一種針對5G網絡環境的流媒體實驗床構建方案

高子航

【摘要】? ? 由于5G存在大帶寬、高可靠、低時延、密集連接等諸多顯著特性，對5G網絡協議與應用進行性能評測時，通常需分析諸多指標對網絡性能的影響。而目前針對5G網絡實驗床構建方式單一，測試鏈路速率低且端主機平臺受限，難以實現網絡性能的精準評測。流媒體作為5G生態下的典型應用，因此針對此類場景，設計了一種面向5G環境的流媒體實驗床。實驗結果表明，該實驗床可為5G流媒體業務提供有效的網絡測試環境，且能夠實現網絡性能的準確評估。

【關鍵詞】? ? 5G? ? 網絡實驗床? ? 流媒體

引言

隨著第五代移動通信（5G）技術的不斷發展，新的網絡協議和應用服務也隨之層出不窮[1]。因此，如何對5G技術下的新型協議和應用進行準確有效地評測，是目前通信領域亟待解決的一個問題[2]。傳統網絡性能評測方式主要以實測和仿真兩種環境進行[3]。其中基于實測環境的網絡評測，在5G網絡節點連接密集的特性下，實驗代價昂貴且難以重現，不利于測試數據的后續分析;而基于仿真環境的網絡評測，由于測試條件過于理想化，通常不能準確反映網絡實際性能，實驗結果缺乏一定信服度。

文獻[4]構建了車載自組網（vehicular Ad-Hoc network，VANET）下的5G流媒體系統，并通過ndnsim模塊對流媒體緩存和轉發策略進行仿真，但其測試環境僅限于特定框架，流量控制方式不具備多樣性。

文獻[5]利用滑模控制（Sliding Mode Control， SMC）實現一種P2P-TV流媒體節點上行速率控制算法，可在流媒體業務運行期間維持系統資源的公平利用，但未針對該模型進行全鏈路監測，不利于后期的快速測試與實地部署。

針對目前5G流媒體系統測試不便等問題，通過綜合考慮實測和仿真兩類網絡性能評測方式的不足，設計了一種面向5G環境的流媒體實驗床。該方案通過搭載至Linux操作系統的端主機，構建有效的5G流媒體業務測試環境，最終實現流媒體業務下對網絡性能的準確評估。通過在一定鏈路速率下對系統終端進行測試，可驗證本方案在真實環境中正確可行，且能夠實現5G網絡的流量控制。

一、5G流媒體實驗床架構

5G流媒體實驗床架構由視頻采集編碼模塊、流媒體服務器模塊和流媒體客戶端模塊三部分組成。其中由視頻采集編碼模塊主要負責對視頻流的獲取和處理，可在運行功能上分為兩部分，分別為視頻流接入和H.264編碼。5G流媒體實驗床整體架構如圖1所示。

視頻采集編碼模塊中的兩部分分別占用單獨線程進行處理，因此可保證在獲取視頻流之后，能夠實時對圖像進行H.264編碼，并將處理結果（圖像數據）存入臨時緩沖區。通過對視頻流的原始圖像信息進行采集，采集到的每一幀圖像都會被編碼器進行H.264編碼處理。編碼器通過調用編碼函數后，將數據存儲到臨時緩沖區中等待流媒體服務器模塊調用。

流媒體服務器模塊可通過指針調用臨時緩沖區中的編碼數據。當數據成功接收時，該模塊首先對數據格式進行檢驗，檢驗通過后將H.264數據進行格式轉換，采用實時流媒體協議（RTSP， Real Time Stream Protocol）將轉換數據封裝成實時傳輸協議（RTP， Realtime Transport Potocol）數據包[6]，同時將控制信息以實時傳輸控制協議（RTCP， Realtime Transport Control Potocol）進行封裝。RTSP協議棧架構如圖2所示。

流媒體客戶端模塊可向流媒體服務器模塊發送Options請求報文，并等待流媒體服務器響應。流媒體服務器對此報文進行響應后，客戶端會向服務器端發送Describe請求報文和Setup請求報文。當服務器接收這些報文，可成功建立服務器與客戶端之間的連接，同時客戶端可對服務器進行推送。一旦連接建立成功，客戶端就能夠向服務器發送Play請求，請求服務器對客戶端進行RTSP數據推送。在對該請求進行響應后，服務器便會進行RTP和RTCP的推送。推送完成后，客戶端和服務器通過Turndown報文結束連接。

二、仿真實驗及分析

本研究共設置3個主機節點h1、h2、h3，1個服務器節點server，1個路由器節點router，1個交換機節點switch，以及一個代理節點proxy。其中h1負責對server進行推流，而h2和h3則對server發送Play請求，實現視頻流的訂閱。5G流媒體實驗床的網絡拓撲如圖3所示。

根據實驗結果可知，h1節點已成功將視頻流推送至server節點，同時實現對圖像進行H.264編碼，完成臨時緩沖區的存儲。隨后可觀察到h2與h3節點已成功訂閱h1推送至服務器的視頻流，并保證RTSP單流的吞吐量穩定在384kb/s左右，主機節點吞吐量統計以及實時播放顯示如圖4與圖5所示。

三、結束語

本研究基于RTSP應用協議，設計實現了一種針對5G網絡環境的流媒體實驗床。該方案通過搭載至Linux操作系統的端主機，構建有效的5G流媒體業務測試環境，最終實現流媒體業務下對網絡性能的準確評估。通過在一定鏈路速率下對系統終端進行測試，可驗證本方案在真實環境中正確可行，且能夠實現5G網絡的流量控制。實驗結果表明，該實驗床可為5G流媒體業務提供有效的網絡測試環境，且能夠實現網絡性能的準確評估。

參? 考? 文? 獻

[1] Agiwal M， Roy A， Saxena N. Next generation 5G wireless networks： A comprehensive survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2016， 18（3）： 1617-1655.

[2] 楊芫， 徐明偉， 陳浩. 5G/后5G部署對互聯網主干影響的分析與建模[J]. 通信學報， 2019， 40（8）： 36-44.

[3] 蘇成龍， 金光， 張超. 多系統高速網絡實驗床構建與檢測技術研究[J]. 無線通信技術， 2016， 25（1）： 32-36.

[4] 曹騰飛， 江翠麗， 劉志強， 等. 基于信息中心5G車聯網中社會感知的流媒體緩存與轉發策略[J]. 電信科學， 2019， 35（12）： 90-98.

[5] 尹鳳杰， 楊暉， 張穎. P2P-TV 流媒體系統魯棒自適應速率控制算法及仿真[J]. 系統仿真學報， 2019， 31（1）： 120-125.

[6] 王超，王昊京. 基于RTSP服務器的望遠鏡流媒體實時傳輸系統的設計[J]. 電子技術與軟件工程， 2020（05）： 143-145.