基于流媒體技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸

曾昭輝

（公誠管理咨詢有限公司，廣東 廣州 510610）

0 引 言

利用無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可以方便快捷地獲取大量信息數(shù)據(jù)，包含數(shù)字音頻、視頻文件等。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸從傳統(tǒng)的物理信息連接中解脫出來，互聯(lián)網(wǎng)用戶可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)訪問網(wǎng)絡(luò)共享資源。在發(fā)展無線移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)時(shí)，需要將無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和流媒體整合到一起，以實(shí)現(xiàn)無線移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與無線多媒體的融合使用。無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)變動(dòng)的特點(diǎn)，信道帶寬傳輸不穩(wěn)定、信道品質(zhì)不穩(wěn)定、節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)變化快，給實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）保障提出了新的挑戰(zhàn)。

1 流媒體技術(shù)

流媒體技術(shù)是基于因特網(wǎng)技術(shù)發(fā)展起來的一種多媒體技術(shù)，其主要特征是將多媒體數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的方式傳送，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體數(shù)據(jù)的在線傳送，在用戶端接收到相應(yīng)的多媒體信息后，實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體內(nèi)容的實(shí)時(shí)播放，還可以實(shí)現(xiàn)視頻、音頻以及多媒體的實(shí)時(shí)交互，同時(shí)實(shí)現(xiàn)下載和播放[1]。流媒體系統(tǒng)中包含播放器、編碼器以及相關(guān)代碼轉(zhuǎn)換工具，寬帶流媒體價(jià)值鏈如圖1所示。

圖1 寬帶流媒體價(jià)值鏈

流媒體服務(wù)器主要由主機(jī)、緊耦合多處理機(jī)、調(diào)諧視頻服務(wù)器構(gòu)成，主要提供任務(wù)服務(wù)、流服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、視頻數(shù)據(jù)傳輸以及媒體數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)等[2]?？紤]到無線通信網(wǎng)絡(luò)的特性，采用流媒體技術(shù)可以更好地實(shí)現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)傳遞[3]。為了滿足快速增長的新業(yè)務(wù)需求，對(duì)時(shí)間卷積網(wǎng)絡(luò)（Temporal Convolutional Network，TCN）多服務(wù)的傳輸模式和調(diào)度機(jī)制進(jìn)行了深入探討，以確保各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、安全性以及可靠性，提高網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率。針對(duì)實(shí)時(shí)周期數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)非周期數(shù)據(jù)、流媒體數(shù)據(jù)的傳輸要求，分別對(duì)數(shù)據(jù)通信模型、網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究[4]。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于時(shí)間觸發(fā)的TCN周期數(shù)據(jù)調(diào)度方法。通過對(duì)互聯(lián)網(wǎng)TCN時(shí)延的組成進(jìn)行分析，可以建立一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間限制條件，用于實(shí)時(shí)調(diào)度周期數(shù)據(jù)。同時(shí)，為了使系統(tǒng)調(diào)度達(dá)到一種平衡狀態(tài)，需要建立一個(gè)基于數(shù)據(jù)抖動(dòng)和負(fù)荷平衡的循環(huán)調(diào)度表優(yōu)化模型?；诳烧{(diào)度性的模塊理論，采用模糊控制方法，給出求解周期數(shù)據(jù)時(shí)間觸發(fā)計(jì)劃表的結(jié)果。通過TCN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，詳細(xì)地對(duì)調(diào)度單進(jìn)行全面性能評(píng)價(jià)，通過顯示的結(jié)果來驗(yàn)證這種方法是否可靠。

2 無線通信網(wǎng)絡(luò)視頻編碼方案

受無線頻譜資源和通信條件的限制，對(duì)無線通信系統(tǒng)中的視頻壓縮技術(shù)進(jìn)行了研究，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和高效率。在無線通信網(wǎng)絡(luò)中，視頻編碼需要具有高壓縮率、低功耗等功能，既要確保所傳送的視頻圖像和圖像信息不損壞、不失真，又要對(duì)多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行最大程度的壓縮，在保證視頻流編碼具有良好的兼容性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性的同時(shí)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。在此基礎(chǔ)上，采用MPEG-4技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線視頻流的視頻壓縮，通過分層編碼和分層加密的方式保證其可用性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。無線視頻流的編碼過程是逐幀分割視頻目標(biāo)層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，逐個(gè)進(jìn)行編碼[5]。

3 無線通信網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸方案

在對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)視頻信號(hào)進(jìn)行編碼后，既要滿足無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）的數(shù)據(jù)傳送標(biāo)準(zhǔn)，也要滿足流媒體的格式要求。無線通線網(wǎng)絡(luò)中圖像的傳送過程包括：（1）利用壓縮編碼器對(duì)圖像進(jìn)行壓縮編碼、數(shù)據(jù)加密、格式變換，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；（2）接收無線通信網(wǎng)絡(luò)中的射頻信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行濾波、去噪處理，并將其解碼；（3）將解碼后的報(bào)文送入編碼機(jī)，經(jīng)編碼機(jī)將報(bào)文恢復(fù)為原視頻資源，再由視頻回放軟件實(shí)現(xiàn)視頻播放[6]。

當(dāng)前市面上的大多數(shù)視頻傳輸系統(tǒng)都要求有較高的帶寬來保證視頻的實(shí)時(shí)性，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁擠的情況，就不能保證視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，這對(duì)于用戶來說是一種很糟糕的體驗(yàn)。針對(duì)目前網(wǎng)絡(luò)擁擠等極端條件下直播實(shí)時(shí)性較差的問題，提出一種基于傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）的實(shí)時(shí)傳輸方案[7]。采用安卓智能手機(jī)作為實(shí)時(shí)視頻傳送的驅(qū)動(dòng)端和播放端，通過KCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)端對(duì)終端的通信。采用KCP協(xié)議作為移動(dòng)平臺(tái)與播放器的視頻傳送協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)擁擠的條件下可以有效保障設(shè)備的實(shí)時(shí)性。為了確保網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)情況下的實(shí)時(shí)性，還可以在智能手機(jī)播放中加入跟蹤幀數(shù)。為了降低安卓系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)情況下的累積延遲，在KCP接收隊(duì)列中，根據(jù)隊(duì)列末端的視頻數(shù)據(jù)時(shí)間戳來判定是否放棄報(bào)文。通過對(duì)所設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)視頻傳輸系統(tǒng)的功能進(jìn)行測試，結(jié)果表明各模塊具有良好的功能和實(shí)時(shí)性，可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要[8]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)智能設(shè)備對(duì)人們的日常生活、娛樂生活都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。在5G技術(shù)的普及下，視頻通話、遠(yuǎn)程會(huì)議等已經(jīng)非常受歡迎的媒體通信和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)出現(xiàn)一輪新的增長。就裝置而言，每個(gè)新的智能裝置都集中在解決問題上，相互之間幾乎沒有互動(dòng)和聯(lián)通，這樣就很難將設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)完全發(fā)揮出來。在日常生活中，需要充分利用智能設(shè)備的特點(diǎn)，簡化操作流程[9]。流式傳輸基本原理如圖2所示。

圖2 流式傳輸基本原理

采用設(shè)備查找與連接功能，利用智能手機(jī)在局域網(wǎng)中查找其他智能設(shè)備，建立遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸命令，利用推流技術(shù)實(shí)現(xiàn)多屏幕共享。按照商業(yè)應(yīng)用的需要，無線通信網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)分為媒體通信模塊、設(shè)備控制與管理模塊、多媒體應(yīng)用服務(wù)模塊等。其中，媒體通信模塊主要用于視頻通話和多人會(huì)議；設(shè)備控制與管理模塊主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備尋優(yōu)、設(shè)備長連線、控制器發(fā)送命令等；多媒體應(yīng)用服務(wù)模塊可以完成對(duì)圖像的實(shí)時(shí)瀏覽、獲取以及剪輯[10]。此外，利用實(shí)時(shí)消息傳輸協(xié)議（Real Time Messaging Protocol，RTMP）協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)媒體流進(jìn)行推送和在接收端進(jìn)行播放。經(jīng)過系統(tǒng)全面的功能測試和非功能測試，各項(xiàng)功能都滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)。

4 結(jié) 論

無線通信網(wǎng)絡(luò)下的視頻傳輸業(yè)務(wù)存在較多缺陷，缺少對(duì)多媒體實(shí)時(shí)服務(wù)的QoS保障，在多媒體通信量不斷增加的情況下，經(jīng)常出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，造成多媒體信息傳輸延遲和丟失、媒體播放中斷、視頻音頻不清晰以及音頻與視頻不同步等問題。針對(duì)目前無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中存在的問題，提出了一種基于流媒體技術(shù)的新型視頻傳輸方案，根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，引入流媒體技術(shù)為無線通信網(wǎng)絡(luò)制定更加完善的視頻傳輸方案，促使我國無線通信網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，為無線通信網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸提供新的思路。