高速公路的监控系统在现代化的高速公路中起着举足轻重的作用，本文分析了 IP 网络中的延迟、抖动、丢失率等特性对数字视频传输 QoS 的不利影响，得出关键的结论。在分析了监控图像对象的需求、现有网络格局的基础上，针对数字视频的传输处理，提出了系统的总体技术优化方案。优化方案在一定程度上解决了网络负载能力受限和拥塞突变的状况，保证了联网监控系统视频传输，为高速公路的监控智能化奠定基础。
视频实时传输QoS难点分析
视频的播放有严格的实时性要求，需要在特定的时间间隔将特定的数据单元解码显示。这就要求网络为视频传输提供足够的带宽、有保障的延时和丢失率。 然而在 IP 网络环境下，一般不提供QoS的保障。视频流数据在传输过程中经历的带宽、延时、丢失率等情况是动态变化的。 另外，由于网络和用户设备的异构性，视频流同时还面临着不同的服务质量要求。
1、异构性影响分析
随着高速公路联网监控的应用，通信子网的异构性不得不加以考虑。 异构性可分为网络中通信子网的异构性和接收方的异构性两种情况。通信子网的异构性是由于各子网的网络资源（处理能力、带宽、存储和拥塞控制策略）分布不均匀，用户通过不同的通信子网传输数据会体验到非常不同的实际传输吞吐量、数据丢失率、传输延迟。 接收方异构性是由于用户设备的不同处理能力以及用户要求的不同服务质量造成的。
在组播视频流通信中，网络和接收方的异构性影响更大。 如图1所示，在组播视频流时，用户1 通过局域网和服务器相连，用户2通过子网B连接到服务器所在的子网A，用户3通过子网 C 连接到子网 B 再连接到子网A。服务器向用户发送同一份数据，用户1经历局域网服务质量，用户2 经历子网A、B共同造成的服务质量结果，而用户3经历子网A、B、C共同造成的服务质量结果。同时用户1、2、3本身所要求的服务质量也可能各有不同。
2、带宽要求分析
为了保证一定的播放质量，视频实时传输通常需要满足一定的带宽要求。 在现在的 IP 网络上，由于没有提供资源预留一类的协议保障，当网络拥塞发生时，视频流数据的有效传输带宽会突然降低，影响视频流的播放质量，甚至造成图像无法观看。
实时网络带宽随时间的变化示意图如图 2 所示，可以看出视频数据流的传输带宽基本上在60Kbps～80Kbps 之间波动，但是，在某一时刻，实际传输带宽突然降到了 2Kbps，体现了强烈的动态变动和无规则性。
3 、延时保障分析
传统的数据通信（文件、静态图片）主要关注的是数据传输的正确率，对于传输的延时要求没有特别的限制。对于视频而言，数据的到达需要满足严格的时间间隔才能保证数据的播放连续，对于滞后于时间间隔的数据，即使数据正确，也只能丢弃不用。 IP网络数据传输不提供延时保障，当网络拥塞发生时，数据的传输会经历漫长的排队等候时间，客户端的播放因为等候数据而停止，造成播放质量的严重下降。
4、数据包丢失分析
视频流数据包的丢失会造成视频播放质量下降，在某些情况下甚至会造成解码器无法解码播放。因此，视频流传输需要一定的传输丢失率限制，例如1%。 然而，IP网络是一种尽力服务（Best effort Service）网络，它以最大的能力传输数据。 当网络过分繁忙时，网络中的主机(路由器)的到达队列被填满，后续到达的数据只能丢弃。在这样的传输机制下，视频流数据传输的丢失率无法得到保证。 在图3 中，视频数据流的丢失率在 0～10 %之间波动，但是在某一时刻，数据丢失率突然增加到了 85 %，动态改变的特性十分明显。
以上分析可以看出，除了随机出错之外，其余影响视频传输的诸多因素都可以归结为一个：带宽不足而且在不停变化。
三、实时视频传输系统结构
一个完整的实时视频网络传输系统包括视频采集、视频编码、传输控制协议处理、通信网络、视频解码。 其功能为：在具有随机时延特性和丢包特性的基于 TCP/IP 的通信网络上提供视频应用服务。 原理框图如图 4 所示。
在系统中，整个视频流的处理、传输流程如下：在视频发送端，对模拟视频进行采样，获得数字视频并进行视频编码，或者直接对输入的数字视频进行编码，生成适应于网络传输的面向网络通信的视频码流；根据反馈信息，估计网络的可用传输带宽，自适应地调整编码器的编码输出速率（包括信源码率的调整与信道码率的调整），使得视频码流能够满足当前网络传输可用带宽的限制；在接收端，对接收的视频流进行解码、重构视频信号、计算当前网络传输参数（如传输中的丢包率等）并发送反馈控制信息。
四、面向网络传输的视频编码
传统的视频编码是面向存储的，其目标是将视频压缩成为适合一个或几个固定码率的码流。 由于网络的异构性和缺乏 QoS保证，带宽在一个很大的范围内变化，使得传统的视频编码不适合网络传输。 因此面向网络传输的视频编码的目标是将视频压缩成为适合一个码率的范围。
图5显示了面向网络传输的新视频编码方法与传统编码方法的比较。图中阶梯状的曲线对应传统的编码方法，显然当获得的带宽低于某个固定的码率时，将得不到任何信息；而当带宽达到该码率时，可以得到一定质量的视频；可是当带宽进一步增加时，视频的质量得不到继续改善。为了适应网络带宽的变化，理想的视频编码方法应该具有可以在任何地点截断的特性，而且解码质量随码率的增加而增加，如图5中另一条曲线所示。例如MPEG组织的精细可扩展性（FGA）的视频编码方案，其基本思想是将视频编码成一个可以独立解码的基本层码流和一个可以在任意地点截断的增强层码流。其中基本层码流适应最低的网络带宽，而增强层码流用来覆盖网络带宽变化的动态范围。
为了实现数字视频在 IP 网络仔的发布，使得网络中的延迟、抖动、丢失率带来的影响尽可能小，可同时综合选用多种技缩，如，可扩展性 (FGA) 的视频编码、错误恢复(Error resilience) 、错误隐藏(error concealment) 、信道编码 (channel coding) 、自适应编码(adaptive encoding)等技术。
五、实时传输控制协议调用
视频流传输与传统的 TCP/IP 网络的数据传输有明显的区别，主要表现在：传统的数据传输对传输延时和传输抖动没有严格的要求，但是有严格的差错控制和错误重传机制。而视频流要求传输具有实时性，对同步要求较高，并且对传输延时和抖动非常敏感，但在一定的情况下可以允许分组丢失，即可以接受一定程度的传输误码。并且流媒体服务需要满足广播和多播应用，同时应具有根据网络的实时可用传输带宽自适应地调整视频的传输质量的能力。