基于3G網絡的高清晰度流媒體實現的技術難點分析

余 偶

同濟大學軟件學院，上海 201804

從中國內地發放3G牌照以來，各家通信服務商紛紛推出3G服務，3G的普及率在中國逐月上升。有業內人士大膽預測，在兩年以內3G將占手機市場的九成以上。與此同時，作為3G的特色服務，移動流媒體勢必將成為各個商家追逐最大利潤的主戰場。但就目前的市場上來看，似乎沒有一款軟件能真正的達到高清晰的流媒體點播。 不是碼率明顯偏低，視頻分辨率不高，就是延遲現象嚴重，圖像馬賽克情況嚴重。那么導致這個現狀的主要原因是什么？

1 帶寬

雖然3G的到來給人們帶來了高速上網的可能，但是面對視頻流媒體，特別是高清流媒體動輒幾兆甚至幾十兆比特每秒的碼率來說，3G網絡的帶寬還是遠遠不夠。表1是目前中國三大3G網絡提供商的3G網絡性能對比。圖中的數據僅僅只是理論情況下的最大值，在實際應用上，由于建筑物的遮蔽，和目前3G通信塔覆蓋不完全，速度將大打折扣，有門戶網站的測試結果表明，使用3種網絡的平均下載速度在80KB/s～150 KB/s（1B/s=8bit/s）之間。另外，以上的結果都是以手機靜止不動為前提的，在移動的情況下，網絡速度會進一步的減慢。

表1 中國目前三大3G網絡提供商的理論網速

與目前的3G帶寬相對比，播放一部H264/AVC編碼的標清電影所需要的帶寬至少為5Mbps，相當于需要至少600KB/s的下載速度，就算將其分辨率降至640*360，也需要150KB/s的下載速度，這對目前仍不穩定的3G網絡來說是十分困難的。 相比與歐美發達國家，以及日本韓國這些無線通訊網絡發達的國家，中國的3G網絡還相當的不成熟，要實現真正的高速上網還有一段路要走，因此目前各運營商的當務之急是加強基站的建設，提高網絡的覆蓋面和穩定性，只有這樣才能從根本上解決問題。

2 壓縮編碼

目前的3G網絡帶寬無法滿足高清晰度的流媒體傳輸，那么除了加大網絡帶寬（勢必需要大量的資金投入），另外一個更為可行的方法是對視頻進行進一步的壓縮。

H.264/AVC作為新一代的高清視頻編碼標準，在相同的比特率下，視頻效果是原先其他編碼技術的兩倍以上。具有視頻體積小，視頻質量高的特點。并且該編碼技術新增網絡抽取層（NetworkAbstraction Layer），使其更方便于制作網絡流媒體。因此，該技術最適合于3G移動多媒體的應用。然而，由于技術的優秀壓縮性能是以犧牲算法復雜度為代價了，而普通的3G手機的CPU和內存均無法與主流計算機相比，并且受到功耗，發熱量的限制，因此無法勝任如此復雜的編解碼計算。解決這個問題的方法是在現有的H.264/AVC視頻壓縮技術上進行改進，使其盡可能的在不降低視頻質量的前提下，對其復雜的算法進行精簡，或者對其關鍵參數（QP，幀率等）進行合理設定，使其能夠在現有的手持終端設備上流暢的運行。

3 無線信道

相對于有線傳輸信道，無線信道的環境要惡劣得多，因信道質量、流量控制機制而導致的數據丟包、誤碼率要高得多。而壓縮視頻流對誤碼非常敏感，稍有丟包現象，視頻就可能產生大量馬賽克，甚至掉幀。除此之外，無線信道的傳輸速率不穩定，可能由于基站設置或是障礙物遮蔽問題而造成傳輸速度時快時慢。

為了減少無線信道中的丟包現象，可以引入擁塞機制，對于流媒體來講，擁塞機制的主要實現方式是傳送速率控制。保證以一定的速率傳送和接受數據包，如果在途中有丟包發生，那么擁塞機制會開始作用，丟失的包會進行重傳。當然在信道非常不理想，丟包現象嚴重時，頻繁的進行重傳，勢必會影響視頻的流暢性。因此我們還必須引入差錯機制。

差錯機制是一種根據視頻前后幀的相關性來對丟失幀進行重構的方法。這種方法的優點顯而易見，他能降低發送端的工作強度，不需要發送端進行大量的發包監控和丟包重發的工作。當然這種方法也有他的缺點，他會給終端的解碼工作帶來負擔，對于本來就能力不強的手機設備來說，這種額外的負擔可能是這些終端設備所承受不了的。另外當丟包大量發生時，作為重構依據的關鍵幀也可能發生丟失，重構的工作也可能就此失敗。

還有一種解決方法是采用容錯編碼，具體的來說，就是編碼器在編碼過程中隊視頻文件進行了特殊處理。在視頻文件中加入再同步點，可逆變長編碼，數據遷移，應用幀，以此來減小丟失同步信息的影響。對于關鍵幀錯誤，導致后續的幀受其影響，可以采用對每幀，特別是關鍵幀的一部分進行獨立編碼，這樣可以避免后續的幀受前幀丟失關鍵信息而受其影響。

對于無線信道傳輸速度不穩定的問題，我們可以采取可擴展編碼技術，這種技術可以提高編碼輸出流對網絡帶寬動態變化的適應能力。可擴展編碼就是將整個流媒體數據分成多個不同的碼流，其中之一是基本層碼流，它可以單獨被解碼，形成基本的視頻圖像。其他的碼流不能單獨被解碼，而只能和基本碼流一起同時被解碼，他的作用是增強基本碼流的顯示效果，被稱為增強層碼流。當網絡信號不好的時候，手機終端設備只進行基本層碼流的解碼，當信號良好的情況下，手機將對一個或多個增強層碼流進行解碼，只要網絡條件允許，所有的碼流都將被解碼，以獲得最好的顯示效果。

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