劉牧洲 關(guān) 蕾 周 晶 仇劍書 于 希

中國聯(lián)通研究院 北京 100176

引言

低空空域是指真實(shí)高度一千米及以下的可飛行區(qū)域[1]。低空空域的使用和管理如同我國中高空空域一般，需要遵循嚴(yán)格的審批與報備流程[2]。低空經(jīng)濟(jì)是以低空空域?yàn)橐劳?，以通航產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)，涉及低空飛行、航空旅游、支線客運(yùn)、通航服務(wù)、科研教育、跳傘、空中體育運(yùn)動等眾多行業(yè)的經(jīng)濟(jì)概念[3]。

低空經(jīng)濟(jì)正式出現(xiàn)于今年年初由中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》中。該綱要指出“發(fā)展交通運(yùn)輸平臺經(jīng)濟(jì)、樞紐經(jīng)濟(jì)、通道經(jīng)濟(jì)、低空經(jīng)濟(jì)”，其中低空經(jīng)濟(jì)首次上升到國家規(guī)劃層面，堪稱意義重大。

無人機(jī)是低空應(yīng)用中極具代表性的載體之一，其已在諸如農(nóng)業(yè)植保、物流運(yùn)輸、應(yīng)急安防、能源巡檢、水域巡查、娛樂直播等行業(yè)場景中作為革新替代方案頻頻出現(xiàn)，并已逐步催生出“無人機(jī)+行業(yè)應(yīng)用”的全新產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，有望為泛在低空市場經(jīng)濟(jì)注入新活力。然而，在無人機(jī)結(jié)合典型行業(yè)應(yīng)用的整體良好發(fā)展背景下，以測控、監(jiān)管、數(shù)據(jù)閉塞等為首的舊有痛點(diǎn)問題也持續(xù)為其商用發(fā)展帶來不可忽視的負(fù)面影響，因此亟需通過技術(shù)創(chuàng)新予以解決。

第五代蜂窩通信技術(shù)(5G)具備了大帶寬、低延時、抗干擾、廣接入、多波束指向等鮮明特點(diǎn)，可天然賦予網(wǎng)聯(lián)化無人機(jī)包括高清實(shí)時數(shù)圖傳輸、遠(yuǎn)程低時延控制、全生命周期監(jiān)管、精準(zhǔn)位置定位在內(nèi)的四大實(shí)際應(yīng)用級能力。

可以預(yù)見，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無人機(jī)創(chuàng)新業(yè)務(wù)的融合，將有利于兩者互惠互哺式的共同發(fā)展。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)憑借自身特性，可將無人機(jī)核心的測控及數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)帶至全新高度上，并有助于無人機(jī)創(chuàng)新業(yè)務(wù)向垂直行業(yè)和特定場景進(jìn)行滲透。相應(yīng)地，無人機(jī)創(chuàng)新業(yè)務(wù)必將成為5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的重要分支，為5G網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展注入新動能。

無人機(jī)應(yīng)用數(shù)據(jù)可大致分為視頻和測控兩類。其中，視頻數(shù)據(jù)作為無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用的最主要價值之一，其能否可靠有效傳輸一直備受關(guān)注。在傳統(tǒng)無人機(jī)作業(yè)時，所采集的視頻數(shù)據(jù)通常是借助微波通信鏈路或存儲至SD卡中待任務(wù)完成后導(dǎo)出的方式。在5G網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋的大環(huán)境下，無人機(jī)在視頻業(yè)務(wù)傳輸上的需求與日俱增。其中，實(shí)時視頻傳輸對于要求低至毫秒級的遠(yuǎn)程控制技術(shù)將起到有利的輔助作用，因此對視頻傳輸?shù)膶?shí)時性也愈發(fā)嚴(yán)苛。由于5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬特性，無人機(jī)對于實(shí)時視頻的清晰度要求已經(jīng)達(dá)到了1080p以上。在5G通信鏈路串聯(lián)的網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)體系中，傳統(tǒng)無人機(jī)存在的時效性差、傳輸質(zhì)量低等固有問題已得到了明顯的改善。本文所論述的相關(guān)流媒體協(xié)議正是決定了在“互聯(lián)網(wǎng)公路”上以何種方式運(yùn)輸?shù)母静呗?，流媒體技術(shù)水平的高低決定著整個過程中用戶體驗(yàn)的好壞，其將最終確保視頻數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需求下的最理想效果[4]。

1 流媒體協(xié)議介紹與優(yōu)劣淺析

流媒體是指在Internet/Intranet中使用流式傳輸技術(shù)的連續(xù)時基媒體，如：音頻、視頻或多媒體文件。流式媒體在播放前并不下載整個文件，只將開始部分內(nèi)容存入內(nèi)存，流式媒體的數(shù)據(jù)流隨時傳送隨時播放，只是在開始時有一些延遲。流媒體實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)就是流式傳輸。流媒體具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：由于不需要將全部數(shù)據(jù)下載，因此等待時間可以大大縮短；由于流文件往往小于原始文件的數(shù)據(jù)量，并且用戶也不需要將全部流文件下載到硬盤，從而節(jié)省了大量的磁盤空間；由于采用了實(shí)時傳輸協(xié)議，更加適合動畫、視音頻在網(wǎng)上的實(shí)時傳輸。

1.1 RTMP協(xié)議

RTMP(Real Time Messaging Protocol)是一種版權(quán)歸屬于Adobe公司、建立在TCP傳輸層協(xié)議之上、默認(rèn)使用非公共端口1935的TCP/IP體系內(nèi)的應(yīng)用層協(xié)議[5]。通常，在終端與服務(wù)器側(cè)建立TCP鏈接完成后，RTMP協(xié)議會要求這兩端建立“握手式”的RTMP Connection鏈接，并在傳輸中將協(xié)議規(guī)定的基本數(shù)據(jù)單元消息拆分成若干可動態(tài)變更大小的消息塊，這些分割后的消息塊最終借助TCP鏈接通道進(jìn)行傳輸，并在末端被按序拼接成流媒體數(shù)據(jù)，通過Flash插件進(jìn)行播放。

RTMP在傳輸時延表現(xiàn)上要好于基于HTTP的流媒體協(xié)議，且其穩(wěn)定性較為可靠，并有廣泛的實(shí)施基礎(chǔ)，國內(nèi)多數(shù)平臺和編解碼設(shè)備均支持RTMP流格式。

然而，隨著Adobe公司停止更新Flash，以及越來越多的游覽器不再支持或棄用Flash，導(dǎo)致RTMP的泛用性開始逐步降低。基于TCP底層傳輸協(xié)議也會存在連接態(tài)較差時的緩存累積所造成的時延增加問題。此外，其所采用的非公用1935端口亦有難以通過防火墻的缺陷。在正式版本中，RTMP協(xié)議不能支持HEVC(H.265)/AV1等新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。

如表1所示，RTMP協(xié)議也存在多個變種方案。

表1 RTMP協(xié)議的多個變種協(xié)議

1.2 RTSP協(xié)議

RTSP(Real Time Streaming Protocol)是一種全公開可建立在TCP或UDP(RTP)傳輸層協(xié)議之上的TCP/IP體系內(nèi)的應(yīng)用層協(xié)議。RTSP協(xié)議的工作原理是限定已構(gòu)建的TCP握手鏈接或RTP(在TCP/IP體系內(nèi)高于UDP傳輸層協(xié)議，但默認(rèn)配合RTCP控制協(xié)議采用UDP傳輸)通道，交織傳送其保障信息與流媒體數(shù)據(jù)到服務(wù)器側(cè)。但因RTSP協(xié)議規(guī)定保障信息要與數(shù)據(jù)分至不同信道進(jìn)行傳輸，其對實(shí)施的環(huán)境要求尤為苛刻。

1.3 HLS協(xié)議

HLS(HTTP Live Streaming)是由美國蘋果公司提出的一種基于HTTP的流媒體協(xié)議[6]。HLS協(xié)議的工作原理是將完整的流媒體數(shù)據(jù)分割成一些固定大小的片流以及可以索引下載這些片流的以m3u8為后綴的播放列表。在播放時，終端會率先下載m3u8后綴的播放列表信息，然后根據(jù)其中描述按序下載片流并播放。在直播時，由于m3u8播放列表信息會實(shí)時更新，因此終端需要重復(fù)獲取該列表并按照最新內(nèi)容找到對應(yīng)片流進(jìn)行下載并播放。因此，在直播情況下，HLS協(xié)議所產(chǎn)生的時延要遠(yuǎn)超其他非HTTP鏈接方式的流媒體協(xié)議。

基于此，美國蘋果公司在HLS協(xié)議基礎(chǔ)上提出了低時延版本的LHLS協(xié)議(Low-latency HLS)。該協(xié)議的最主要變化在于m3u8播放列表的更新部分會以單獨(dú)增量信息形式被下載，免除了HLS協(xié)議對m3u8播放列表的重復(fù)下載情況。另外，LHLS協(xié)議采取片流實(shí)時封裝形式，減少了HLS協(xié)議下片流完整封裝后才可按序下載所產(chǎn)生的時延，使得直播延時進(jìn)一步被降低。

1.4 SRT協(xié)議

SRT(Secure Reliable Transport)是由跨國網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)巨頭Haivision公司開發(fā)的一種新式開源流媒體協(xié)議，是一種新興的流媒體協(xié)議[7]。SRT協(xié)議的原理是基于UDP傳輸層協(xié)議，并加入ARQ、FEC等數(shù)據(jù)糾錯恢復(fù)機(jī)制，充分實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定和快速的傳輸效果，并可進(jìn)一步兼容對稱加密(AES-128/256)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全。其中，SRT協(xié)議的ARQ機(jī)制為選擇性重傳方式，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬出現(xiàn)抖動，丟包率上升時，該機(jī)制才會被觸發(fā)，相較于TCP丟包恢復(fù)機(jī)制極大節(jié)省了帶寬資源。

此外，SRT協(xié)議規(guī)定每10毫秒就會向數(shù)據(jù)發(fā)送方報送RTT(數(shù)據(jù)往返時延)、新增數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)包接收率及可用緩沖區(qū)大小等信息，來幫助判斷連續(xù)兩個數(shù)據(jù)包的間隔是否突破時延設(shè)定限制，若超過該限定值，則從傳遞列表中將其舍棄。

在擁有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時，SRT協(xié)議由于其雙向點(diǎn)對點(diǎn)傳輸?shù)奶匦?，只適合于兩端間的高質(zhì)量低時延數(shù)據(jù)交互，而不適用于針對大數(shù)量級終端做流媒體數(shù)據(jù)分發(fā)。

1.5 RIST協(xié)議

RIST(Reliable Internet Stream Transport)是一種面向公網(wǎng)數(shù)據(jù)丟包問題而被提出的通用性流媒體協(xié)議。該協(xié)議可支持雙向傳輸，但依舊延續(xù)了RTP傳輸協(xié)議的大部分特征，采用RTCP協(xié)議作為可靠傳輸?shù)谋Ｕ蠙C(jī)制。因此，RIST協(xié)議的初始版本需要建立兩路信息通道，一條用以傳輸RTCP控制信息，另一條則傳輸媒體流數(shù)據(jù)。同時，由于RIST協(xié)議沿用RTP協(xié)議的傳輸方式，使用IP地址和端口作為會話，導(dǎo)致服務(wù)端要通過不斷增加端口數(shù)量才能匹配更多的客戶端，且RIST并未定義視頻流標(biāo)識。

隨后，RIST協(xié)議進(jìn)行了大改，在初期版本基礎(chǔ)上增加多路數(shù)據(jù)復(fù)用傳輸信道、DTLS加密、數(shù)據(jù)空包刪除、可支持高比特率高延遲場景等功能，增加了該協(xié)議的可用性，但卻不能兼容初始版本。

1.6 QUIC協(xié)議

QUIC(Quick UDP Internet Connection)是基于UDP傳輸層協(xié)議的流媒體協(xié)議，有別于TCP鏈接的三次握手，其通過建立單個RTT的低時延鏈接，且在此之后的連接可復(fù)用實(shí)現(xiàn)無RTT的數(shù)據(jù)可靠傳輸。在擁塞控制機(jī)制上，QUIC協(xié)議在TCP協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，可做到擁塞控制的靈活調(diào)整，并適用嚴(yán)格遞增的數(shù)據(jù)包序號代替字節(jié)序號和ACK確認(rèn)機(jī)制，改善重傳歧義問題[8]。QUIC協(xié)議不似TCP協(xié)議那樣，在終端IP地址和端口變更的時候，可以完成連接遷移，而無需新建鏈接。此外，QUIC協(xié)議采用FEC機(jī)制來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)糾錯恢復(fù)，加強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕鄷捹Y源造成負(fù)擔(dān)。

1.7 WEBRTC協(xié)議

WEBRTC(Web Real Time Communications)是一種由美國谷歌公司研發(fā)的公開流媒體協(xié)議。該協(xié)議可分別采用TCP或UDP協(xié)議進(jìn)行媒體流數(shù)據(jù)傳輸。但無論是哪種方式下的數(shù)據(jù)傳輸，WEBRTC協(xié)議都需要在發(fā)送端與接收端建立鏈接，并借助第三方信令服務(wù)器來進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。WEBRTC協(xié)議支持AV1/HEVC(H.265)等新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)[9]。

另需說明的是，WEBRTC協(xié)議的最大缺點(diǎn)在于其不支持多路并發(fā)媒體流數(shù)據(jù)至對端。

1.8 小結(jié)

依前所述，參照TCP/IP體系，可在傳輸層將所有流媒體協(xié)議分成基于TCP協(xié)議和基于UDP協(xié)議的兩大類別，并結(jié)合其在應(yīng)用層控制策略的異同及獨(dú)有功能特點(diǎn)詳細(xì)區(qū)分。如表2所示，以下為相關(guān)流媒體協(xié)議的分類及特征簡述。

表2 主要流媒體協(xié)議分類及特征

2 泛在低空網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及流媒體協(xié)議適用方案

在網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)中，網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)的終端模組和地面控制需均通過5G網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制指令傳輸，并通過云平臺服務(wù)器加載各類應(yīng)用場景。如圖1所示，5G網(wǎng)絡(luò)需提供從無線網(wǎng)到核心網(wǎng)的整體網(wǎng)絡(luò)解決方案，以適配各種復(fù)雜應(yīng)用場景的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

圖1 網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

服務(wù)趨于多元化的泛在低空應(yīng)用場景的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)可分為以下四種組建方案：1)公共網(wǎng)絡(luò)；2)專用網(wǎng)絡(luò)；3)地空同頻混合網(wǎng)絡(luò)；4)地空異頻混合網(wǎng)絡(luò)。但是，泛在低空環(huán)境下的5G網(wǎng)絡(luò)，通常會出現(xiàn)帶寬抖動，站點(diǎn)間信號頻繁切換等問題。因此除了區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，還需要對上述問題進(jìn)行綜合考慮，提出與之相適應(yīng)的流媒體方案。

在依托地面5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)為泛低空應(yīng)用提供接入和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的公共網(wǎng)絡(luò)方案中，首要遵循以服務(wù)地面用戶及應(yīng)用為主的原則，這就決定了所有地面基站設(shè)施的天線朝向優(yōu)先針對地面做信號覆蓋。此方案能夠解決絕大多數(shù)的無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用訴求，實(shí)現(xiàn)其在低空300米以下的蜂窩接入，從而進(jìn)行各類數(shù)據(jù)低時延可靠回傳。但在這種方案下，要著重考量無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用所占5G蜂窩帶寬資源的多少。綜前所述，宜采用以下優(yōu)先級排序：SRT＞QUIC＞RIST＞W(wǎng)EBRTC＞其他。

在專用網(wǎng)絡(luò)方案中，因無需考慮5G蜂窩帶寬資源分配問題，所以采用基于UDP或TCP傳輸?shù)牧髅襟w協(xié)議各有利弊，難以給出確切的優(yōu)先級排序。

地空同頻混合組網(wǎng)是指針對地面的蜂窩覆蓋與低空的蜂窩覆蓋采用相同頻段資源。在這樣的方案中，要首要解決地空間的信號互干擾問題，因此所選用的流媒體協(xié)議應(yīng)以對帶寬資源影響較少為主，支持低時延穩(wěn)定傳輸為次。宜采用的優(yōu)先級排序與公共網(wǎng)絡(luò)方案中的結(jié)果類似。

地空異頻混合網(wǎng)絡(luò)，即地面使用現(xiàn)有公共蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行覆蓋，而空中則使用頻率相異的專用蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號建立通信區(qū)域。終端在這樣的環(huán)境中，將不可避免地頻繁進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換。由于網(wǎng)絡(luò)選擇計(jì)算復(fù)雜性高、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時間短、目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)擁塞等原因，導(dǎo)致切換延遲高、切換次數(shù)多和切換中斷，嚴(yán)重影響流媒體服務(wù)的質(zhì)量和流暢度[10]。該方案下，需要考慮優(yōu)先采用基于UDP傳輸?shù)牧髅襟w協(xié)議，并且要具有一定的自適應(yīng)調(diào)整和抗干擾能力。優(yōu)先級排序大致如下：SRT＞QUIC＞RIST＞W(wǎng)EBRTC＞其他。

基于以上研究，在中國聯(lián)通5G(安陽)泛在低空測試基地，依托地面移動網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施搭建的5G測試環(huán)境進(jìn)行了流媒體協(xié)議技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證工作，具體驗(yàn)證方案如下：

①在拉流過程嘗試平臺側(cè)所支持的不同流媒體協(xié)議(QUIC/SRT/RIST/WebRTC/RTMP)；

②將視頻源數(shù)據(jù)通過HDMI接口傳輸?shù)?G機(jī)載終端，由后者完成編碼壓縮(H.264)和輸出清晰度調(diào)整(4K-3840×2160/1080P-1920×1080)；

③將分別驗(yàn)證經(jīng)由安陽云服務(wù)器/阿里云服務(wù)器完成數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，并在不同網(wǎng)絡(luò)連接方式下測試多組不同流媒體協(xié)議下的拉流效果，完成傳輸時延比對記錄。

驗(yàn)證結(jié)果表明：

1)在傳輸同等4K清晰度視頻條件下，各流媒體協(xié)議時延基本符合上述研究結(jié)論。

2)在傳輸同等1080P清晰度視頻條件下，各流媒體協(xié)議時延基本符合上述研究結(jié)論。

3 結(jié)語

隨著我國低空環(huán)境的逐步開放，低空經(jīng)濟(jì)活動的不斷多樣化和頻繁化，無人機(jī)應(yīng)用市場有望迎來飛速增長。在這樣的背景下，視頻實(shí)時傳輸效果將成為衡量絕大多數(shù)5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)應(yīng)用價值的主要指標(biāo)之一。選擇與5G網(wǎng)絡(luò)組建形式相適宜的流媒體協(xié)議，可有效保障實(shí)時流數(shù)據(jù)的可靠傳輸，實(shí)現(xiàn)最根本行業(yè)應(yīng)用的需求。一言以蔽之，流媒體協(xié)議會是控制5G網(wǎng)絡(luò)下的泛在低空應(yīng)用實(shí)現(xiàn)流媒體數(shù)據(jù)自傳輸?shù)匠尸F(xiàn)的最有利抓手。