一种适用于移动通信网的流媒体传输策略

陈 静,何加铭,闻建芬

(宁波大学通信技术研究所,浙江宁波315211)

一种适用于移动通信网的流媒体传输策略

陈 静,何加铭,闻建芬

(宁波大学通信技术研究所,浙江宁波315211)

为提高流媒体在移动通信网络传输的实时性与可靠性,该文提出一种自适应切换UDP与TCP传输通道的流媒体有效传输机制。该机制通过检测RTP/UDP传输的丢包率的阈值切换传输通道与改善移动网重定向问题,在一定程度上保证媒体在客户端的播放质量。系统在手机端实测播放效果表明本文的传输机制优于采用单一传输通道传输流媒体的传输效果。

移动网络;流媒体;传输;实时性

0 引 言

流媒体技术是指采用流式传输技术向用户实时传输媒体数据包[1],播放前无需下载整个文件即可实现音视频在客户端的连续播放,是一种边下载边播放的技术。流媒体技术的应用在很大程度上降低了对客户端存储容量大小的要求,并减少了播放等待时间,因此在Internet得到广泛应用。近年来,随着无线网络覆盖率不断提高,传输带宽增大以及使用便携移动终端的人数增长[2],使得流媒体技术应用于无线平台已成为研究热点。但无线网络固有的传输环境不稳定、误码率较大、延时抖动[3]等因素给通过无线网络实现流媒体的有效传输带来巨大挑战。本文针对此问题以覆盖率最广的移动通信网络为例研究无线网络拥塞的情况下如何解决移动终端流媒体播放实时性与播放质量的矛盾。

1 流媒体传输原理

流媒体实时流传输一般采用专用流协议,当前流媒体主要有3类协议簇：Real实时传输协议(ProgressiveNetworksAudio,PNM)、微软流媒体协议(M icrosoftMedia Server protocol,MMS)和实时流媒体协议(Real-time Streaming Protocol,RTSP)。其中PNM、MMS分别是Real与Microsoft公司的专用流媒体协议。而RTSP是已成为主流的行业标准,很多流媒体服务器均支持该协议。因此,目前大部分流媒体播放系统采用RTSP协议传输控制信息,它提供操纵播放、快进、快退、暂停等命令方法,并通过UDP传输方式向客户端传输实时传送协议(Real-time Transport Protocol,RTP)数据包。但基于单一的RTP/UDP流媒体传输方式没有网络拥塞控制机制,在网络发生拥塞时仍会向网络中注入大量数据包,从而造成数据的大量丢失和移动终端恢复的画面质量严重下滑[4]。如果将流媒体数据通过TCP传输,将明显降低传输数据的丢失,但相对UDP传输则需要一个较长时间的慢启动过程,且传输效率没有UDP高。

对于传输协议栈的设计与解析,是流媒体点播系统设计的重点,同时也是一个瓶颈技术,它对流媒体数据能否在客户端稳定播放起到至关重要的作用。本文对主流传输模型进行了优化改进,以更适合通过移动无线网络传输流媒体数据。

2 改进型传输策略

TCP是面向连接的,可提供可靠的传输服务;UDP则是无连接的,没有数据校验过程,不提供可靠服务,但可以提供更快的传输速率。本文结合UDP/TCP的传输优点,采用RTP流传输协议作为载体,在原有基础上提出将UDP与TCP传输最大限度的配合使用的传输机制,以便更好的满足实时性与网络播放的音视频品质,基本传输模型框图如图1所示。

图1 网络传输模型

2.1 网络拥塞控制

由于基于UDP的实时流媒体传输没有进行拥塞控制,很容易因网络流量过大而导致网络拥塞崩溃,并且网络拥塞会导致数据的丢失影响客户端的播放质量。本文提出一种基于UDP传输丢包率的动态反馈式网络拥塞控制算法,实时监测网络情况并根据网络状况调整服务器端的数据发送速率。

式1为客户端对丢包率的计算方法,其中Ls表示丢包率,S1,S2,…,Sn-1,Sn表示各个时刻收到的RTP报文按其序列号进行从小到大的排列。接收端通过序列号来检测报文丢失情况,也可根据序列号与时间戳重新排序报文,恢复数据。式2是根据TFRC(TCP-Friendly Rate Control)算法简化而成,用于调整服务器的发送速率进而缓解网络拥塞状况。其中Vsend(t)表示服务器的发送速率,Ps表示发送的包长,rtt为服务器测得往返的回环时间,δ表示为弥补无线网络信道损伤而增加的速率补偿,本文设为1.2。

客户端选择点播业务时,首先服务器与客户端通过RTSP建立连接,然后采用RTP协议格式封装有效载荷并选择UDP传输方式向客户端发送。客户端通过解析收到的各个RTP报文的序列号,根据式1得到该时间段内的丢包率,并通过RTCP/TCP反馈回服务器端。服务器端则根据反馈的信息,通过式2调整发送速率以适应网络的实时情况。当网络状况突变,或拥塞得不到有效控制时,本文将做如下处理：

(1)当网络丢包率Ls＜20%时(不同的无线网络该阈值有所不同),继续采用带有上述拥塞控制的RTP/UDP传输;

(2)当丢包率Ls≥20%时,即对客户端而言图像马赛格严重,则切换传输通道采用TCP传输直至此段视频结束,采用RFC2326定义的标准RTP-over-RTSP(RTP-over-TCP)的混合传输方式。RTP-over-RTSP这种混合传输方式会增加少量的系统开销(overhead)与系统复杂度,但本文采用开源的Darwin服务器已包含此传输模式,减少了对服务器的处理难度。TCP传输几乎是无损传输,相对UDP而言降低一定的视频码率仍可以得到良好的画面质量,所以本文通过Darwin服务器的QualityLevel参数来适当降低视频的质量,以减少数据量来弥补混合传输带来的开销。

2.2 网络重定向检测

在播放器与服务器间进行文本信息交互时,比如获取节目列表,采用的是HTTP协议。为了网络安全性,移动WAP网关中有很多对HTTP的重定向响应返回给移动终端。由于存在重定向过程,移动终端采用HTTP的GET方式发送请求到服务器的过程中加长了网络连接的时间。同时在WAP实际数据通路上的各个功能部件上,也额外增加了很多计算开销。这些因素增加了整个移动通信过程的延迟,影响用户体验。本文通过对网络重定向的检测进行自动重连,减少整个网络连接的时延。

本文通过对移动网关WAP2.0进行网络连接,并对其连接过程不断进行跟踪测试。从每次发送请求得到的响应分析发现所有重定向响应的消息中HTTP格式的Header含有“Content-Type：application/vnd.wap.wm lc;***”。因此只需对消息头进行解析就可判断是否需要重定向连接。本文的方法是对HTTP的响应消息进行解析,查找比较Content-Type的类型,如果与重定向响应的类型相同则终止解析与接收数据过程,自动重连网络;反之,则通过继续查找CRLF CRLF得到消息体,对消息体进行解析。由于解析过程耗费很大的计算开销,通过只对消息头的解析判断重定向进行重连可以减少不必要的解析,并且无需等到超时重连,减少了系统开销与时间延迟,提高用户体验。

3 系统测试分析

本文服务器端采用修改后的darwin服务器,客户端软件用C语言在MTK 08B版本上实现,并移植到带有MT 6238芯片组的手机(型号：HYUNDAIH808),手机分辨率为240×400。网络通道是中国移动的CMWAP,采用GPRS帐号上网,测试地点为宁波大学,3个测试时间段选择是9：00-10：00、14：00-15：00、20：00-21：00,测试媒体是时长为10m in的3gp格式的媒体。测试都是3个手机同时进行,每个时间段测试3遍,连续测试3天。GPRS数据传输速率理论上可达到171.2kbps,但在实际测试中因受到网络编码方式与终端支持的影响而低于此传输速度。对格式为3gp的媒体文件设置不同的播放速率在该手机中测试得到的播放质量(主观评价)如表1所示。本文对点播系统采用3种不同传输模式而得到播放效果测试所得的数据总结如表2所示。

表1 画面质量的主观评测

表2 3种传输模式效果比较

测试结果表明采用的UDP协议的流媒体点播系统在一般的网络情况下可以取得较好的视频播放效果,但是在网络拥塞丢包率较高的网络环境下,导致数据接收不流畅而导致画面出现马赛格,严重影响用户观看。采用TCP协议进行数据流传输虽然可以达到较高的播放质量,但容易多次出现再次数据缓冲,并且在测试中发现它需要较长的起始启动时间。本文将2种传输机制切换使用,在测试过程很少达到需要切换通道的阈值情况,一般情况下依然走UDP通道,但在偶尔出现失真严重的情况下可以顺利切换通道,只需少许缓冲时间,即可得到流畅的播放品质并可降低网络崩溃的概率。

4 结束语

移动便携式设备的广泛普及,流媒体业务与移动终端的结合将更加白热化,这势必导致无线带宽的拥塞与崩溃。本文提出的流媒体传输系统可以通过自适应调整发送速率与切换2种传输通道解决了当前无线网络不稳定与流媒体播放品质的矛盾。同时,优化了网络重定向以减少网络连接超时现象。

[1]吴强,徐伟等.无线流媒体应用中端系统切换触发机制和AP选择策略的研究与实现[J].东南大学学报(自然科学版),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]章轶,刘四维,夏勇明,等.基于GPRS网络的流媒体自适应速率算法[J].微型电脑应用,2009,25(9)：14-16.

[4]孙伟,温涛,郭权.一种适用于无线网络的流媒体传输机制[J].计算机应用,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

国家重大专项核高基资助项目(ZX01039-001-002-004、ZX03001-016、ZX03004-005);科技部公共服务平台创新基金资助项目(C26243314159);浙江省科技计划资助项目(C31107);国际科技合作资助项目(DFA12120)

陈静(1986-),女,浙江台州人,在读研究生,嵌入式软件应用设计.