陳 靜,何加銘,聞建芬

(寧波大學通信技術研究所,浙江寧波315211)

一種適用于移動通信網的流媒體傳輸策略

陳 靜,何加銘,聞建芬

(寧波大學通信技術研究所,浙江寧波315211)

為提高流媒體在移動通信網絡傳輸的實時性與可靠性,該文提出一種自適應切換UDP與TCP傳輸通道的流媒體有效傳輸機制。該機制通過檢測RTP/UDP傳輸的丟包率的閾值切換傳輸通道與改善移動網重定向問題,在一定程度上保證媒體在客戶端的播放質量。系統(tǒng)在手機端實測播放效果表明本文的傳輸機制優(yōu)于采用單一傳輸通道傳輸流媒體的傳輸效果。

移動網絡;流媒體;傳輸;實時性

0 引 言

流媒體技術是指采用流式傳輸技術向用戶實時傳輸媒體數據包[1],播放前無需下載整個文件即可實現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。流媒體技術的應用在很大程度上降低了對客戶端存儲容量大小的要求,并減少了播放等待時間,因此在Internet得到廣泛應用。近年來,隨著無線網絡覆蓋率不斷提高,傳輸帶寬增大以及使用便攜移動終端的人數增長[2],使得流媒體技術應用于無線平臺已成為研究熱點。但無線網絡固有的傳輸環(huán)境不穩(wěn)定、誤碼率較大、延時抖動[3]等因素給通過無線網絡實現流媒體的有效傳輸帶來巨大挑戰(zhàn)。本文針對此問題以覆蓋率最廣的移動通信網絡為例研究無線網絡擁塞的情況下如何解決移動終端流媒體播放實時性與播放質量的矛盾。

1 流媒體傳輸原理

流媒體實時流傳輸一般采用專用流協(xié)議,當前流媒體主要有3類協(xié)議簇：Real實時傳輸協(xié)議(ProgressiveNetworksAudio,PNM)、微軟流媒體協(xié)議(M icrosoftMedia Server protocol,MMS)和實時流媒體協(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)標準,很多流媒體服務器均支持該協(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、快退、暫停等命令方法,并通過UDP傳輸方式向客戶端傳輸實時傳送協(xié)議(Real-time Transport Protocol,RTP)數據包。但基于單一的RTP/UDP流媒體傳輸方式沒有網絡擁塞控制機制,在網絡發(fā)生擁塞時仍會向網絡中注入大量數據包,從而造成數據的大量丟失和移動終端恢復的畫面質量嚴重下滑[4]。如果將流媒體數據通過TCP傳輸,將明顯降低傳輸數據的丟失,但相對UDP傳輸則需要一個較長時間的慢啟動過程,且傳輸效率沒有UDP高。

對于傳輸協(xié)議棧的設計與解析,是流媒體點播系統(tǒng)設計的重點,同時也是一個瓶頸技術,它對流媒體數據能否在客戶端穩(wěn)定播放起到至關重要的作用。本文對主流傳輸模型進行了優(yōu)化改進,以更適合通過移動無線網絡傳輸流媒體數據。

2 改進型傳輸策略

TCP是面向連接的,可提供可靠的傳輸服務;UDP則是無連接的,沒有數據校驗過程,不提供可靠服務,但可以提供更快的傳輸速率。本文結合UDP/TCP的傳輸優(yōu)點,采用RTP流傳輸協(xié)議作為載體,在原有基礎上提出將UDP與TCP傳輸最大限度的配合使用的傳輸機制,以便更好的滿足實時性與網絡播放的音視頻品質,基本傳輸模型框圖如圖1所示。

圖1 網絡傳輸模型

2.1 網絡擁塞控制

由于基于UDP的實時流媒體傳輸沒有進行擁塞控制,很容易因網絡流量過大而導致網絡擁塞崩潰,并且網絡擁塞會導致數據的丟失影響客戶端的播放質量。本文提出一種基于UDP傳輸丟包率的動態(tài)反饋式網絡擁塞控制算法,實時監(jiān)測網絡情況并根據網絡狀況調整服務器端的數據發(fā)送速率。

式1為客戶端對丟包率的計算方法,其中Ls表示丟包率,S1,S2,…,Sn-1,Sn表示各個時刻收到的RTP報文按其序列號進行從小到大的排列。接收端通過序列號來檢測報文丟失情況,也可根據序列號與時間戳重新排序報文,恢復數據。式2是根據TFRC(TCP-Friendly Rate Control)算法簡化而成,用于調整服務器的發(fā)送速率進而緩解網絡擁塞狀況。其中Vsend(t)表示服務器的發(fā)送速率,Ps表示發(fā)送的包長,rtt為服務器測得往返的回環(huán)時間,δ表示為彌補無線網絡信道損傷而增加的速率補償,本文設為1.2。

客戶端選擇點播業(yè)務時,首先服務器與客戶端通過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。客戶端通過解析收到的各個RTP報文的序列號,根據式1得到該時間段內的丟包率,并通過RTCP/TCP反饋回服務器端。服務器端則根據反饋的信息,通過式2調整發(fā)送速率以適應網絡的實時情況。當網絡狀況突變,或擁塞得不到有效控制時,本文將做如下處理：

(1)當網絡丟包率Ls＜20%時(不同的無線網絡該閾值有所不同),繼續(xù)采用帶有上述擁塞控制的RTP/UDP傳輸;

(2)當丟包率Ls≥20%時,即對客戶端而言圖像馬賽格嚴重,則切換傳輸通道采用TCP傳輸直至此段視頻結束,采用RFC2326定義的標準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增加少量的系統(tǒng)開銷(overhead)與系統(tǒng)復雜度,但本文采用開源的Darwin服務器已包含此傳輸模式,減少了對服務器的處理難度。TCP傳輸幾乎是無損傳輸,相對UDP而言降低一定的視頻碼率仍可以得到良好的畫面質量,所以本文通過Darwin服務器的QualityLevel參數來適當降低視頻的質量,以減少數據量來彌補混合傳輸帶來的開銷。

2.2 網絡重定向檢測

在播放器與服務器間進行文本信息交互時,比如獲取節(jié)目列表,采用的是HTTP協(xié)議。為了網絡安全性,移動WAP網關中有很多對HTTP的重定向響應返回給移動終端。由于存在重定向過程,移動終端采用HTTP的GET方式發(fā)送請求到服務器的過程中加長了網絡連接的時間。同時在WAP實際數據通路上的各個功能部件上,也額外增加了很多計算開銷。這些因素增加了整個移動通信過程的延遲,影響用戶體驗。本文通過對網絡重定向的檢測進行自動重連,減少整個網絡連接的時延。

本文通過對移動網關WAP2.0進行網絡連接,并對其連接過程不斷進行跟蹤測試。從每次發(fā)送請求得到的響應分析發(fā)現所有重定向響應的消息中HTTP格式的Header含有“Content-Type：application/vnd.wap.wm lc;***”。因此只需對消息頭進行解析就可判斷是否需要重定向連接。本文的方法是對HTTP的響應消息進行解析,查找比較Content-Type的類型,如果與重定向響應的類型相同則終止解析與接收數據過程,自動重連網絡;反之,則通過繼續(xù)查找CRLF CRLF得到消息體,對消息體進行解析。由于解析過程耗費很大的計算開銷,通過只對消息頭的解析判斷重定向進行重連可以減少不必要的解析,并且無需等到超時重連,減少了系統(tǒng)開銷與時間延遲,提高用戶體驗。

3 系統(tǒng)測試分析

本文服務器端采用修改后的darwin服務器,客戶端軟件用C語言在MTK 08B版本上實現,并移植到帶有MT 6238芯片組的手機(型號：HYUNDAIH808),手機分辨率為240×400。網絡通道是中國移動的CMWAP,采用GPRS帳號上網,測試地點為寧波大學,3個測試時間段選擇是9：00-10：00、14：00-15：00、20：00-21：00,測試媒體是時長為10m in的3gp格式的媒體。測試都是3個手機同時進行,每個時間段測試3遍,連續(xù)測試3天。GPRS數據傳輸速率理論上可達到171.2kbps,但在實際測試中因受到網絡編碼方式與終端支持的影響而低于此傳輸速度。對格式為3gp的媒體文件設置不同的播放速率在該手機中測試得到的播放質量(主觀評價)如表1所示。本文對點播系統(tǒng)采用3種不同傳輸模式而得到播放效果測試所得的數據總結如表2所示。

表1 畫面質量的主觀評測

表2 3種傳輸模式效果比較

測試結果表明采用的UDP協(xié)議的流媒體點播系統(tǒng)在一般的網絡情況下可以取得較好的視頻播放效果,但是在網絡擁塞丟包率較高的網絡環(huán)境下,導致數據接收不流暢而導致畫面出現馬賽格,嚴重影響用戶觀看。采用TCP協(xié)議進行數據流傳輸雖然可以達到較高的播放質量,但容易多次出現再次數據緩沖,并且在測試中發(fā)現它需要較長的起始啟動時間。本文將2種傳輸機制切換使用,在測試過程很少達到需要切換通道的閾值情況,一般情況下依然走UDP通道,但在偶爾出現失真嚴重的情況下可以順利切換通道,只需少許緩沖時間,即可得到流暢的播放品質并可降低網絡崩潰的概率。

4 結束語

移動便攜式設備的廣泛普及,流媒體業(yè)務與移動終端的結合將更加白熱化,這勢必導致無線帶寬的擁塞與崩潰。本文提出的流媒體傳輸系統(tǒng)可以通過自適應調整發(fā)送速率與切換2種傳輸通道解決了當前無線網絡不穩(wěn)定與流媒體播放品質的矛盾。同時,優(yōu)化了網絡重定向以減少網絡連接超時現象。

[1]吳強,徐偉等.無線流媒體應用中端系統(tǒng)切換觸發(fā)機制和AP選擇策略的研究與實現[J].東南大學學報(自然科學版),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網絡的流媒體自適應速率算法[J].微型電腦應用,2009,25(9)：14-16.

[4]孫偉,溫濤,郭權.一種適用于無線網絡的流媒體傳輸機制[J].計算機應用,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

國家重大專項核高基資助項目(ZX01039-001-002-004、ZX03001-016、ZX03004-005);科技部公共服務平臺創(chuàng)新基金資助項目(C26243314159);浙江省科技計劃資助項目(C31107);國際科技合作資助項目(DFA12120)

陳靜(1986-),女,浙江臺州人,在讀研究生,嵌入式軟件應用設計.