摘要：根据无线视频传输的基本特点,提出了一种用于无线显示适配器的传输方案。在分析了目前成熟的无线技术的基础上,选择无线局域网IEEE802.11G作为传输技术。在此基础上分析传输层的协议以及 IEEE802.11G的媒体访问控制层的传输特性,并通过实验确定RTP作为网络传输协议,以及确定无线视频传输的关键参数值。

　　1 引言

　　随着移动计算技术地不断发展，越来越多的人们开始追求办公方式的移动性和便利性。 无线技术近年来迅速发展，已经可以提供和有线相近的传输速率。无线显示器将用户从传统 的桌面电脑的有限空间中解放出来，个人电脑的功能日益转变成为家庭的数字多媒体中心， 有着广阔的市场前景。

　　无线显示适配器基于无线视频传输技术，实现显示器与主机相分离，以无线方式传输主 机显存数据到显示器。其所传输的视频数据具有数据量大、实时性要求高的特点。无线环境 具有带宽有限、误码率较高的特点。为适应无线信道的低带宽,必须使用高效率的压缩算法 对视频数据压缩编码。视频压缩在去除码流的时间和空间的相关性的同时,也会对误码更加 敏感。无线信道由于信号衰减和多径、阴影以及多普勒效应的存在，传输的错误率较高[1]。 因此，无线视频传输技术的关键就是提出合理的传输方案，可以较高的传输效率，较低的传 输时延和误码率传输视频数据，为显示数据提供稳定实时的传输。本文主要研究用于无线显 示器的无线传输关键技术，在现有的相关技术的基础之上提出可行的传输方案。

　　2 无线视频传输系统结构

　　基于无线显示适配器的无线视频传输系统框图如图1。主机作为服务器，通过无线模块接收显示终端的连接请求，进行显存数据的压缩编码和数据包封装，并通过无线模块将数据 包发送出去；显示端作为客户端通过无线模块接收数据包，并进行相应的数据包解析和解码， 终在显示端的屏幕上显示主机的显存数据。

　　3 无线视频传输技术选择

　　3.1 无线技术选择

　　用于传输实时视频数据的无线技术，首先要求能够提供足够的数据传输带宽和相对稳定 的传输性能。其次，无线技术应具有经济实用性。

　　以屏幕分辨率为1024×768，24 位真彩色的一般显示模式为例，分析无线信道需承载的 数据量。为保证各种应用程序（如KMplayer 视频播放器等）都可以在显示端得到流畅稳定 的显示画面，数据速率要求达到每秒25 帧。原始的显示数据高达470Mbps。现有的压缩算 法的平均压缩比是30：1，那么无线信道的平均传输速率应该在15Mbps 以上。

　　文献[2]中提到的可用的无线技术中，IEEE802.11G 的无线局域网速率即可以满足应用的 传输速率要求，且相比其它高速率的无线技术，实现成本和复杂度较低，更适合无线显示适 配器的应用要求。

　　IEEE802.11主要定义了无线局域网的物理层和数据链路层，它为上层网络和传输层提供 了应用接口，因此TCP/IP协议同样适用于无线局域网。这里需要根据无线显示器的传输要求， 选择合适传输层协议，如TCP，UDP，RTP等。 IEEE802.11数据链路层包括两个子层：逻辑链路层和媒质访问控制层（Medium Access Control，MAC）。

　　IEEE 802．1l的MAC层定义了两种访问机制：分布式协调机制（Distributed Coordination Function，DCF）和点协调机制（Point Coordination Function，PCF）。虽 然PCF是针对实时业务制定的，但是PCF在当前的产品中并未实现， 因此本文讨论的无线传 输主要在DCF机制下。IEEE802.11的MAC层[6]的功能决定了无线传输的部分特性，因此无线视 频传输的参数设置要考虑MAC层的特性。下面将详细讨论。

　　3.2 无线局域网的网络传输协议选择

　　视频的实时传输要求较低的时延和较小的丢包率。TCP 协议是一种将拥塞控制与差错控 制融为一体的端到端传输控制协议，TCP 协议的重传机制会网络性能的降低[3]，这种传输策 略不能满足实时传输的要求。尽管有学者在研究这个问题，并提出了一些方法[4]，但是离解 决问题还有很大的距离。

　　UDP 协议主要用来支持那些需要在计算机之间实时传输数据的网络应用。UDP 本身不能 提供可靠的数据传输，如果想要UDP 提供可靠的数据传输，则需要在两端的程序中加入确认 和重传机制。与TCP 协议相比，UDP 协议无连接，可以随时传递数据；包头很短，只有8 个 字节，节省了网络资源；程序结构简单。此外，UDP 的吞吐量不受阻塞控制算法的调节，传 输效率高。 RTP（Real-Time Protocol）协议是专用于实时多媒体数据流的一种传输协议[5]。RTP 通常使用UDP 来传送数据，依靠RTCP（Real-time Control Protocol）提供流控制。RTP 数据包格式中的序列号和时间戳，在通信双方进行通信的过程中起到了确保数据包的正确顺 序、判断是否有数据包被抛弃或丢失的功能。

　　文章后面将以实验数据为依据，比较三者的传输性能，并确定本系统应使用哪个协议。 从物理传播方式上考虑，涉及到无线局域网底层的传输特性，因此，在上述分析的基础上需 要进一步分析MAC 层。

　　3.3 无线视频传输参数分析

　　文献[7]的第2 部分从MAC 层分析了IEEE802．1lB 的可用带宽。在此基础上给出了802．1lB 用于承载视频时的UDP 可用带宽和视频码流数目N 以及帧率之间的关系。文献[7]的部分公式和结论,同样适用于IEEE802.11G。

　　理想情况下单个站点的视频码流可用带宽的值可以达到27Mbps，随着N 取值的增 加，视频码流带宽值逐步减小。为了满足各客户端的视频流的实时性，公式(1)必须成立：

　　假定帧率为K 帧/s，每帧数据从进入缓冲区到被正确发送所允许的时间间隔为Tp ， Tp取值为=1/K秒，由本系统的应用要求，K 取值为25 帧/s。其中Tf为正确发送一帧视频数 据所用的时间。 IEEE802．11 标准中，MAC 层基本的DCF 工作机制[9]如下所述。如果在MAC 层检测到有 一帧数据等待发送，站点首先检测媒体是否空闲，如果空闲并且空闲的时间超过DIFS（DCF Interval Frame. Space）的时间，则站点可以立即发送该数据。如果检测到媒体“忙”，那 么站点持续侦听，直到媒体再次空闲且空闲的时间大于DIFS 间隔，此时，媒体并不立即发 送数据，而是选择一个随机避让时间，在该时间结束后立即发送数据。当一个分组被正确接 收后，接收端要在SIFS（Short Interval Frame. Space）的时间内发送一个用于确认上一 帧数据被正确接收的ACK 帧，对接收到的分组进行确认。所以Tf 的计算如下：

　　由公式（4）可得，每帧数据发送所允许的时间间隔与视频码流数目N、视频数据 帧的长度有关。当N 值大于所允许的值时，会导致视频帧产生高时延值和视频数据包的 大量丢失，所以介入的客户端数目不能超过N 的值。

　　在N 取值一定时，视频数据包的平均长度必须小于一定值，否则会导致时延值过高和数 据包的大量丢失。控制视频数据包的长度可以通过更改视频压缩编码的量化系数QP 或者其 他方法进行。进而，在帧率一定和平均长度受到限制的前提下，视频码流的输出速率必须小 于一定的值，这就要求在视频码流发送端必须有一定的速率控制机制。

　　4 实验方案设计与实验结果分析

　　4.1 方案设计

　　由以上论述，与无线视频传输相关的网络层次为传输层和无线局域网标准的MAC 层。通 过实验将决定传输层采用何种协议以及传输参数的设置，如服务器的与客户端之间的距 离、允许与主机连接的客户端数目、传输数据包长度和帧率等。

　　MAC 层收发数据包有如下特性：发送方发出一个数据包，当由于信道方面的问题出现误 码后，虽然接收方可以接收到该数据包，但是接收方的物理层和MAC 层经过CRC 校验检测 到数据包中存在误码后，就直接将该数据包丢弃，因此接收方的传输层没有获得发送方的数 据包。从MAC 层来说，当发送数据时，发送方在退避计时器为零时发送数据，否则延迟发送， 不需要确认。这样，接收方是否成功接收到数据包并不影响发送方后续数据包的接收和发送。

　　因此通过接收方的数据包接收统计情况，就可以得到实际应用中的无线局域网网络传输过程 中的丢包特性。无线信道的质量可以用传输过程中网络的丢包特征来反映。

　　为此，搭建相应的实验平台设置一个典型的室内环境。在室内设有一台配有无线模块的 台式机，作为视频通信的服务器端。有若干配有无线模块的显示器和笔记本作为视频通信的 客户端，接收来自主机的显示数据。设置无线模块的速率为54Mbps。保证室内环境没有其 他无线数据流对视频流的传输产生干扰。在视频发送端利用编码器对显存数据进行压缩编码。

　　首先，为了比较TCP，UDP，RTP 在无线媒质的传输能力、传输距离以及允许的客户端数 目，为主机接入一个客户端，改变主机与客户端之间的距离，分别观察三个协议的传输速率 的变化情况。再逐步增加客户端数目，重复进行实验。

　　第二步，为了确定数据包长度，重新设置所有客户端与主机的距离均为4 米，改变数据 包的长度和发送时间间隔，发送视频码流，在视频的接收端观察视频码流的接收情况。

　　测试过程中，考虑到无线信道中的各种其它随机因素，都是经过多次测量后的统计平均 值。比如为了测试无线局域网中,相距4 米的两点TCP 协议的传输速率，一共统计了10 组数 据，每组数据都计算传输速率的均值和方差。传输所用的数据为20M 字节左右的视频文件。 部分结果如下所述。

　　4.2 结果分析

　　综合表1 和表2，可看出：

　　（1）在传输距离近，传输条件比较的情况下，三种传输协议的传输性能相近。但随着 距离增加，UDP 和RTP 的传输速率比TCP 快。

　　（2）随着客户端数目增加，传输速率均有所下降。相比而言RTP 协议的速率值更稳定。

　　（3）传输距离在10 米以内，客户端数目为2， 传输速率可以达到系统要求。

　　表3 是不同数据包长度与视频码流数目下的丢包率数据统计。需要说明的是，这里的数 据包长是指传输层生成的数据包长，与视频帧长是不一样的。由表3 可知：

　　（1） 当发送间隔固定时，丢包率与包长为近似线性关系；包长越大越容易发生丢包。

　　（2）当包长一定时，丢包率与发送间隔增大而减小；时间间隔越长越不容易发生丢包。

　　从（1）（2）可得，丢包率与发送数据速率成近似线性关系；数据发送速率越高时，越 容易发生丢包。数据包长度取1024 字节是较理想的选择。发送时间间隔与帧率相关，如果大于25 帧/s，则发送时间间隔必须小于40ms。在这种条件下的丢包率是该系统可以接收的。

　　由上述实验结果，用于无线显示适配器的无线视频传输的方案，采用RTP 传输协议,有 效传输距离为10 米，可接入的客户端数目为2，视频帧每秒25 帧，传输层数据包长度1024 字节。经过测试，该方案基本可以保证显示端接收到连续流畅的显示画面。

　　5 结束语

　　无线视频实时传输是当前的一个技术热点，本文针对无线显示适配器的特点和经济可行 的要求，在现有的各项技术的基础上提出了一个实用的视频无线通信方案。利用本文所提方 案，可以将计算机主机的显示数据实时地通过无线传输到显示器上。本文设计的传输方案有 待移植到实际开发平台进一步测试。随着无线技术地快速发展，无线传输能力会进一步提高， 无线显示器的性能也会随之有较大改善。