客运专线中多路视频监控信息传输中网络带宽资源利用的优化策略
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（３）视频流反馈信息的传输时延可以忽略。
（４）视频源数量不频繁变化（即在系统调整达到稳态之前不变）。
在本文提出的问题中，网络瓶颈在低速网部分，因此上述假设是合理的。
１．２多路视频流拥塞避免策略
根据图１，系统的控制模型可表示为图２。
图２系统模型
上图中，Ｒ。，、Ｒ船、Ｒ∞……分别为各视频源的输出码率，Ｒ。。。是低速网的传输速率，Ｂｕｆｆｅｒ为转发器的缓冲器，长度为Ｋ，ｆ（ｉ）为流量采集器在第ｉ周期内采集的网络传输数据的总ｂｉｔ数，∑为加法器，其输出（至Ｂｕｆｆｅｒ和流量采集器）均等于输人流量之和，也即厂（ｉ）等于第ｉ周期流人Ｂｕｆｆｅｒ的总ｂｉｔ数。与ＥｌＳ］等文献讨论的情况不同，本文中所有视频源的反馈信息都是来自同一个流量采集器，具有相同的采样及控制周期，通过调节发送缓冲器长度或附加延时时间等措施，使各路视频的传输延时一致。即
ｒ１２ｒ２２ｒ３２…２ｒ
因此从上图可得
＾（ｉ—ｒ）一厂（ｉ）＝∑
其中
ｑｃｉ—ｒ，＝｛；耋蓁；誓蓑荔霾塞茎磊簇萎态
＾（ｉ）为各视频源第ｉ周期内发出的总ｂｉｔ数。
（２）
走（ｉ）＝ｓａｔｋｆ∑（ｆｚ（ｉ－－ｒ）－－Ｒ。（．『））｝
设：第ｉ个周期末Ｂｕｆｆｅｒ中的长度为ｋ（ｉ），有
其中
ｒ０ｚｄｏ
Ｓ。。ｋ｛ｚ）＝Ｊｚｏ≤ｚ≤Ｋ
ＩＫＫ＜ｚ
式中：Ｒ叭ｎ（＿『）——第Ｊ个周期内低速网传输的累积ｂｉｔ数，在第ｉ＋１周期，有
走（／ｑ－１）一Ｓａｃｋ｛∑（，：（ｉ－－ｒ）一Ｒ。（Ｊ）））
一Ｓ。。ｋ｛ｋ（ｉ）＋正（ｉ—ｒ）一Ｒ。（ｉ））（３）
当ｋ（ｉ）一０时表明低速通道空闲，而当志（ｉ）一Ｋ时，可能出现丢包现象，在理想状态时应有
Ｏ＜惫（ｉ）＜Ｋ
同房一样，乃也是自适应修正因子，当Ｒ（ｉ－－１，．『）＞口，△Ｒｚ（ｉ一１）时，表示码率偏高，乃为正，由式（８）可知，将会对视频输出码率调整值产生一个与差值成比例的负增值，反之亦反。将（１２）式代入式（８）并求和，可得
∑［（２／ｎ－－ａ，＋乃）?△Ｒ２（ｉ）］一［１－－（Ｒｚ（ｉ—１）一Ｒ（ｉ－－１））／Ｒ。。。］?△Ｒｚ（ｉ）（１３）Ｊ—ｌ
从上式也可看出，自适应修正因子的引入，产生了一个与前一步控制误差值成比例的码率调整总量的修正值。
在实际中，场景中的运动对象的运动状态是不断变化的，而这种变化会使得计算出的码率控制值与实际输出值出现误差。ｐ卜ｙ，的引入的主要目的就是要获得一个基于这一误差的各路视频源输出码率自适应调节策略。
２试验结果
试验环境由一台主机控制的四路视频源和四个客户端构成。视频编码均采用ＭＰＥＧ一４标准，ＣＩＦ格式，帧率都可达２５ｆｐｓ，速网传输速率为１Ｍｂｐｓ，考虑到带宽利用率，控制码率（可用带宽）设为８００ｋｂｐｓ。取四路视频的权数分别是：６，３，２，１，可计算出它们的优先级分别是：１／２、１／４、１／６、１／１２，流量采集器采用自研的专用设备，采样周期取０．Ｉｓ，ｒ＝５，口＝０．０６５５３６。由上可得
Ｒｚ（ｉ）＝ｆ。（ｉ）／Ｔ一［Ｒ。?Ｔ一０．０６５５３６?是（ｉ）］／Ｔ
其中
ｋ（ｉ）＝ｋ（ｉ－－１）＋ｆ（ｉ）一８００００
式中：ｆ（ｉ）——流量采集器的检测值；
Ｒ（ｉ一１，歹）可由各路视频编码器计算得到。
控制效果如图３所示。
图３四路视频码流图
从图３可以看出，四路视频源由于各自的优先权不一样，它们的输出码率层次明显不同，每路视频源的输出码率基本平稳。图４为流量采集器的检测值，即网络中视频流的总码率，经计算可得，四路视频的总流量的均值控制在７７９ｋｂｐｓ，带宽利用率（可用带宽）达９７．４％，可见调节效果较为理想。
图４流离采集器检测的网络总流量
３结束语
由于网络传输存在诸多突发因素，所以既要充分地利用网络资源，又要有效地避免拥塞，存在相当大的难度，特别对于提供视频服务的网络，要求更高。本文针对客运专线视频监控系统遇到视频传输问题，提出的基于网络流量实时采集及视频优先级自适应调整的方法，是在这一领域作了一点尝试，以期能在铁路现代化建设中发挥作用。实验证明，相对于目前其他各种方法，本文提出的方法可以获得更好的效果。
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客运专线中多路视频监控信息传输中网络带宽资源利用的优
化策略
作者：张宁， 宋晓虹， 侯亚欣
作者单位：北京交通大学计算机与信息技术学院,北京,100044
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针对铁路客运专线运输安全监控系统的特点,研究在网络带宽资源受限条件下的多路视频实时传输最佳策略问题,提出一种基于源端网络流量实时采集的视频流码率控制和网络拥塞避免机制.建立基于这一系统结构的流量控制模型,应用自动控制理论,推导出稳定的流量调节算法.对带宽资源分配的公平性原则进行扩展,通过设置视频源"优先级",实现网络带宽的"按需"动态自适应调节的算法;同时引入自适应修正因子β和γ,根据调节误差对每路视频流的带宽占用率α进行动态修正.试验数据表明,这一拥塞避免策略对网络瓶颈部分的带宽利用率可达97.4%,调节时间在5 ms左右.
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