基于無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境移動(dòng)流媒體碼率自適應(yīng)研究

李英壯，吳志偉，李先毅

（大連理工大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與信息化中心，遼寧 大連116024）

隨著GPRS和WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，智能終端在線點(diǎn)播直播視頻業(yè)務(wù)越來越多。面對(duì)復(fù)雜的用戶和移動(dòng)環(huán)境，對(duì)于視頻點(diǎn)播而言，需要一定的服務(wù)質(zhì)量保證策略，以保證不穩(wěn)定無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶的友好體驗(yàn)。

本文通過終端網(wǎng)絡(luò)狀況反饋、分布式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼技術(shù)和動(dòng)態(tài)碼率自適應(yīng)技術(shù)，解決終端所處無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，終端視頻收看體驗(yàn)下降的問題。當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)狀況發(fā)生變化時(shí)，終端將網(wǎng)絡(luò)狀況參數(shù)反饋給流媒體服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)反饋進(jìn)行處理，動(dòng)態(tài)調(diào)整流視頻碼率。

1 終端網(wǎng)絡(luò)狀況反饋方案

實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議 RTP(Real-time Transport Protocol)[1]用于傳輸數(shù)字音頻和數(shù)字視頻等多媒體數(shù)據(jù)，本身并不提供任何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊⒂行蚝蛯?shí)時(shí)，也不提供其他途徑保證服務(wù)質(zhì)量，這些工作都依賴于RTCP(Realtime Transport Control Protocol)協(xié)議來完成。

RTCP[2]協(xié)議為RTP提供關(guān)于媒體傳輸以及媒體源的信息，如數(shù)據(jù)傳輸延遲、丟包率、抖動(dòng)等相關(guān)信息，以用于RTP協(xié)議的交互控制。RTCP控制包分為SR、RR、SDFS、BYE 等。

RR包中包含了接收的包數(shù)、上個(gè)報(bào)文間隔期間接收的包數(shù)、丟失包的總數(shù)、包丟失率、平均延遲、延遲抖動(dòng)等消息；SR包中包含了包發(fā)出時(shí)的時(shí)間標(biāo)簽、發(fā)送的總包數(shù)、發(fā)送的總字節(jié)數(shù)等信息。這些信息構(gòu)成了制定控制策略的依據(jù)。

所以，終端使用RTCP協(xié)議反饋RTP數(shù)據(jù)包的丟失率、傳輸抖動(dòng)等消息，服務(wù)器根據(jù)收到的RTCP RR包，進(jìn)行分析處理后動(dòng)態(tài)地切換視頻碼率。

2 終端流視頻碼率自適應(yīng)方案

流媒體視頻碼率自適應(yīng)[3]調(diào)整是一種反饋控制技術(shù)。它在服務(wù)器端和接收端之間建立一條反饋通道，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端網(wǎng)絡(luò)帶寬和丟包率來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端網(wǎng)絡(luò)狀況，根據(jù)當(dāng)前可用網(wǎng)絡(luò)帶寬和丟包率大小來估計(jì)終端網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際狀況，并據(jù)此動(dòng)態(tài)調(diào)整服務(wù)器端發(fā)送視頻碼率的大小。

2.1 首次接入碼率選擇方案

流視頻文件切換的代價(jià)是巨大的，不僅消耗網(wǎng)絡(luò)資源，而且占用移動(dòng)終端的處理能力，所以選擇一個(gè)合適的首次接入碼率傳輸非常重要。根據(jù)首次接入終端的網(wǎng)絡(luò)類型、當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)帶寬、當(dāng)前接入用戶數(shù)量、終端的處理能力等，選擇合適的碼率視頻文件，減少傳輸過程中碼率切換的次數(shù)。

考慮到高校學(xué)生接入無線網(wǎng)具有階段集中的特性，根據(jù)校園無線網(wǎng)絡(luò)接入終端的數(shù)量或無線網(wǎng)流量的大小，設(shè)置合適的首次接入碼率，然后結(jié)合剛接入無線網(wǎng)絡(luò)狀況預(yù)測(cè)進(jìn)行上下微調(diào)整，從而減少碼率切換次數(shù)，保證終端視頻播放的流暢度。

2.2 流媒體服務(wù)器碼率切換方案

流媒體服務(wù)器可以根據(jù)自適應(yīng)碼率控制算法[4]選擇不同的流視頻傳輸碼率[5]。例如，在實(shí)現(xiàn)中對(duì)包丟失率定義若干閾值，a：4%，b：8%，c：10%，d：12%；當(dāng)包丟失率處于(a，b](某個(gè)數(shù)值范圍)時(shí)，切換選擇文件庫中相應(yīng)碼率的流視頻。這樣需要同一視頻文件，有不同碼率等級(jí)的版本，對(duì)于電視直播流，也有不同碼率等級(jí)的文件。

本方案通過分布式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)，保證了點(diǎn)播和直播流視頻文件的實(shí)時(shí)提供，實(shí)現(xiàn)了從50 kb/s～300 kb/s的6個(gè)遞增的碼率等級(jí)。

2.2.1 分布式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)

針對(duì)滿足各終端環(huán)境對(duì)視頻轉(zhuǎn)碼工作的高要求，提出了基于Hadoop的使用實(shí)時(shí)調(diào)度策略的分布式轉(zhuǎn)碼方案，使用mapreduce編程框架和mencoder進(jìn)行分布式轉(zhuǎn)碼，達(dá)到嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)碼完成時(shí)間的目的。

(1)文件切割接口：cut fileName fileTime playTime

Cut是流視頻文件切割腳本，fileName表示要處理的流視頻文件，fileTime表示要處理的流視頻文件的總播放時(shí)間，playTime表示要切割成的每段流視頻的播放時(shí)間。

(2)文件轉(zhuǎn)碼接口：transcode fileName參數(shù) 1，參數(shù) 2，…，參數(shù) n

Transcode表示本地轉(zhuǎn)碼腳本，fileName表示要轉(zhuǎn)碼的文件名，參數(shù)表示對(duì)流視頻文件碼率等轉(zhuǎn)碼參數(shù)的設(shè)置。

當(dāng)流視頻文件切割處理結(jié)束后，系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)就會(huì)將各流視頻段分發(fā)到各子節(jié)點(diǎn)，各子節(jié)點(diǎn)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)調(diào)用轉(zhuǎn)碼腳本進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，最后存儲(chǔ)到流媒體服務(wù)器。

2.2.2 轉(zhuǎn)碼方案

源視頻分為點(diǎn)播流視頻和電視直播流視頻。

(1)點(diǎn)播流視頻轉(zhuǎn)碼：在離線狀態(tài)下，通過轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)預(yù)先壓縮一系列碼率（50 kb/s～300 kb/s）不等的流視頻文件存儲(chǔ)在服務(wù)器端。

(2)電視直播流視頻轉(zhuǎn)碼：因?yàn)殡娨曋辈チ饕曨l需要實(shí)時(shí)傳輸，這就需要轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼。系統(tǒng)實(shí)時(shí)地從視頻源獲得一定播放長(zhǎng)度的直播流視頻段，調(diào)用轉(zhuǎn)碼服務(wù)器系統(tǒng)轉(zhuǎn)成一系列碼率不等的流視頻文件，暫時(shí)存放在流媒體服務(wù)器。服務(wù)器根據(jù)碼率切換方案進(jìn)行調(diào)整。

2.2.3 碼率調(diào)節(jié)策略

當(dāng)估計(jì)到終端網(wǎng)絡(luò)丟包率突然上升、網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，降低服務(wù)器端發(fā)送視頻文件的碼率，保證用戶收看視頻的流暢度。在實(shí)現(xiàn)中，當(dāng)丟包率突然上升時(shí)，將發(fā)送的視頻文件降低2個(gè)碼率級(jí)別，因?yàn)閬G包率突然上升表明網(wǎng)絡(luò)環(huán)境惡化，很大程度上影響終端的正常播放。

當(dāng)丟包率下降時(shí)，延遲調(diào)整碼率，待丟包率趨于平穩(wěn)后，再調(diào)高碼率級(jí)別，以消去短時(shí)間內(nèi)丟包波動(dòng)的情況。

3 終端視頻碼率自適應(yīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能不同，整個(gè)系統(tǒng)可以劃分為分布式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼服務(wù)器、流媒體服務(wù)器和移動(dòng)終端三個(gè)部分，如圖1所示。

3.1 分布式實(shí)時(shí)調(diào)度轉(zhuǎn)碼服務(wù)器

分布式實(shí)時(shí)調(diào)度轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)主要將點(diǎn)播文件和電視直播源信號(hào)轉(zhuǎn)換成列碼一系列碼率不等的流視頻文件存儲(chǔ)在流媒體服務(wù)器。

3.2 流媒體服務(wù)器

流媒體服務(wù)器主要由以下4個(gè)模塊組成：

(1)首次接入碼率選擇模塊：根據(jù)首次接入終端的網(wǎng)絡(luò)類型、當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)帶寬、當(dāng)前接入用戶數(shù)量、終端的處理能力等，選擇合適的碼率流視頻文件，生成相應(yīng)的RTSP點(diǎn)播或者直播URL路徑，提供給終端。

(2)終端網(wǎng)絡(luò)狀況反饋處理模塊：主要是根據(jù)終端反饋回來的RTCP RR數(shù)據(jù)包，獲取丟包率、網(wǎng)絡(luò)帶寬等信息來估計(jì)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況，作為碼率切換模塊調(diào)整的依據(jù)。

(3)碼率切換模塊：通過預(yù)測(cè)得到的下一時(shí)刻丟包率、網(wǎng)絡(luò)帶寬等超過了切換門限值，就結(jié)束當(dāng)前碼率的視頻傳輸，切換到文件庫中合適碼率的視頻文件。

(4)RTSP傳輸模塊：該模塊主要將封裝好的RTP數(shù)據(jù)包發(fā)送給客戶端。

3.3 移動(dòng)終端

移動(dòng)終端主要由RTSP接收模塊、RTCP網(wǎng)絡(luò)狀況反饋模塊和視頻顯示模塊三部分組成。

(1)RTSP接收模塊：該模塊通過RTSP協(xié)議接收服務(wù)器端發(fā)送的RTP數(shù)據(jù)包，送給終端解碼器進(jìn)行解碼。

(2)RTCP網(wǎng)絡(luò)狀況反饋模塊：移動(dòng)終端通過RTCP RR包將丟失包的總數(shù)、包丟失率、平均延遲、延遲抖動(dòng)等消息發(fā)送給流媒體服務(wù)器，用來描述當(dāng)前終端的網(wǎng)絡(luò)狀況。

(3)視頻顯示[6]模塊：移動(dòng)終端通過解碼器解碼，播放視頻。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

分布式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)環(huán)境：分割服務(wù)器、Hadoop集群；流媒體服務(wù)器環(huán)境：ubuntu系統(tǒng)，dss達(dá)爾文開源流媒體服務(wù)器軟件；測(cè)試終端：1臺(tái)小米1s手機(jī)、1臺(tái)聯(lián)想筆記本電腦；電視直播源：機(jī)頂盒設(shè)備。

4.2 測(cè)試環(huán)境架構(gòu)

測(cè)試環(huán)境架構(gòu)如圖2所示。

(1)視頻源：點(diǎn)播文件手動(dòng)上傳到服務(wù)器，直播源由機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)頂盒實(shí)時(shí)提供。

(2)分布式轉(zhuǎn)碼服務(wù)器：由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和6個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成，主要是將流視頻文件轉(zhuǎn)成一系列碼率不等的視頻文件，提交給流媒體服務(wù)器。

(3)流媒體服務(wù)器：在ubuntu linux系統(tǒng)中安裝dss達(dá)爾文流媒體服務(wù)器軟件，通過RTSP實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶請(qǐng)求，提供流視頻調(diào)度和傳輸?shù)墓δ堋?/p>

(4)智能終端：分別使用小米1s手機(jī)和聯(lián)想筆記本電腦進(jìn)行測(cè)試，通過RTSP協(xié)議點(diǎn)播視頻，測(cè)試播放效果。

4.3 實(shí)驗(yàn)分析

圖3和圖4表示分別使用智能手機(jī)和筆記本電腦播放一段大約0.5 h的視頻時(shí)，網(wǎng)絡(luò)實(shí)際丟包率和流媒體服務(wù)器端相應(yīng)的碼率切換情況。從圖中可以看出，流媒體服務(wù)器根據(jù)終端反饋的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，很好地實(shí)現(xiàn)了碼率切換功能。整個(gè)測(cè)試播放過程中，視頻畫面清晰度會(huì)有多次的切換，尤其在丟包率變化很大時(shí)，畫面清晰度會(huì)有很大的差別，但都可以正常播放；當(dāng)丟包率超過16%時(shí)，網(wǎng)絡(luò)狀況太差，導(dǎo)致視頻播放出現(xiàn)不流暢，甚至有可能出現(xiàn)播放中斷。

整個(gè)測(cè)試過程，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，分布式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)很好地保證了直播流視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)提供，流媒體服務(wù)器監(jiān)聽用戶終端請(qǐng)求，及時(shí)響應(yīng)和提供視頻傳輸，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶終端網(wǎng)絡(luò)狀況反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)整視頻碼率，保證了用戶友好的收看體驗(yàn)。

在無線網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、易受到干擾的情況下，研究了碼率自適應(yīng)技術(shù)以提高用戶的收看體驗(yàn)。通過首次接入碼率選擇方案，減少了觀看過程中碼率切換的次數(shù)，有效地節(jié)省了資源。分布式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)碼系統(tǒng)解決了轉(zhuǎn)碼的需求，并保證了電視直播視頻轉(zhuǎn)碼的實(shí)時(shí)性。在視頻碼率切換模塊中，服務(wù)器使用閾值比較方案選擇下一時(shí)刻傳輸?shù)囊曨l碼率。這種方案考慮因素比較單一，精度不準(zhǔn)確，下一步工作會(huì)改進(jìn)選擇方案，增加計(jì)算網(wǎng)絡(luò)狀況的因子，以使碼率切換方案更加準(zhǔn)確，使終端觀看體驗(yàn)更加友好。

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