流媒體視頻實時傳輸在消防應急通信中的應用研究

■ 王志強 赤峰市森林消防支隊

流媒體視頻的實時傳輸是一種在數據網絡上以流的形式進行多媒體信息實時傳輸的技術。近年來，隨著互聯網的發展和用戶需求的提高，針對流媒體視頻實時傳輸的應用也受到了越來越多的關注，也是未來寬帶網絡發展的主流趨勢之一。但是，當前應急救援任務中最為突出的消防應急通信系統，由于條件的限制，目前大多數還只是采用相對落后的技術設備，對于災害事故還缺乏實時監控和信息傳輸，這就造成現場的指揮模式無法滿足快速反應、正確決策的現象。因此，文章針對當前消防應急通信系統的研究現狀，就流媒體視頻實時傳輸技術的應用進行闡述，以求為消防應急通信保障的研究提供技術支持。

一、流媒體實時傳輸技術

（一）流媒體技術概述

在Internet/Intranet 中使用流式傳輸技術的連續播放媒體就稱為流媒體。當前針對互聯網上的視頻等多媒體信息傳播的方法大致有兩類：一類是下載；另一類是流式傳播。但受傳輸速度制約，與流式傳播的方法相比，下載時所需的存儲容量大，因此使用流式傳送的方法就比較便捷，它通常是把音頻、影像或動畫等內容利用音視頻服務器向終端用戶進行連續的實時傳送，只需要經過幾秒鐘的啟動延時便可以進行播放。

實時流媒體服務器通過不同傳輸層的協議將多媒體數據傳送到客戶端。因此，根據傳輸層采用的不同傳輸協議，可以將實時流媒體傳輸協議分為兩類：一類是使用開銷較小的無連接傳輸協議UDP 作為其傳輸層的協議，比如，RTP、RTMFP 等；另一類是使用可靠的面向連接的TCP 協議作為其傳輸層協議，比如，RTMP 等。當然，流媒體在傳輸過程中也不可避免地因為受到干擾影響流暢度，因此，對于流媒體流暢度的提高是現今研究的重點，當前已有的比如可以通過優化帶寬自適應方法改善流暢度，還可以通過P2P 平臺、Spark 開源分布式計算平臺、Symbian 平臺等軟件平臺進行提升。

（二）流媒體擁塞控制算法及自組網模式

1.流媒體擁塞控制算法

TCP 協議提供端到端的可靠服務和QoS，其擁塞控制機制是端到端吞吐量控制的最重要方式，所以起初對于擁塞控制機制的研究，都是圍繞TCP 協議的擁塞控制。TCP 協議的擁塞控制對報文往返時間、數據包大小、網絡阻塞程度、發送端都能進行相應的反饋處理，因此在某種程度上可保證給接收端分派同等的網絡帶寬，確保所有客戶的公平性。

發生擁塞時，TCP 協議會讓傳輸速率減半，這會造成網絡狀態的突然劇變，這明顯不適合多媒體視頻的流式傳輸，會導致客戶端聲音和圖像的劇烈變化，帶給用戶非常糟糕的視覺感受。目前普遍的解決方案是在流媒體服務器創建緩沖區域，利用緩沖機制緩和傳輸速率的瞬間變化，使數據流平滑地傳送到用戶端的流媒體播放器。當然，引入緩沖機制，會導致發送端到接收端的傳輸時延增加。

2.自組網模式

（1）以地面為主。有時也稱為“天星地網”結構，衛星以中繼信號的形式在網絡中提供服務。有時會利用星間鏈路技術實現衛星間信息傳遞，但通常做法是盡快將信息回傳至地面站進行后續傳輸。這是包括Iridium在內的現有衛星通信網絡的使用形式。

（2）以衛星為主。衛星負責整個網絡的管理工作，有時也有地面站協同管理。在這類研究中，多層衛星網絡（例如，由GEO、MEO 和LEO 三層衛星組成的多層網絡）常常被使用，其中處于高軌的衛星通常作為控制單元和骨干網絡，處于低軌的衛星負責信號中繼傳輸。

（3）完全融合。衛星網絡和地面網絡享有相同的優先級?？捎蓛刹糠志W絡協同負責網絡管理（中心化網絡管理），也可由各節點自主適應網絡情況變化實現信息傳輸（去中心化網絡管理）。

（三）視頻流的網絡傳輸方式

對于視頻流的網絡傳輸主要分為以下幾個方面：

1.單播

這種方式是指能夠在客戶機與服務器之間建立一個單向通道以供其進行數據傳輸。各個客戶端可以查詢所屬的服務器，而服務器可以實現將客戶機所申請的信息數據發送到客戶端。這種方式會影響信息傳遞的效率，服務器對于受到的信息也很難及時做出反應。為了確保網絡的服務質量，需要增加一些不是很必要的硬件，不僅增加成本，還會影響整體工作質量。

2.組播

由路由器通過IP 組播的技術進行網絡的構建，一次可以實現多個數據通道的傳輸，并且傳輸的數據是連續的，可以發送到相當數量的客戶端，延遲較短，可以忽略不計。同時信息的傳輸可以發送到任意地址的客戶端，不再局限于單個通道，這極大減少了數據傳輸的總量，降低了成本，提高了網絡的使用率。

3.點播和廣播

點播是指客戶機發出數據，請求服務器進行傳輸。這種方式首先是要選擇所要聯系的內容。點播方式可以實現對數據流的控制，但是會在很短的時間就消耗完現有網絡帶寬。

廣播是用戶被動地接收服務器傳輸的信息。在廣播的過程中只能接收，不能控制，也就是說不能進行快進、后退等操作。

二、流媒體視頻服務器模塊

流媒體服務器主要包含兩項服務：一是RTSP 服務，二是流媒體轉發服務。RTSP 服務是整個系統通信中的關鍵部分，主要負責系統中信令消息的交互處理及視頻流鏈路的會話管理，可以增強整個系統的負載能力；流媒體轉發服務采用的是模塊化設計，各個模塊之間采用高內聚低耦合、按功能劃分的原則，主要分成了四個模塊，即流媒體接收模塊、流媒體處理或過濾、流媒體發送模塊、RTCP 控制模塊。各模塊主要負責的功能如下：

（一）流媒體接收模塊

流媒體接收模塊可以按照不同媒體格式分成若干子模塊，分別處理來自不同媒體的數據，它只負責媒體數據的來源，而不關心媒體數據的去向，也不關心媒體數據是否被轉發或中間是否被處理、過濾等。它只需要在允許的緩存空間中盡量接收數據，提供給其他模塊使用。

（二）流媒體處理、過濾

在整個系統中，流媒體處理、過濾不是一定需要的，針對不同的業務，可以靈活地加入系統，主要對來自流媒體接收模塊的媒體數據進行相應的處理或過濾掉一些不需要給流媒體發送模塊的數據。

（三）流媒體發送模塊

當流媒體數據已經就緒的情況下，流媒體發送模塊只需要負責將流媒體數據發送到相應的播放器端，而不關心發送媒體數據的類型、格式及來源。本系統傳輸流媒體數據的方式是TS/RTP/UDP 的方式，所以本模塊只負責將讀入的TS 流打包成RTP 包發送到相應的播放器端就行。

（四）RTCP 模塊

對流媒體傳輸的信道信息進行反饋，從而讓服務端和移動端做出相應調整。媒體管理為RTSP 服務和流媒體轉發服務提供橋梁，每個通道管理著一種類型流媒體的傳輸工作。媒體管理可以同時管理多個媒體通道，每個媒體通道管理著各自RTSP 請求的流媒體轉發相關工作，它并不關心流媒體是如何傳輸處理的，這樣的設計能讓RTSP 服務和流媒體轉發服務完美結合，讓各個功能模塊充分解耦，使整個系統也更加具有擴展性，更能適應今后不同場景的消防應急救援工作狀況。

在當今科技飛速發展的時代，流媒體視頻的應用日益廣泛，在傳輸過程中除了自身服務器外，還會與其他模塊相結合，比如，無人機、手機、平板、導播臺等，具體模塊如圖1所示。

三、流媒體視頻實時傳輸在消防應急通信中的應用

流媒體視頻實時傳輸系統包括固定視頻傳輸系統和移動視頻傳輸系統兩大類：

（一）固定視頻傳輸系統

對于流媒體實時數據傳輸的固定視頻傳輸，是指在某些地區不便于實現有線通訊的，或者由于環境影響而無法實現重大災害事件監測的場所，包括高山密林、高層建筑、地下工程、大中型的石化公司、人員密集場所、易燃易爆場所等。通過利用流媒體實時數據傳輸，指揮中心的監測人員能夠及時了解所有重點區域的安全狀況，從而可以及時發現危險隱患并將其消除。如果出現重大災害事件時，還可以在最短的時限內及時掌握現場救援的一手資源，讓現場實時感知，讓指揮變得可視，為事故偵查和消防應急救援提供可靠的技術基礎，使應急救援的效能得到明顯提升。

（二）移動視頻傳輸系統

隨著當前移動設備的發展，流媒體視頻實時傳輸需要加入GPRS 技術，這樣方便實現隨時隨地、實時地傳輸視頻，同時還可以對其位置進行定位，方便位置的查找。移動視頻傳輸系統主要是在應急救援場景下對多媒體信息進行即時、動態的采集與管理，從而把現場的圖像信息直觀、精確地分發至指揮中心以及各級指揮員處，使其能夠對現場情況進行實時把控，使指揮救援更加高效。

按照移動視頻數據傳輸終端所屬的部位以及指揮層次的不同，可分成“單兵模式”和“中繼模式”兩類。

第一，“單兵”模式。即通過派出單兵前端，就能實現對救援現場的可視化，指揮車也能夠及時將收集到的現場音視頻加以管理，對單兵進行實時指揮處置。

第二，“中繼”模式。即在“單兵裝置”模式的基礎上，經過現場技術測量后，在確定的制高點上或地下適當轉彎處等便于通信的有利地點建立中繼，以確保通信網絡能夠覆蓋整個指定或全部的主要地區，并同時設置通信干點，或連接有線專網，以確保在應急網絡范圍內的一線災害信息能及時傳送到各級指揮中心，以求實現首長機關的指揮工作人員都能隨時監控災情，最終決勝于千里之外。并且還可以對現場處理工作進行錄像，方便后期進行回放總結。

四、結語

當前，雖然流媒體視頻實時傳輸已經在眾多領域中得到了廣泛應用，但是對于消防應急通信中的應用還未成熟，視頻信號對傳輸的需要和實際環境之間還存在矛盾，致使其在未來的發展還有很多的挑戰。文章對于流媒體視頻實時傳輸在消防應急通信中的應用研究已經取得了一些成果，未來還需要不斷加強對流媒體視頻實時傳輸技術的研究，從而完善流媒體視頻實時傳輸在消防應急通信中的使用性能，不斷提升消防應急救援工作的效率，從而更好地完成應急救援任務。