbps/54Mbps，其中有效数据传输带宽分别为5Mbps/10Mbps/22Mbps，完全可以满足各种类型的多个并发多媒体文件稳定传输，保证高质量的视频信息。建立于更高性能的移动多媒体终端、抗干扰的音视频编解码标准、 新型的无线传输控制协议及第三代移动通信技术之上的无线实时多媒体通信系统具有宽带、高压缩比、码率可扩展及抗误码等特性，可以乐观的预计：在未来移动通信网络中，各类高速实时移动多媒体系统的应用前景将会是十分广阔的，此外，基于多网融合， 实现多媒体的有线网络与无线网路业务的融合，也是必然的发展方向。“ 多媒体化 ” 是未来移动通信应用的主流趋势，移动多媒体通信技术日渐成为通信应用技术的研究热点。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 参考文献 : 1曾繁泰 ,侯亚宁 .可编程器件应用导论M. 北京 :清华大学出版社, 2001,1-44. 2潘松 ,黄继业 .EDA 技术实用教程(第二版 ) M. 北京 :科学出版社 ,2005, 1-14. 3潘松 ,王国栋 .基于 EDA 技术的 CPLD /FPGA 应用前景 J.电子与自动化,1999(3):3-6. 4唐颖 .EDA 技术与单片机系统J.现代电子技术, 2001( 3):31-32. 5王宝国 ,宗鸣 ,王凤翔 .复杂可编程逻辑器件(CPLD) 在 DSP 交流电机控制系统中的应用J.电机与控制学报, 2001, 5(1):40-43. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -