一種適用于移動(dòng)通信網(wǎng)的流媒體傳輸策略

陳 靜,何加銘,聞建芬

(寧波大學(xué)通信技術(shù)研究所,浙江寧波315211)

一種適用于移動(dòng)通信網(wǎng)的流媒體傳輸策略

陳 靜,何加銘,聞建芬

(寧波大學(xué)通信技術(shù)研究所,浙江寧波315211)

為提高流媒體在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與可靠性,該文提出一種自適應(yīng)切換UDP與TCP傳輸通道的流媒體有效傳輸機(jī)制。該機(jī)制通過(guò)檢測(cè)RTP/UDP傳輸?shù)膩G包率的閾值切換傳輸通道與改善移動(dòng)網(wǎng)重定向問(wèn)題,在一定程度上保證媒體在客戶端的播放質(zhì)量。系統(tǒng)在手機(jī)端實(shí)測(cè)播放效果表明本文的傳輸機(jī)制優(yōu)于采用單一傳輸通道傳輸流媒體的傳輸效果。

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò);流媒體;傳輸;實(shí)時(shí)性

0 引 言

流媒體技術(shù)是指采用流式傳輸技術(shù)向用戶實(shí)時(shí)傳輸媒體數(shù)據(jù)包[1],播放前無(wú)需下載整個(gè)文件即可實(shí)現(xiàn)音視頻在客戶端的連續(xù)播放,是一種邊下載邊播放的技術(shù)。流媒體技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上降低了對(duì)客戶端存儲(chǔ)容量大小的要求,并減少了播放等待時(shí)間,因此在Internet得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái),隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋率不斷提高,傳輸帶寬增大以及使用便攜移動(dòng)終端的人數(shù)增長(zhǎng)[2],使得流媒體技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線平臺(tái)已成為研究熱點(diǎn)。但無(wú)線網(wǎng)絡(luò)固有的傳輸環(huán)境不穩(wěn)定、誤碼率較大、延時(shí)抖動(dòng)[3]等因素給通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)流媒體的有效傳輸帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。本文針對(duì)此問(wèn)題以覆蓋率最廣的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為例研究無(wú)線網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下如何解決移動(dòng)終端流媒體播放實(shí)時(shí)性與播放質(zhì)量的矛盾。

1 流媒體傳輸原理

流媒體實(shí)時(shí)流傳輸一般采用專用流協(xié)議,當(dāng)前流媒體主要有3類協(xié)議簇：Real實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(ProgressiveNetworksAudio,PNM)、微軟流媒體協(xié)議(M icrosoftMedia Server protocol,MMS)和實(shí)時(shí)流媒體協(xié)議(Real-time Streaming Protocol,RTSP)。其中PNM、MMS分別是Real與Microsoft公司的專用流媒體協(xié)議。而RTSP是已成為主流的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),很多流媒體服務(wù)器均支持該協(xié)議。因此,目前大部分流媒體播放系統(tǒng)采用RTSP協(xié)議傳輸控制信息,它提供操縱播放、快進(jìn)、快退、暫停等命令方法,并通過(guò)UDP傳輸方式向客戶端傳輸實(shí)時(shí)傳送協(xié)議(Real-time Transport Protocol,RTP)數(shù)據(jù)包。但基于單一的RTP/UDP流媒體傳輸方式?jīng)]有網(wǎng)絡(luò)擁塞控制機(jī)制,在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)仍會(huì)向網(wǎng)絡(luò)中注入大量數(shù)據(jù)包,從而造成數(shù)據(jù)的大量丟失和移動(dòng)終端恢復(fù)的畫(huà)面質(zhì)量嚴(yán)重下滑[4]。如果將流媒體數(shù)據(jù)通過(guò)TCP傳輸,將明顯降低傳輸數(shù)據(jù)的丟失,但相對(duì)UDP傳輸則需要一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的慢啟動(dòng)過(guò)程,且傳輸效率沒(méi)有UDP高。

對(duì)于傳輸協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與解析,是流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),同時(shí)也是一個(gè)瓶頸技術(shù),它對(duì)流媒體數(shù)據(jù)能否在客戶端穩(wěn)定播放起到至關(guān)重要的作用。本文對(duì)主流傳輸模型進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),以更適合通過(guò)移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸流媒體數(shù)據(jù)。

2 改進(jìn)型傳輸策略

TCP是面向連接的,可提供可靠的傳輸服務(wù);UDP則是無(wú)連接的,沒(méi)有數(shù)據(jù)校驗(yàn)過(guò)程,不提供可靠服務(wù),但可以提供更快的傳輸速率。本文結(jié)合UDP/TCP的傳輸優(yōu)點(diǎn),采用RTP流傳輸協(xié)議作為載體,在原有基礎(chǔ)上提出將UDP與TCP傳輸最大限度的配合使用的傳輸機(jī)制,以便更好的滿足實(shí)時(shí)性與網(wǎng)絡(luò)播放的音視頻品質(zhì),基本傳輸模型框圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)傳輸模型

2.1 網(wǎng)絡(luò)擁塞控制

由于基于UDP的實(shí)時(shí)流媒體傳輸沒(méi)有進(jìn)行擁塞控制,很容易因網(wǎng)絡(luò)流量過(guò)大而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞崩潰,并且網(wǎng)絡(luò)擁塞會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失影響客戶端的播放質(zhì)量。本文提出一種基于UDP傳輸丟包率的動(dòng)態(tài)反饋式網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)情況并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況調(diào)整服務(wù)器端的數(shù)據(jù)發(fā)送速率。

式1為客戶端對(duì)丟包率的計(jì)算方法,其中Ls表示丟包率,S1,S2,…,Sn-1,Sn表示各個(gè)時(shí)刻收到的RTP報(bào)文按其序列號(hào)進(jìn)行從小到大的排列。接收端通過(guò)序列號(hào)來(lái)檢測(cè)報(bào)文丟失情況,也可根據(jù)序列號(hào)與時(shí)間戳重新排序報(bào)文,恢復(fù)數(shù)據(jù)。式2是根據(jù)TFRC(TCP-Friendly Rate Control)算法簡(jiǎn)化而成,用于調(diào)整服務(wù)器的發(fā)送速率進(jìn)而緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況。其中Vsend(t)表示服務(wù)器的發(fā)送速率,Ps表示發(fā)送的包長(zhǎng),rtt為服務(wù)器測(cè)得往返的回環(huán)時(shí)間,δ表示為彌補(bǔ)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道損傷而增加的速率補(bǔ)償,本文設(shè)為1.2。

客戶端選擇點(diǎn)播業(yè)務(wù)時(shí),首先服務(wù)器與客戶端通過(guò)RTSP建立連接,然后采用RTP協(xié)議格式封裝有效載荷并選擇UDP傳輸方式向客戶端發(fā)送?？蛻舳送ㄟ^(guò)解析收到的各個(gè)RTP報(bào)文的序列號(hào),根據(jù)式1得到該時(shí)間段內(nèi)的丟包率,并通過(guò)RTCP/TCP反饋回服務(wù)器端。服務(wù)器端則根據(jù)反饋的信息,通過(guò)式2調(diào)整發(fā)送速率以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)情況。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況突變,或擁塞得不到有效控制時(shí),本文將做如下處理：

(1)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)丟包率Ls＜20%時(shí)(不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)該閾值有所不同),繼續(xù)采用帶有上述擁塞控制的RTP/UDP傳輸;

(2)當(dāng)丟包率Ls≥20%時(shí),即對(duì)客戶端而言圖像馬賽格嚴(yán)重,則切換傳輸通道采用TCP傳輸直至此段視頻結(jié)束,采用RFC2326定義的標(biāo)準(zhǔn)RTP-over-RTSP(RTP-over-TCP)的混合傳輸方式。RTP-over-RTSP這種混合傳輸方式會(huì)增加少量的系統(tǒng)開(kāi)銷(overhead)與系統(tǒng)復(fù)雜度,但本文采用開(kāi)源的Darwin服務(wù)器已包含此傳輸模式,減少了對(duì)服務(wù)器的處理難度。TCP傳輸幾乎是無(wú)損傳輸,相對(duì)UDP而言降低一定的視頻碼率仍可以得到良好的畫(huà)面質(zhì)量,所以本文通過(guò)Darwin服務(wù)器的QualityLevel參數(shù)來(lái)適當(dāng)降低視頻的質(zhì)量,以減少數(shù)據(jù)量來(lái)彌補(bǔ)混合傳輸帶來(lái)的開(kāi)銷。

2.2 網(wǎng)絡(luò)重定向檢測(cè)

在播放器與服務(wù)器間進(jìn)行文本信息交互時(shí),比如獲取節(jié)目列表,采用的是HTTP協(xié)議。為了網(wǎng)絡(luò)安全性,移動(dòng)WAP網(wǎng)關(guān)中有很多對(duì)HTTP的重定向響應(yīng)返回給移動(dòng)終端。由于存在重定向過(guò)程,移動(dòng)終端采用HTTP的GET方式發(fā)送請(qǐng)求到服務(wù)器的過(guò)程中加長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)連接的時(shí)間。同時(shí)在WAP實(shí)際數(shù)據(jù)通路上的各個(gè)功能部件上,也額外增加了很多計(jì)算開(kāi)銷。這些因素增加了整個(gè)移動(dòng)通信過(guò)程的延遲,影響用戶體驗(yàn)。本文通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)重定向的檢測(cè)進(jìn)行自動(dòng)重連,減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的時(shí)延。

本文通過(guò)對(duì)移動(dòng)網(wǎng)關(guān)WAP2.0進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接,并對(duì)其連接過(guò)程不斷進(jìn)行跟蹤測(cè)試。從每次發(fā)送請(qǐng)求得到的響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)所有重定向響應(yīng)的消息中HTTP格式的Header含有“Content-Type：application/vnd.wap.wm lc;***”。因此只需對(duì)消息頭進(jìn)行解析就可判斷是否需要重定向連接。本文的方法是對(duì)HTTP的響應(yīng)消息進(jìn)行解析,查找比較Content-Type的類型,如果與重定向響應(yīng)的類型相同則終止解析與接收數(shù)據(jù)過(guò)程,自動(dòng)重連網(wǎng)絡(luò);反之,則通過(guò)繼續(xù)查找CRLF CRLF得到消息體,對(duì)消息體進(jìn)行解析。由于解析過(guò)程耗費(fèi)很大的計(jì)算開(kāi)銷,通過(guò)只對(duì)消息頭的解析判斷重定向進(jìn)行重連可以減少不必要的解析,并且無(wú)需等到超時(shí)重連,減少了系統(tǒng)開(kāi)銷與時(shí)間延遲,提高用戶體驗(yàn)。

3 系統(tǒng)測(cè)試分析

本文服務(wù)器端采用修改后的darwin服務(wù)器,客戶端軟件用C語(yǔ)言在MTK 08B版本上實(shí)現(xiàn),并移植到帶有MT 6238芯片組的手機(jī)(型號(hào)：HYUNDAIH808),手機(jī)分辨率為240×400。網(wǎng)絡(luò)通道是中國(guó)移動(dòng)的CMWAP,采用GPRS帳號(hào)上網(wǎng),測(cè)試地點(diǎn)為寧波大學(xué),3個(gè)測(cè)試時(shí)間段選擇是9：00-10：00、14：00-15：00、20：00-21：00,測(cè)試媒體是時(shí)長(zhǎng)為10m in的3gp格式的媒體。測(cè)試都是3個(gè)手機(jī)同時(shí)進(jìn)行,每個(gè)時(shí)間段測(cè)試3遍,連續(xù)測(cè)試3天。GPRS數(shù)據(jù)傳輸速率理論上可達(dá)到171.2kbps,但在實(shí)際測(cè)試中因受到網(wǎng)絡(luò)編碼方式與終端支持的影響而低于此傳輸速度。對(duì)格式為3gp的媒體文件設(shè)置不同的播放速率在該手機(jī)中測(cè)試得到的播放質(zhì)量(主觀評(píng)價(jià))如表1所示。本文對(duì)點(diǎn)播系統(tǒng)采用3種不同傳輸模式而得到播放效果測(cè)試所得的數(shù)據(jù)總結(jié)如表2所示。

表1 畫(huà)面質(zhì)量的主觀評(píng)測(cè)

表2 3種傳輸模式效果比較

測(cè)試結(jié)果表明采用的UDP協(xié)議的流媒體點(diǎn)播系統(tǒng)在一般的網(wǎng)絡(luò)情況下可以取得較好的視頻播放效果,但是在網(wǎng)絡(luò)擁塞丟包率較高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收不流暢而導(dǎo)致畫(huà)面出現(xiàn)馬賽格,嚴(yán)重影響用戶觀看。采用TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)流傳輸雖然可以達(dá)到較高的播放質(zhì)量,但容易多次出現(xiàn)再次數(shù)據(jù)緩沖,并且在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)它需要較長(zhǎng)的起始啟動(dòng)時(shí)間。本文將2種傳輸機(jī)制切換使用,在測(cè)試過(guò)程很少達(dá)到需要切換通道的閾值情況,一般情況下依然走UDP通道,但在偶爾出現(xiàn)失真嚴(yán)重的情況下可以順利切換通道,只需少許緩沖時(shí)間,即可得到流暢的播放品質(zhì)并可降低網(wǎng)絡(luò)崩潰的概率。

4 結(jié)束語(yǔ)

移動(dòng)便攜式設(shè)備的廣泛普及,流媒體業(yè)務(wù)與移動(dòng)終端的結(jié)合將更加白熱化,這勢(shì)必導(dǎo)致無(wú)線帶寬的擁塞與崩潰。本文提出的流媒體傳輸系統(tǒng)可以通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整發(fā)送速率與切換2種傳輸通道解決了當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定與流媒體播放品質(zhì)的矛盾。同時(shí),優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)重定向以減少網(wǎng)絡(luò)連接超時(shí)現(xiàn)象。

[1]吳強(qiáng),徐偉等.無(wú)線流媒體應(yīng)用中端系統(tǒng)切換觸發(fā)機(jī)制和AP選擇策略的研究與實(shí)現(xiàn)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,39(1)：18-19.

[2]Almudena Diaz,Pedro Merino,Javier Rivas F.QoS analysis of video stream ing service in live cellu lar networks[J].Com puter Communications,2010,33(3)：322-325.

[3]章軼,劉四維,夏勇明,等.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的流媒體自適應(yīng)速率算法[J].微型電腦應(yīng)用,2009,25(9)：14-16.

[4]孫偉,溫濤,郭權(quán).一種適用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的流媒體傳輸機(jī)制[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2009,29(1)：12.

[5]Young H Jung,Yoonsik Choe.Resource-awareand quality-fair video-stream ing usingmultiple adaptive TCP connections[J].Computers&Electrical Engineering,2010,36(4)：702-717.

One Transport Mechanism for Streaming Media in W ireless Mobile Networks

CHEN Jing,HE Jia-m ing,WEN Jian-fen

(Instituteof Communication,Ningbo University,Ningbo Zhejiang315211,China)

A novel transportmechanism is presented to improve reliability and real-timeof streaming transm ission in themobile network.Themechanism assures performance of streamingmedia in clientby detecting the loss rateof RTP packetswhich are transmitted in UDP.And it is switched transmission channels by the threshold of the loss rate.Furthermore,it is improved theHTTP protocolmobile networks redirected.System in themobile terminal is measured shows that the transm ission mechanism of the agreement is better than a singlestreaming transmission.

mobile network;streamingmedia;transmission;real-time

TN919.85

A

1001-9146(2010)05-0065-04

2010-07-20

國(guó)家重大專項(xiàng)核高基資助項(xiàng)目(ZX01039-001-002-004、ZX03001-016、ZX03004-005);科技部公共服務(wù)平臺(tái)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(C26243314159);浙江省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(C31107);國(guó)際科技合作資助項(xiàng)目(DFA12120)

陳靜(1986-),女,浙江臺(tái)州人,在讀研究生,嵌入式軟件應(yīng)用設(shè)計(jì).