基于衛星的流媒體應用技術研究

黃澤武 韓桂魯 李雙全

摘要：帶寬貴、時延大和誤碼率高是流媒體在衛星鏈路傳輸中亟待解決的三大問題。針對帶寬貴的問題，提出將傳輸鏈路根據特點進行分段并分別采用傳輸控制協議（TCP）和用戶數據報協議（UDP）協議，使得帶寬占用與在線客戶端數量無關，極大地提高衛星帶寬利用率；針對時延大的問題，提出將獲取流媒體的觸發機制采用終端主動拉取并加入過濾機制，在協議改造前提下使得已經存在媒體流只需要解碼時延而不需拉流時延，從而極大地縮減時延；針對誤碼高的問題，采用在流媒體源端進行冗余編碼的前向糾錯（FEC）方法，有效提高流媒體終端解碼的成功率，從而提升流媒體應用的用戶友好度。

關鍵詞：衛星傳輸；流媒體；UDP；FEC

隨著第4代移動通信（4G）技術的普及移動手持設備性能的飛速提升，流媒體服務如遠程監測控制、視頻會議、遠程教育、視頻點播、網絡直播等也得到高速發展。據統計：截至2017年6月，中國網絡視頻用戶規模達5.65億，較2016年底增加2 026萬人，增長率為3.7%；網絡視頻用戶使用率為75.2%[1]。

流媒體業務成為運營商繼語音、短信和數據業務之后的第4種基本業務。所謂流媒體就是指采用流式傳輸技術在網絡上連續實時播放的媒體格式，如實時音視頻或多媒體文件。流媒體技術就是把連續的音視頻信息經過壓縮處理后放上網站服務器，由流媒體服務器向用戶順序或實時地傳送各個壓縮包，讓用戶一邊下載一邊觀看、收聽，而不需要等整個壓縮文件下載到自己的計算機上才可以觀看的網絡傳輸技術[2]。目前，流媒體服務主要基于客戶端/服務器（C/S）架構實現，其架構圖如圖1所示。

然而，因為高昂的建設成本導致地球表面依然有很多沒有被蜂窩移動信號覆蓋，比如大海、沙漠、高山、邊緣地帶等。衛星通信因其自身特點使其成為一種重要的移動通信的補充手段。具體而言，衛星傳輸鏈路具有如下優勢：

（1）覆蓋范圍廣。對地面的情況如高山海洋等不敏感，可以在業務量比較稀少的地區提供大范圍的覆蓋，在覆蓋區內的任意點均可以進行通信，而且成本與距離無關[3]。

（2）通信質量好。衛星通信中電磁波主要在大氣層以外傳播，電波傳播非常穩定。雖然在大氣層內的傳播會受到天氣的影響，但仍然是一種可靠性很高的通信系統。

（3）成本低廉。衛星通信系統由衛星端、地面站、用戶端3部分組成，除衛星固有成本外，只需要建設地面站，而無需其他的地面施工，因此衛星網絡建設速度快、成本低，運行維護費用也相對低。

由于衛星信道具有與地面信道不同的一些特點，導致基于衛星傳輸的流媒體應用發展非常緩慢。具體而言，基于衛星傳輸的流媒體應用主要有以下問題：

（1）低帶寬、高費用。衛星頻譜是寶貴的有限資源，因此價格昂貴，例如：Ku波段的頻率范圍是12.4～18 GHz，衛星發射機只有54 Mbit/s帶寬，且費用高昂。然而，流媒體因自己特點導致對帶寬占用較大，例如：采取H264編碼、1 920×1 080分辨率和24幀/秒的視頻傳輸需要的帶寬為256 kbit/s，此視頻僅傳輸成本約20萬元人民幣。

（2）較長的通信延時。衛星傳輸距離遠且通過無線電波傳輸導致通信延時較大，例如：典型的衛星通信延時在540 ms 左右，傳輸控制協議（TCP）3次握手的延時可達到1.5 s，此性能對于實時多媒體系統是無法接受的。

（3）高誤碼率。衛星采取無線電波傳輸，其受環境、天氣、太陽活動等各方面影響較大，從而導致實際的衛星通信中有較高的誤碼，由此對多媒體應用的用戶體驗極為不利，而如果采取TCP進行重傳會降低TCP的發送窗口，從而會引起傳輸的帶寬利用率下降[4]。

一般來說，流媒體應用對于數據流暢度要求大于數據傳輸穩定性，也就是說用戶對于流媒體卡頓忍耐度小于數據花屏或者清晰度下降。針對流媒體應用特點和衛星傳輸的特點，文中我們提出一種基于一種TCP疊加用戶數據報協議（UDP）混合分段傳輸優化組合技術方案，以滿足衛星傳輸流媒體應用。

1 適合基于衛星傳輸的

流媒體系統架構

基于衛星傳輸的流媒體系統的傳輸有2部分：一部分與傳統流媒體系統相同，均基于固網傳輸；另一部分是基于衛星反射廣播傳輸。衛星鏈路的傳輸層不適合采用面向連接的協議，因此我們提出了一種TCP疊加UDP混合分段傳輸方式的基于衛星通信的流媒體系統，其架構圖如圖2所示。

圖2中重要部分的功能描述具體如下：

（1）實時多媒體源對多媒體進行采集、編碼、壓縮、音視頻混合等操作形成原始實時流媒體，然后將實時流媒體源與直播流媒體服務器采用傳輸層TCP協議建立連接，并且將原始實時流媒體推送到直播流媒體服務器之上。

（2）因衛星傳輸中誤碼率較高，故直播流媒體服務器在接收實時多媒體流之后，采用前向糾錯碼（FEC）算法對實時流重新編碼；然后對實時多媒體流轉碼、加密；同時，可將編碼后的實時多媒體流轉存到點播多媒體服務器形成多媒體文件。

（3）因衛星帶寬較昂貴，為避免無用戶觀看的流占用帶寬，本流媒體系統故采用終端觸發媒體流下發的機制；終端采用TCP協議與直播流媒體服務器和點播多媒體服務器建立連接，如果衛星空口上沒有待拉取的媒體流，則反向代理服務器向媒體流服務器拉取相應的媒體流；如果衛星空口上已經存在待拉取的流，否則終端直接從衛星空口接受廣播數據進行解碼即可。

（4）多媒體服務器（包括直播和點播）與反向代理服務器建立TCP連接，將相應的流推送到反向代理服務器；反向代理服務器將接收到的流進行協議轉換，去除TCP包頭并添加UDP包頭，然后轉發到衛星轉發器繼而將媒體流推送到衛星上，衛星采用下行廣播的方式將流媒體流下發到各個地面接收器。

（5）終端通過UDP協議接收與反向代理服務器協商好的組播組接收多媒體流，然后對多媒體流進行緩沖、解密、音視頻解碼、FCE糾錯、渲染、呈現等處理。

綜上所述，本系統具有如下幾個重大改進點：

（1）大幅度縮減帶寬占用。假設一路多媒體流占用256 kbit/s帶寬，如果有1 000路視頻且同時有1萬觀眾觀看，新系統的帶寬占用只有傳統流媒體系統帶寬的0.01%（因傳統流媒體系統將占用2.560 Tbit/s帶寬，而采用本文系統將只占用256 Mbit/s）。從上述結果看：本系統占用的帶寬只與流媒體源的數量有關，而與終端用戶的數量無關。

（2）傳統流媒體系統與本系統無縫對接。因本系統也有基于傳統互聯網傳輸鏈路，使得本系統可以與傳統流媒體系統無縫對接。具體而言，從終端用戶角度看，可以無感知地接入衛星網絡和微蜂窩網絡并無縫切換。從系統開發者角度看，其使用方法和與傳統流媒體系統沒有區別，可實現平滑對接和部署。

（3）大幅度減少時延問題。在本系統拉流時，反向代理服務器會判斷媒體是否已經下發，所以本系統的時延只在流媒體首次拉取時發生。對于已經下發的流媒體，新用戶拉取時是從衛星終端拉取而不需要從流媒體服務器拉取，從而大大縮短延時，從而大幅提升用戶體驗。

（4）有效部分解決誤碼問題。本系統采用FEC算法進行解決，因為傳輸數據有冗余導致對帶寬略有損失，但這樣避免終端經常出現的花屏，從而有效提升用戶體驗。

2 適合基于衛星傳輸的

流媒體系統關鍵技術

為了使本系統充分利用衛星傳輸特點，我們做了大量創新，本節著重講解衛星傳輸在流媒體應用的相關部分。將圖2的反向代理至終端部分，細化即為圖3。

如圖3所示，衛星鏈路傳輸主要包括反向代理服務、基帶處理單元、衛星地面轉發器、通信衛星、衛星地面接收器、衛星信號分發器及終端設備。反向代理與基帶單元在同一個層二網絡中，且一般部署在運營商的機房中且只有內網IP，因此需要一般通過機房的網絡地址轉換（NAT）機制與公網進行通信。衛星接收機只需要在通信衛星覆蓋范圍內即可，且不限制數量，此設備負責接受/發送衛星鏈路數據并進行傳輸協議解析轉換。

為了更加清晰描述上述各設備在流媒體系統中發揮作用，下面我們實例化手機端從流媒體服務器中下拉多媒體流的過程，如圖4所示。

針對圖4，需要特別說明2點。

（1）關于多路媒體流。反向代理收到拉取的流媒體數據后，將數據包中包頭去掉，重新封裝UDP包頭。此時轉發給基帶單元協商好的固定IP和特定組播組發送。由于有多路流，為了避免多路流相互影響，端口就是一個范圍，并且反向代理服務器向基帶單元轉發時選擇一個未使用的端口即可，并將組播組詳情通知到分發器和終端，這樣分發器和終端才從對應的組播組分發和接收數據。

（2）關于節省帶寬，主要采取3種方法：首先，因為衛星鏈路具有廣播特性，當一個流媒體被終端拉取后，除此終端對應的分發器能接受到此流數據外，處于衛星覆蓋范圍的所有的分發器都可以接受到媒體流數據，那當其他分發器下的終端拉取此媒體流時，不需要再拉取流從而節省帶寬，如果沒有請求此媒體流，那么分發器可以直接拋棄此媒體流數據；其次，對于已經被終端拉取的多媒體流，如果同一個分發器下的其他終端也需要獲取相同的多媒體流，此時其將請求流ID發送給分發器，分發器將相應的流復制一份給此終端，不再需要從流媒體服務器上拉取，這樣也解決大部分用戶的流媒體延時長的問題，提示用戶體驗友好度；最后，反向代理將拉流情況進行記錄，當某一路所有的用戶都沒有查看時，反向代理服務器主動斷掉從流媒體服務器獲取媒體流數據，這樣既可避免衛星帶寬的占用，又可以節省Internet的帶寬。

3 試驗結果

關于文章提出的基于衛星鏈路的流媒體系統的測試，針對上文中提到的衛星傳輸的帶寬貴、時延大、誤碼高的3個問題，我們主要從帶寬占用、用戶延時2個方面進行測試。

針對帶寬占比測試，我們采用一路媒體源，因為基于衛星鏈路，故視頻參數設置較低，通用影像傳輸格式的攝像頭的比特率為64 kbit/s。終端采用2種模式：使用傳統方案即基于TCP模式；使用本文所提方案。主要關注點是隨著終端的增加（從100個用戶增加到1 000個用戶），衛星空口帶寬的占用情況，其具體的測試結果如5所示。

從圖5來看：本文所提的系統架構的衛星帶寬占用至于流媒體源大小有關，與用戶數無關；而傳統的系統架構不但與流媒體源大小有關，而且與用戶數成直線關系。

關于用戶時延測試，本文系統的優勢主要在于已經下發流的用戶接入情況。針對時延測試，主要有2種場景：觀看當前無人觀看的實時流；觀看當前已經有人觀看的實時流。終端采用2種模式：使用傳統方案即基于TCP模式；使用本文所提方案。測試結果如圖6所示。

從圖6來看，對于流媒體第1次下發，2種統架構時延基本持平；而對于已經下發的流，其他用戶再次請求此多媒體流時，其延時急劇降低，幾乎為常量，究其原因是分發器組播的設計。

5 結束語

衛星作為移動通信的有效補充手段，有著部署便利和運維成本低等優勢，但帶寬貴、時延大、誤碼高等問題影響基于衛星鏈路的多媒體應用。通過協議改造、架構優化、冗余糾錯等相關手段，可以提高衛星傳輸的性能，改善衛星作為多媒體特別是流媒體的媒介功能，對移動通信網絡系統的擴展至關重要的作用。

參考文獻

[1] CNNIC.第40次中國互聯網絡發展狀況統計報告[R].北京：中國互聯網絡信息中心， 2017

[2] 吳莉莉，劉益成. 流媒體技術及應用[J].信息技術，2002， （1）： 39-41

[3] 劉旭東，王罡，馬杏池，等.衛星通信技術[M]. 北京： 國防工業出版社， 2000

[4] 車晴，王京玲. 數字衛星廣播系統[M]. 北京：北京廣播學院出版社， 2000