基于視頻流傳輸中的擁塞控制研究

史 磊

（陜西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息學(xué)院，陜西 寶雞 721001）

1 視頻流傳輸擁塞

視頻流傳輸擁塞問題產(chǎn)生主要原因是視頻流在網(wǎng)絡(luò)傳輸期間數(shù)據(jù)包處理不及時導(dǎo)致，引發(fā)了視頻流持續(xù)過載現(xiàn)象，此時網(wǎng)絡(luò)及終端設(shè)備的容量未能達(dá)到視頻流傳輸需求，伴隨著數(shù)據(jù)包丟失，嚴(yán)重情況下會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)崩潰情況，視頻流傳輸立即中斷。由于視頻流傳輸擁塞問題不可避免，當(dāng)用戶對視頻流傳輸需求與網(wǎng)絡(luò)終端控制能力不符時，就會出現(xiàn)此類狀況，而此類匹配問題很難得到解決。因此，關(guān)于此類擁塞問題的解決，只能盡可能降低擁塞情況的發(fā)生[1]。

2 常見的視頻流傳輸擁塞控制機(jī)制

2.1 網(wǎng)絡(luò)擁塞控制機(jī)制

面對視頻流傳輸擁塞問題，可以從網(wǎng)絡(luò)擁塞控制角度出發(fā)，設(shè)計擁塞控制機(jī)制。該機(jī)制以路由器為核心，采用隊列管理等多種類型算法，通過調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)層視頻流傳輸順序，使得視頻流傳輸?shù)靡杂行蜻M(jìn)行，以此提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

2.2 終端擁塞控制機(jī)制

終端控制機(jī)制成本較低，所以是視頻流擁塞控制開發(fā)的重要路徑。該路徑通過調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送速率，緩解視頻流傳輸數(shù)據(jù)擁塞問題。通常情況下，終端擁塞問題發(fā)生在視頻流傳輸層，依據(jù)其與TCP協(xié)議關(guān)系，制定擁塞控制機(jī)制。

隨著網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議逐漸得到改進(jìn)，在很大程度上解決了視頻流傳輸擁塞問題。與網(wǎng)絡(luò)擁塞相比，終端擁塞更為嚴(yán)重，當(dāng)前雖然提出了一些終端擁塞控制方法，但是因終端設(shè)備和用戶的增加，加大了終端視頻流傳輸需求。因此，視頻流傳輸終端擁塞控制機(jī)制探究成為了一項長期研發(fā)工作。

3 DASH視頻流傳輸技術(shù)探究

DASH視頻流傳輸技術(shù)支持動態(tài)自時應(yīng)傳輸控制，較其他類型傳輸技術(shù)操作更加靈活，比較適合應(yīng)用于終端數(shù)據(jù)傳輸控制。該項技術(shù)獨立于視頻服務(wù)提供商，在安卓終端設(shè)備開發(fā)中應(yīng)用較多。

該項傳輸技術(shù)框架主要由3部分組成，分別是客戶端播放器、流媒體服務(wù)器、視頻內(nèi)容生成模塊。其中，客戶端播放器就是安裝在客戶端的視頻播放設(shè)備；流媒體服務(wù)器是為用戶視頻流傳輸操作命令進(jìn)行服務(wù)的設(shè)備，主要負(fù)責(zé)視頻的傳輸與存儲等多項操作，通過建立網(wǎng)絡(luò)連接，按照相應(yīng)命令完成操作任務(wù)；視頻內(nèi)容生成模塊是根據(jù)下達(dá)的視頻操作命令，在顯示終端生成視頻內(nèi)容。

目前，此項技術(shù)開發(fā)比較成熟，誤碼率較低，得到了很多用戶的認(rèn)可。由于人們對視頻流文件傳輸解析等多項操作要求越來越高，因而出現(xiàn)了視頻流傳輸擁塞問題。

4 視頻流傳輸擁塞控制設(shè)計

4.1 基于TCP-HAS算法的擁塞控制體系總體結(jié)構(gòu)

本文依據(jù)DASH傳輸技術(shù)特點，引入TCP擁塞控制思路，提出TCP-HAS算法應(yīng)用研究。該框架結(jié)構(gòu)主要由4部分組成，分別是窗口設(shè)置、帶寬預(yù)測、最佳碼率確定、擁塞窗口的設(shè)定與門限值的啟動。其中，帶寬預(yù)測是整個體系運行期間長期作業(yè)的結(jié)構(gòu)，通過識別視頻流，對此部分信息的帶寬進(jìn)行預(yù)測，為其初步選定窗口值，而后采用擁塞控制算法，計算空閑事件與擁塞事件帶寬條件，確定最佳碼率，啟動門限值，以此避免視頻流傳輸期間發(fā)生擁塞現(xiàn)象。

4.2 窗口設(shè)置

視頻流傳輸啟動階段，cwnd參數(shù)呈現(xiàn)出持續(xù)增長變化趨勢，通過索引服務(wù)器端的文件，獲取視頻流傳輸最低誤碼率，確定初始擁塞窗口。

4.3 帶寬預(yù)測

此環(huán)節(jié)是本文提出的擁塞控制的重要環(huán)節(jié)，利用TIBET預(yù)測帶寬，通過計算數(shù)據(jù)包，得到可用帶寬數(shù)值。

基于上述公式中各項參數(shù)之間的關(guān)系可知，為了估算視頻流傳輸帶寬數(shù)值，可以通過計算平均時間間隔和數(shù)據(jù)包長度平均值來獲取。考慮到視頻流傳輸期間可用帶寬存在低頻分量，或者受到外界因素影響造成延遲響應(yīng)，所以需要采取低通濾波處理，以此提高帶寬預(yù)測精準(zhǔn)度，為最佳碼率數(shù)值確定提供可靠依據(jù)。目前，低通濾波處理技術(shù)比較成熟，此處不對此進(jìn)行過多介紹。

4.4 最佳碼率確定

依據(jù)帶寬Bw計算結(jié)果，確定視頻流傳輸最佳碼率，在服務(wù)器端獲取碼率數(shù)值，將此部分信息存儲至終端服務(wù)器數(shù)組中，利用以下算法選取最佳碼率。

For i=Max_Encoding Rata to 0，i--

If Bw Encoding Rata[i]then

Break；

End if

END for

以上算法中，以i為變量，按照視頻流碼率等級進(jìn)行排序，先判斷高階視頻流帶寬與醉倒碼率等級帶寬大小關(guān)系，而后判斷較此視頻流碼率小一級的帶寬關(guān)系。與此同時，分析視頻流傳輸操作命令執(zhí)行最佳時間，確定最佳分片碼率。

4.5 擁塞窗口的設(shè)定與門限值的啟動

DASH視頻流傳輸技術(shù)的應(yīng)用，并非連續(xù)傳輸視頻流數(shù)據(jù)信息，而是根據(jù)發(fā)出的命令執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸操作，所以存在空閑狀態(tài)，或者傳輸視頻流數(shù)據(jù)信息較少，未能達(dá)到擁塞標(biāo)準(zhǔn)。為了提高傳輸擁塞控制，應(yīng)該采用動態(tài)控制思想，設(shè)計擁塞控制體系，給出較為精準(zhǔn)的門限值，以達(dá)到高效控制擁塞狀況。以上控制思想的實現(xiàn)，可以利用TCP-HAS算法實現(xiàn)，算法流程如下：

第一步：采用if判斷語句檢測視頻流空閑事件；第二步：預(yù)測可用帶寬數(shù)值，利用前文提及的算法計算，得到Bw數(shù)值；第三步：運行算法程序，確定最佳碼率，記為QLe；第四步：根據(jù)播放碼率與傳輸碼率關(guān)系，設(shè)定參數(shù)，綜合考慮空閑后視頻流傳輸速率等參數(shù)關(guān)系，合理設(shè)定帶寬限定值。

5 測試分析

5.1 測試環(huán)境部署

本次測試采用服務(wù)器客戶端模式布設(shè)測試環(huán)境，該測試環(huán)境由2臺路由器和2臺主機(jī)搭建而成。

5.2 測試結(jié)果分析

5.2.1 視頻流傳輸擁塞窗口變化測試結(jié)果

本次測試以CUBIC算法為對照組，TCP-HAS算法為實驗組，設(shè)定帶寬為10Mbps，測試單個用戶傳輸視頻流時擁塞窗口變化情況，通過對比兩者擁塞窗口變化差異，判斷本文設(shè)計的TCP-HAS算法擁塞控制方案是否可以改善視頻流傳輸擁塞問題。

測試結(jié)果中，前50s，CUBIC算法窗口擁塞較為嚴(yán)重，部分cwnd數(shù)值超過了80，雖然50s過后出現(xiàn)了下降現(xiàn)象，但是波動幅度較為顯著，視頻流傳輸擁塞窗口現(xiàn)象嚴(yán)重。相比之下，本文設(shè)計的TCP-HAS擁塞控制方法的應(yīng)用，擁塞窗口穩(wěn)定在45左右，雖然50s過后出現(xiàn)了小幅度波動，但是較CUBIC算法擁塞控制優(yōu)勢更為顯著。

5.2.2 用戶誤碼率切換測試結(jié)果

為了避免視頻流傳輸擁塞現(xiàn)象的發(fā)生，本文提出的擁塞控制方案針對不同傳輸狀態(tài)，預(yù)測視頻流傳輸帶寬，通過對比預(yù)測值和帶寬值之間的大小關(guān)系，下達(dá)碼率分片命令，以此控制最佳碼率數(shù)值的設(shè)置，并影響其他用戶切換碼率，盡可能降低擁塞產(chǎn)生頻率。本次測試設(shè)定2名用戶傳輸視頻流，利用搭建好的擁塞控制環(huán)境，測試用戶碼率切換效果。

測試結(jié)果表明，當(dāng)用戶1發(fā)出請求分片操作命令時，預(yù)測的帶寬值小于用戶2預(yù)測帶寬值，此時將用戶1的視頻流碼率從高切換到低。

6 結(jié)束語

本文針對視頻流傳輸中的擁塞問題提出DASH傳輸技術(shù)擁塞控制方案研究，實驗測試結(jié)果表明，TCP-HAS視頻流傳輸擁塞控制方案，擁塞控制較為穩(wěn)定，支持多用戶視頻流傳輸碼率切換擁塞控制。