基于丟包率統(tǒng)計(jì)的無線流媒體碼率動(dòng)態(tài)適配技術(shù)的研究

【摘要】隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，流媒體視頻在無線環(huán)境下的應(yīng)用得到普及。然而，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境所存在的不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致誤碼率高以及阻塞丟失嚴(yán)重的情況，從而嚴(yán)重影響用戶的觀看體驗(yàn)。因此，如何在現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境發(fā)生頻繁切換或網(wǎng)絡(luò)較不穩(wěn)定的情況下，仍使用戶獲得較好的流媒體視頻播放體驗(yàn)，成了迫切需要解決的課題。本文研究提出了一種基于丟包率統(tǒng)計(jì)的無線環(huán)境下流媒體碼率動(dòng)態(tài)適配的方法，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境條件為用戶重新選擇適合用戶的播放體驗(yàn)的視頻碼率，從而保證視頻的傳輸質(zhì)量和流暢度，優(yōu)化用戶的視頻體驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)流媒體視頻碼率動(dòng)態(tài)適配

近年來，移動(dòng)通信技術(shù)不斷發(fā)展，隨著移動(dòng)無線寬帶接入技術(shù)的引入，無線網(wǎng)絡(luò)的接入速度得到飛速提升。同時(shí)，隨著手機(jī)終端的越來越智能化手機(jī)終端已經(jīng)從簡(jiǎn)單的通信、聯(lián)絡(luò)工具，發(fā)展成為一個(gè)智能的多媒體平臺(tái)。流媒體視頻在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用逐漸被越來越多的用戶所認(rèn)識(shí)和接受。然而，由于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境會(huì)受到信道的多徑衰落、傳輸遮擋以及移動(dòng)切換（handoff）、延遲等因素的影響，容易出現(xiàn)帶寬波動(dòng)大、誤碼率高以及阻塞丟失嚴(yán)重[1]，一旦因傳輸問題造成丟包后，解碼端還原出來的視頻質(zhì)量往往會(huì)大打折扣。因此，如何在減少網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化對(duì)用戶產(chǎn)生的影響，保障用戶獲得良好的播放體驗(yàn)，就成了急需解決的課題。

通過動(dòng)態(tài)碼率適配技術(shù)可以有效地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境條件的變化為用戶重新選擇適合用戶的播放體驗(yàn)的視頻碼率。動(dòng)態(tài)碼率技術(shù)要求流媒體平臺(tái)的編碼系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)都能夠根據(jù)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化自動(dòng)地進(jìn)行動(dòng)態(tài)適配。編碼系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)多碼率（MBR）的方式來適應(yīng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化，而傳輸系統(tǒng)則需通過反饋消息來調(diào)整服務(wù)器端發(fā)送的碼率。通過碼率動(dòng)態(tài)適配的技術(shù)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的鏈路狀況、播放器緩沖區(qū)的剩余容量等信息能夠及時(shí)地反饋到流服務(wù)端。從而有效避免播放器緩沖區(qū)數(shù)據(jù)溢出，或是緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)處于饑餓狀態(tài)。

一、流媒體業(yè)務(wù)概述

1.1移動(dòng)流媒體視頻業(yè)務(wù)概述

移動(dòng)流媒體視頻業(yè)務(wù)是通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)流媒體方式，為用戶提供以音視頻為主要形式的節(jié)目體驗(yàn)，用戶可以通過手機(jī)終端采取邊下載邊收看的方式在線觀看音視頻節(jié)目，無需耗費(fèi)下載時(shí)間，更不占用手機(jī)存儲(chǔ)，它是網(wǎng)絡(luò)音視頻技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是融合了很多網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后產(chǎn)生的新技術(shù)，涉及到流媒體數(shù)據(jù)的采集、壓縮、存儲(chǔ)、無線網(wǎng)絡(luò)通信以及移動(dòng)終端等多個(gè)領(lǐng)域[2]。

1.2流媒體視頻業(yè)務(wù)的技術(shù)架構(gòu)

流媒體視頻業(yè)務(wù)平臺(tái)是面向用戶提供流媒體視頻業(yè)務(wù)的技術(shù)支撐服務(wù)平臺(tái)，提供業(yè)務(wù)接入、業(yè)務(wù)展現(xiàn)、業(yè)務(wù)邏輯、業(yè)務(wù)能力以及數(shù)據(jù)管理等全部業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)，主要可以分為手機(jī)終端域和系統(tǒng)平臺(tái)兩大部分。

手機(jī)終端域主要負(fù)責(zé)承載客戶端軟件及WAP界面服務(wù)，為用戶提供業(yè)務(wù)展現(xiàn)及頁(yè)面內(nèi)容，從而使手機(jī)終端與流媒體視頻業(yè)務(wù)平臺(tái)的業(yè)務(wù)交互等功能得以實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)平臺(tái)主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)、業(yè)務(wù)展現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)、流媒體能力、業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)能力、核心管理和系統(tǒng)維護(hù)等功能。其中包含了業(yè)務(wù)展現(xiàn)域、流媒體能力域、業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)、核心管理等。

二、流媒體視頻碼率動(dòng)態(tài)適配方案研究

2.1基于丟包率方案

基于丟包率方案的動(dòng)態(tài)適配方式，是利用手機(jī)終端發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的RTCP RR包，來測(cè)量當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和丟包數(shù)目。流媒體服務(wù)器根據(jù)RTCP RR包的反饋，來判斷丟包率是否超出了預(yù)先設(shè)定的閥值，如丟包率未超出門限閥值，就維持原有碼率繼續(xù)進(jìn)行傳輸，如果丟包率超出了門限閾值，則進(jìn)行碼率切換，重新選擇合適的碼率發(fā)送給終端。

在移動(dòng)流媒體業(yè)務(wù)中，流媒體服務(wù)器接收RTCP RR報(bào)告的間隔時(shí)間取決于RTCP包傳輸帶寬和RTCP包的平均包長(zhǎng)等因素。一般應(yīng)取盡可能最高的報(bào)告速率，即取盡可能最小的RTCP報(bào)告包間隔。流媒體服務(wù)器會(huì)根據(jù)這種反饋進(jìn)行流媒體碼流速率的調(diào)整判斷，根據(jù)計(jì)算后的目標(biāo)發(fā)送速率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)帶寬的可伸縮性。

2.2基于客戶端緩沖反饋方案

基于客戶端緩沖方案的動(dòng)態(tài)碼率適配方案，是利用3GPP R6客戶端和服務(wù)器中支持的客戶端緩沖反饋機(jī)制。該機(jī)制中，客戶端播放器向流媒體服務(wù)器發(fā)送的RTCP RR消息中的NADU（Next Application Data Unit）字段包含了客戶端緩沖區(qū)可用大小等信息，從而是服務(wù)器可根據(jù)客戶端緩沖信息估算出帶寬情況，并選擇與之相匹配的直播、點(diǎn)播文件的碼率，進(jìn)行切換。

基于客戶端緩沖反饋方案對(duì)系統(tǒng)設(shè)備有一定的要求，客戶端播放器必須支持在RTCP Receive Report消息上報(bào)NADU字段；視頻編碼器須支持多路碼率輸出到一個(gè)直播SDP文件，轉(zhuǎn)碼器須支持多路碼率輸出到一個(gè)點(diǎn)播文件；此外，流服務(wù)器必須支持3GPP R6的RTCP NADU APP packet消息，可根據(jù)多碼率直播點(diǎn)播文件進(jìn)行碼率切換。

2.3基于鏈路估算方案

基于鏈路估算方案的動(dòng)態(tài)碼率適配方案，是通過估算無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬情況，來實(shí)現(xiàn)對(duì)流媒體視頻業(yè)務(wù)的發(fā)送碼率以及節(jié)目速率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。通信過程中，客戶端需要向服務(wù)器提供流傳輸質(zhì)量的度量反饋，其目的是使流媒體服務(wù)器用來測(cè)定用戶體驗(yàn)的（主觀）質(zhì)量（QoE）和改進(jìn)監(jiān)控服務(wù)器。當(dāng)采用基于無線鏈路帶寬估算的碼率動(dòng)態(tài)適配方案時(shí)，該量度參數(shù)即為當(dāng)前可測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

2.4現(xiàn)有方案優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

基于鏈路估算的方案在市場(chǎng)上幾乎沒有播放器支持，因此，目前主流的流服務(wù)以及終端播放器支持的動(dòng)態(tài)碼率動(dòng)態(tài)適配技術(shù)主要是基于丟包率統(tǒng)計(jì)方案和基于客戶端緩沖反饋方案。

根據(jù)丟包率統(tǒng)計(jì)的動(dòng)態(tài)碼率技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)客戶端播放器要求低，缺點(diǎn)在于通過丟包率控制播放速率，服務(wù)器碼率切換具有滯后性，切換過程中將會(huì)出現(xiàn)馬賽克現(xiàn)象，影響到用戶體驗(yàn)。目前多數(shù)手機(jī)播放器都支持該方案，因此該方案的可實(shí)施性較好。

根據(jù)客戶端緩沖反饋機(jī)制的動(dòng)態(tài)碼率技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)時(shí)獲取客戶端buffer情況，服務(wù)器碼率切換相對(duì)及時(shí)，可有效避免切換過程中馬賽克產(chǎn)生。缺點(diǎn)在于，要求手機(jī)播放器必須支持3GPP R6，在RTCP Receive Report消息上報(bào)NADU。由于目前市場(chǎng)上支持該功能的手機(jī)播放器較少，該方案的可實(shí)施性相對(duì)較差。

三、流媒體視頻碼率動(dòng)態(tài)適配方案

結(jié)合現(xiàn)有流媒體視頻平臺(tái)及終端播放器對(duì)動(dòng)態(tài)碼率技術(shù)的支持現(xiàn)狀，本文選擇對(duì)基于丟包率統(tǒng)計(jì)的方案研究并實(shí)現(xiàn)一套適用于當(dāng)前移動(dòng)網(wǎng)環(huán)境的流媒體視頻碼率動(dòng)態(tài)適配方案。

3.1碼率動(dòng)態(tài)適配方案的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)碼率動(dòng)態(tài)適配的需求分析，本文提出了融合首次接入視頻碼率選擇策略、丟包率預(yù)測(cè)算法、以及視頻碼率動(dòng)態(tài)適配調(diào)整策略的流媒體視頻碼率動(dòng)態(tài)適配方案。流媒體視頻碼率動(dòng)態(tài)適配方案的系統(tǒng)框架如圖1所示。

3.2碼率動(dòng)態(tài)適配方案相關(guān)技術(shù)

1.首次接入視頻碼率選擇策略：在用戶接入一始就為用戶播放適合其手機(jī)終端及所處網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的碼率的視頻，達(dá)到減少切換次數(shù)的目的。用戶在選擇播放直播或者點(diǎn)播視頻節(jié)目時(shí)，平臺(tái)會(huì)依據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況、終端處理能力，通過首次接入視頻碼率選擇策略，為用戶選擇選擇最合適的碼率等級(jí)進(jìn)行傳輸[3]。要實(shí)現(xiàn)首次接入視頻碼率選擇策略，首先需建立視頻碼率適配庫(kù)，對(duì)終端首次接入時(shí)應(yīng)選擇的視頻碼率參數(shù)及對(duì)應(yīng)值在適配庫(kù)中進(jìn)行詳細(xì)定義。其次，流媒體視頻平臺(tái)獲取終端首次接入時(shí)的網(wǎng)絡(luò)類型，接入終端的能力值，播放請(qǐng)求類型（點(diǎn)播或者直播），請(qǐng)求視頻的媒體格式類型，到適配庫(kù)中進(jìn)行匹配，定位到具體的碼率，然后根據(jù)該碼率生成RTSP點(diǎn)播或者是直播URL；最后將URL返回給終端，終端播放器根據(jù)該URL進(jìn)行視頻播放。

2.丟包率預(yù)測(cè)算法：在手機(jī)客戶端開始播放視頻后，流媒體視頻平臺(tái)會(huì)周期性的接收客戶端反饋的RTCP包，提取丟包率信息[3]。因?yàn)橐苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)流量通常是突變的，為盡量減少突發(fā)流量對(duì)動(dòng)態(tài)適配切換的影響，須明確的區(qū)分出哪些是短暫的突發(fā)流量，而哪些是表示著網(wǎng)絡(luò)己經(jīng)發(fā)生了變化。因此當(dāng)前的丟包情況和歷史的丟包情況就應(yīng)該成為綜合預(yù)估下一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)狀況即丟包率的重要依據(jù)，通過設(shè)計(jì)丟包率預(yù)測(cè)算法，可預(yù)測(cè)下一時(shí)刻流媒體視頻平臺(tái)端到客戶端的丟包率狀況。

3.視頻碼率動(dòng)態(tài)適配調(diào)整策略：是在客戶端和服務(wù)端之間建立起了一個(gè)反饋通路，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)丟包率來達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀況的目的，根據(jù)現(xiàn)在和之前的丟包率情況，由服務(wù)端自動(dòng)調(diào)整視頻碼率的大小，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化，從而可以有效的解決傳輸質(zhì)量和圖像質(zhì)量之間的矛盾。當(dāng)碼率的變化達(dá)到切換碼率閥值的時(shí)候，流媒體視頻平臺(tái)將動(dòng)態(tài)進(jìn)行不同碼率等級(jí)之間的切換。視頻碼率動(dòng)態(tài)適配調(diào)整策略是基于點(diǎn)播文件或者直播流的動(dòng)態(tài)適配切換，即在用戶進(jìn)行播放前或者播放中，就在流媒體視頻平臺(tái)端按照不同的碼率壓縮同一視頻點(diǎn)播文件或者直播流[3]。

實(shí)現(xiàn)碼率調(diào)整的方法有動(dòng)態(tài)適配實(shí)時(shí)編碼調(diào)整模式和視頻碼率動(dòng)態(tài)適配調(diào)整模式，兩者的區(qū)別就在于實(shí)現(xiàn)視頻源碼率變化的方法不同。動(dòng)態(tài)適配實(shí)時(shí)編碼就是依據(jù)期望碼率來實(shí)時(shí)的調(diào)整視頻源的編碼速率，也就是說，視頻發(fā)送時(shí)編碼和播放將同步進(jìn)行。視頻碼率動(dòng)態(tài)適配調(diào)整是由編碼器、轉(zhuǎn)碼器對(duì)同一節(jié)目編出多路不同的碼率，當(dāng)發(fā)現(xiàn)期望碼率達(dá)到切換碼率區(qū)間時(shí)，就終止當(dāng)前碼率的視頻播放，切換到合適碼率的視頻文件或視頻流進(jìn)行播放[3]。采用視頻碼率動(dòng)態(tài)適配調(diào)整模式，較動(dòng)態(tài)適配實(shí)時(shí)編碼模式而言，減輕了服務(wù)端的負(fù)擔(dān)，提高了服務(wù)端支持的用戶并發(fā)訪問數(shù)量，適用于大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的場(chǎng)景。因此本次研究將采用視頻碼率動(dòng)態(tài)適配調(diào)整模式。

3.3碼率動(dòng)態(tài)適配的系統(tǒng)流程

3.3.1碼率動(dòng)態(tài)適配直播流程

碼率動(dòng)態(tài)適配直播流程如下：

1.直播信號(hào)輸入到編碼器；2.編碼器將直播信號(hào)轉(zhuǎn)成多路流媒體，輸入到流媒體服務(wù)器的不同端口；3.終端用標(biāo)準(zhǔn)的RTSP協(xié)議向流媒體服務(wù)器請(qǐng)求直播播放；4.流媒體服務(wù)器解析直播文件，接收該直播頻道所有發(fā)送到流媒體服務(wù)器的流；5.流媒體服務(wù)器端根據(jù)終端首次接入平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)類型參數(shù)，終端能力，請(qǐng)求的媒體格式，選擇合適的碼率推送到終端；6.終端接收流媒體，并定期發(fā)送RTCP RR報(bào)文給流媒體服務(wù)器，反饋其收包狀況；7.流媒體服務(wù)器解析RTCP RR報(bào)文，得到當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)丟包率；8.流媒體服務(wù)器進(jìn)行丟包率預(yù)測(cè)，根據(jù)期望丟包率對(duì)當(dāng)前碼率進(jìn)行碼率調(diào)整，得到下一時(shí)刻的期望碼率，選擇切換到適合新碼流或繼續(xù)沿用原碼率；9.重復(fù)6～8過程，直到終端請(qǐng)求停止播放；10.終端請(qǐng)求停止流媒體直播；11.流媒體服務(wù)器停止發(fā)流，并返回RTSP OK消息。

3.3.2碼率動(dòng)態(tài)適配點(diǎn)播流程

1.準(zhǔn)備好源文件；2.離線編碼器將源文件編碼，生成具有多個(gè)碼率的3GP文件，新生成的3GP文件里面每種碼流一個(gè)單獨(dú)的Track，各碼流之間互不影響；3.終端用標(biāo)準(zhǔn)的RTSP協(xié)議向流媒體服務(wù)器請(qǐng)求點(diǎn)播播放；4.流媒體服務(wù)器解析多碼率的3gp文件，分析出各碼流的Track及對(duì)應(yīng)的碼率大小；5.流媒體服務(wù)器端根據(jù)終端首次接入平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)類型參數(shù)，終端能力，請(qǐng)求的媒體格式，選擇合適的碼率推送到終端；6.終端接收流媒體，并定期發(fā)送RTCP RR報(bào)文給流媒體服務(wù)器，反饋其收包狀況；7.流媒體服務(wù)器解析RTCP報(bào)文，得到當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)丟包率；8.流媒體服務(wù)器進(jìn)行丟包率預(yù)測(cè)，得到下一時(shí)刻的期望丟包率，根據(jù)期望丟包率對(duì)當(dāng)前碼率進(jìn)行碼率調(diào)整，得到下一時(shí)刻的期望碼率，選擇切換到適合新碼流或繼續(xù)沿用原碼率；9.重復(fù)6～8過程，直到終端請(qǐng)求停止播放；10.終端請(qǐng)求停止流媒體點(diǎn)播；11.流媒體服務(wù)器停止發(fā)流，并返回RTSP OK消息。

四、總結(jié)與展望

本文首先分析了現(xiàn)有流媒體視頻業(yè)務(wù)的碼率技術(shù)及其在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上傳輸實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)時(shí)存在的問題，隨后對(duì)詳細(xì)調(diào)研現(xiàn)有的視頻碼率動(dòng)態(tài)適配方案，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，最后參考基于丟包率的視頻碼率動(dòng)態(tài)適配方案的設(shè)計(jì)原理，提出一種適合流媒體視頻業(yè)務(wù)的視頻碼率動(dòng)態(tài)適配方案，有助于在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化時(shí)進(jìn)行碼率動(dòng)態(tài)適配調(diào)整，保證視頻的傳輸質(zhì)量和流暢度。

隨著將來視頻編解碼設(shè)備的編碼容量擴(kuò)展以及編碼效率的提升，可考慮進(jìn)一步細(xì)化視頻碼率等級(jí)的劃分粒度，采用更多視頻碼率等級(jí)，這樣能更加精細(xì)的進(jìn)行碼率調(diào)整，進(jìn)一步改善用戶體驗(yàn)，這就要求對(duì)本次設(shè)計(jì)的視頻碼率動(dòng)態(tài)適配調(diào)整策略做出相應(yīng)的修改，包括動(dòng)態(tài)修改碼率調(diào)整步長(zhǎng)及參數(shù)，增加上調(diào)及下調(diào)的調(diào)整策略以及引入更多的控制參數(shù)等方式，所以該策略未來還有較大的優(yōu)化提升空間。

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