RTCP在流媒體傳輸中的算法應(yīng)用研究

謝文輝，鄭勝林，譚建斌

(廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院數(shù)字圖像技術(shù)研究所，廣州510006)

1 引言

流媒體的傳輸是建立在四層的UDP協(xié)議之上的，所以在標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核協(xié)議層上，所傳輸?shù)囊曨l流無法得到有效的擁塞控制，這樣在應(yīng)用層就需要考慮采用一種有效的擁塞控制算法來增強(qiáng)視頻流對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應(yīng)能力。RTCP(Real－time Transport Control Protocol)協(xié)議正是配合 RTP(Real－time Transport Protocol)協(xié)議共同完成對實(shí)時數(shù)據(jù)的傳輸與控制。對RTP/RTCP協(xié)議在擁塞控制領(lǐng)域的研究，有助于解決流媒體傳輸中的擁塞問題，提高流媒體的傳輸質(zhì)量［1－2］。

2 傳統(tǒng)反饋算法

傳統(tǒng)反饋算法主要由服務(wù)器端和客戶端兩個部分的算法組合而成。文中用到的一些標(biāo)記的含義如下:Ploss為服務(wù)器端發(fā)送到客戶端接收到之后的丟包率;InitialRate為服務(wù)器端的初始發(fā)送速率;MaxRate為服務(wù)器端所限制的最大發(fā)送速率;MinRate為服務(wù)器端的最小發(fā)送速率;α為線性增量因子;β為乘性減少因子;Pthreshold為丟包率門限。

服務(wù)器端:

·開始輸出碼率r = InitialRate;

·根據(jù)所收到的RTCP包中所包含的丟包率Ploss來動態(tài)調(diào)節(jié)輸出碼率r:

if(Ploss＜=Pthreshold)

r=MIN{(r+α)，MaxRate}

else

r=MAX{(β×r)，MinRate}

客戶端:

·對到達(dá)的RTP 包頭的序列號進(jìn)行跟蹤;

·當(dāng)接收到Nr個包后或是一段時間后就發(fā)送一個包含了本次統(tǒng)計值Ploss的RTCP包。

上面的算法只是當(dāng)丟包率較少時就使用一個固定的加性增長因子來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的帶寬，當(dāng)丟包率較大時就使用乘性因子來減少碼流，以減少網(wǎng)絡(luò)的丟包率。但是由于丟包率沒有做任何的平滑功能，所以輸出的碼率也會有很大的抖動。而且由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不斷改變，預(yù)先設(shè)置的α、β兩個值也不會是最佳值，碼率和傳輸?shù)膸挷荒芎芸斓南噙m應(yīng)。因此在傳統(tǒng)算法中存在的這些問題就有必要對其進(jìn)行相應(yīng)的修改。

3 改進(jìn)算法

從傳統(tǒng)控制算法的缺點(diǎn)可以看出Ploss值的不穩(wěn)定性是帶來輸出碼率抖動的一個原因，所以在客戶端首先需要對Ploss值進(jìn)行平滑濾波:假設(shè)Pnew是最新的丟包率，ξ是一個待調(diào)整的參數(shù)。

Ploss=(1－ξ)×Ploss+Pnew×ξ

在上面對Ploss進(jìn)行低通濾波之后，可以根據(jù)實(shí)時的Ploss來做如下處理:假設(shè) Ploss_max和 Ploss_min分別是丟包率的上下門限值。

在網(wǎng)絡(luò)阻塞時如下:

r=MAX{(β×r)，MinRate}

在網(wǎng)絡(luò)空閑時:

r=MIN{(r+α)，MaxRate}

在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡時:

r=r

而在網(wǎng)絡(luò)阻塞和網(wǎng)絡(luò)空閑時對α、β分別進(jìn)行如下處理:

假設(shè)α_vec是一個包含了5個值的向量，β_vec也是一個包含了5個值的向量，里面的5個值都是按照時間軸的先后來存放的，這5個值的權(quán)重因子如下［Wt］T={0.1，0.1，0.2，0.2，0.4};最終的 α、β值都是由時間軸上最近的5個值通過［Wt］這個權(quán)重因子加權(quán)得到的。對網(wǎng)絡(luò)阻塞(Ploss＞Ploss_max):

此時的Ploss－Ploss_max反映了網(wǎng)絡(luò)的堵塞情況。假設(shè)m=Ploss－Ploss_max，而線性增量因子使用平穩(wěn)增長因子來代替，每次α、β的值由下式得出:

α =(1 －e－0.5×(1－m))(其中0.5 為修正因子)

β=β×(1－m)

網(wǎng)絡(luò)空閑(Ploss＜Ploss_min):

同樣采用m=Ploss_min－Ploss來反映出網(wǎng)絡(luò)的空閑度，線性增長因子和乘性因子如下公式改變:

α =(1 －e－0.5×m)(其中0.5 為修正因子)

4 測試模型及結(jié)果分析

測試模型如圖1所示。

測試環(huán)境是在一個廣域網(wǎng)環(huán)境中，客戶端(C)負(fù)責(zé)實(shí)時統(tǒng)計RTP包，并在指定的Nr(100)個包之后發(fā)送一個包含Ploss的RTCP包給服務(wù)器端(S)，測試的時間選擇在晚上8:00～10:00之間的網(wǎng)絡(luò)使用高峰期，每20分鐘記錄一次丟包率，經(jīng)過多次測試選擇的最小丟包閾值和最大丟包閾值分別為0.053及0.921，在此參數(shù)下測試的丟包率如圖2所示。

紅色點(diǎn)連線就是使用優(yōu)化算法后的丟包率，而藍(lán)色點(diǎn)連線就是傳統(tǒng)算法下的視頻丟包率。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果表明，改進(jìn)后的RTCP控制算法能夠更有效的對實(shí)時視頻流丟包情況進(jìn)行控制。

5 結(jié)束語

RTCP協(xié)議是實(shí)時數(shù)據(jù)流在端到端傳輸過程中的重要控制協(xié)議，本算法針對傳統(tǒng)算法中存在的兩個重要缺陷進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)表明該算法能夠有效降低實(shí)時流端到端的抖動，從而提高視頻流傳輸過程中的QOS。

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