移动流媒体技术及其应用-论文(1).doc

安康学院学年论文设计 安康学院 学年论文设计题 目 移动流媒体技术及其应用 学生姓名 刘玲 学号 0828024057 所在院(系) 电子与信息工程系 专业班级 08级电子信息工程 指导教师 李美丽 2010年7月2日移动流媒体技术及其应用作者：刘玲（安康学院电子与信息工程系电子信息工程专业08级一班，陕西 安康 725000）指导教师：李美丽【摘 要】本文介绍了移动流媒体的基本技术特征，详细阐述了流媒体的相关技术，包括传输流程、系统结构，网络协议等，及其核心技术协议与平台H.264，还指出了移动流媒体在发展过程中出现的问题，最后对其技术应用进行了展望。【关键词】移动流媒体；传输协议；流媒体技术；流媒体技术应用Mobile streaming media technology and its applicationAuthor:Liu Lling(Grade2008,Class1,Major :Electronic and information engineering，Electronic and information engineering Dept，Ankang University，Ankang 725000，Shaanxi）Directed by Li MeiliAbstract：This article first briefly introduces the character of streaming media and related technology ,include the transport flow, system structure, network protocol, etc, and its core technology agreement and the platform - H.264, also pointed out the problems exist in the development process of mobile streaming media, finally, the article discusses the technical application .Keywords: mobile streaming the protocol of media transfer streaming media technology the application of streaming media technology0 引言在手机增值业务市场,开展过许多丰富的业务,如短信、彩信等。这些业务有了交互,开展的也不错,但它们传输的主要是静态的图像和文字内容。随着2.5G、3G等下一代高速移动通信技术以及无线局域网的飞速发展和逐渐成熟,以及手机、PDA等移动终端的不断完善,移动通信网不仅能够提供传统的话音业务,还能提供高速率的宽带视频业务,支持高质量的话音、分组数据业务以及实时视频传输。这样就很自然地加强了多媒体应用的需求。随着手机增值业务的不断发展,视音频流媒体业务将会成为一个热点,通过手机实现视频点播、收看视频节目将成为最能吸引用户的业务4。目前国内已经成熟的2.5G移动通信网络,在实际的应用中, GSM和CDMA网络的带宽已达到几十kb/ s ,对于经历了拨号上网的流媒体来说,在速率上已经足够,而且随着3G时代的来临,提供几百kb/ s的带宽更是不成问题。并且,移动网络是可控的网络,盗版不容易获取,运营商可以很容易地从用户收到费用。移动流媒体摆脱了有线的限制,用户可以随时随地、随心所欲地获取服务。1 概述流媒体 (Streaming Media)是一种在网络上实时顺序地传输和播放视/音频等多媒体内容的连续时基数据流，流媒体技术包括流媒体数据采集、视/音频编解码、存储、传输、播放等领域。流媒体其实是一种多媒体文件，在网络上传输的过程中应用了流技术。流式传输则把多媒体信息通过服务器向用户实时地提供,不必等到整个文件全部下载完毕,而只需经过几秒或几十秒的启动时延即可播放,之后，客户端边接收数据边播放。与下载方式相比, 流式传输具有显著的优点：一方面大大地缩短了启动延时,同时也降低了对缓存容量的需求；另一方面，又可以实现现场直播形式的实时数据传输，这是下载等方式无法实现的。移动流媒体技术是网络音视频技术和移动通讯技术发展到一定阶段的产物1。1.1流媒体的传输方式实现流式传输主要有两种方法： 实时流式传输（Real time Streaming)和顺序流式传输(Progressive Streaming）。具体如下：实时流式传输指保证媒体信号带宽与网络连接带宽匹配，使媒体可被实时看到。实时流与HTTP流式传输不同，它需要专用的流媒体服务器与传输协议。实时流式传输特别适合现场事件，也支持随机访问，用户可快进或后退以观看前面或后面的内容。顺序流式传输只适合于传输高质量的短片断，如片头、片尾和广告，而不适合长片段和有随机访问要求的视频，如讲座、演说与演示，不支持现场广播3。1.2流媒体的传输流程如图1 所示，流媒体的具体传输流程如下：（1）Web浏览器与Web服务器之间使用HTTP/TCP交换控制信息,以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索出来；（2）用HTTP从Web服务器检索相关数据,A/V播放器进行初始化；（3）从Web服务器检索出来的相关服务器的地址定位A/V服务器；（4）A/V播放器与A/V服务器之间交换A/V传输所需要的实时控制协议；（5）一旦A/V数据抵达客户端,A/V播放器就可以播放了。实现流式传输一般都需要专用服务器和播放器，其基本原理如图所示4图1 流媒体传输流程1.3流媒体传输的网络协议(1)实时传输协议RTP、RTCP RTP 与RTCP的配合使用可有效地进行反馈，从而减小开销，提高传输效率，非常适合传送网上的实时数据。 (2)实时流协议 RTSP (Real-time Streaming Protocol)地通过IP网络传送多媒体数据。在数据选择传送通路和传送机制上都遵循底层的RTP或TCP协议。它能够为单点传送和多点传送流式多媒体提供很高的播放性能，同时也能够兼容不同厂商的发送端和接收端的应用程序。(3)资源预订协议RSVP(Resource Reserve Protocol)RSVP是Internet上的资源预订协议，使用RSVP预留一部分网络资源（即带宽），能在一定程度上为流媒体的传输提供QoS3 。2 移动流媒体相关技术2.1移动流媒体业务的系统结构现存流媒体解决方案采用的技术是多样的，但其体系结构的本质是相近的。流媒体的体系构成：编码工具：用于创建、捕捉和编辑多媒体数据，形成流媒体格式；流媒体数据；服务器：存放和控制流媒体的数据；网络：适合多媒体传输协议甚至实时传输协议的网络；播放器：供客户端浏览流媒体文件（通常是独立的播放器和ActiveX方式的插件）。典型的移动流媒体业务系统结构主要包括流媒体终端（客户端）、移动通信接入网、移动通信分组核心网、IP网络、流媒体内容服务器、流媒体内容缓冲服务器、直播内容采集服务器、用户终端档案服务器、接入门户、综合业务管理平台、DRM（数字版权管理）服务器等。其中，流媒体内容服务器（包括媒体制作和内容管理）、内容缓冲服务器和直播内容采集服务器是移动流媒体系统的核心功能实体，而用户终端档案服务器、综合业务管理平台（ 或业务管理服务器）、DRM服务器以及接入门户等作为公共的业务功能实体，构成了流媒体服务器的外围功能实体。移动流媒体业务的系统结构如图2 所示。 内容服务器为移动流媒体业务平台的服务器，是提供移动流媒体业务的核心设备，主要负责移动流媒体内容的保存、编辑、格式转换等，功能还应包含SP/CP和用户的管理等方面。 缓冲服务器用于在运营商无法直接提供内容，而需要在用户访问的时候向流媒体内容服务器获取内容并进行缓存。在用户访问并播放远端的流媒体内容时，内容缓冲服务器使得媒体内容更靠近用户，可以平滑IP网络造成的时延抖动。 直播内容采集服务器对电视信号或实时监控信号进行编码，将需要传送的内容自动制作编码成符合用户使用要求的流媒体数据流，并转发给流媒体终端。它可与内容服务器合设，也可单独设 置。 用户终端档案也可以称为用户设备能力数据库，主要用于终端的流媒体业务支持能力协商。 DRM服务器（数字版权管理）负责流媒体内容的数字版权管理，可以是移动流媒体业务专用的DRM服务器，也可以作为公共的DRM服务器为其他业务提供数字版权管理的功能。 综合业务管理平台负责SP/CP的管理，包括鉴权和认证等。 接入门户可实现用户浏览移动流媒体内容的入口和导航功能，可进行用户个性化设置、QoS设置等，并可实现业务推荐和排行、流媒体业务预览和查询界面等功能，还可为不同类型的终端提供不同的业务界面和业务集合5。2.2移动流媒体格式当前移动流媒体采用的主流媒体格式有3GPP、3GPP2 、MPEG24 、RM等,下面分别予以介绍。2.2.1 3GPP3GPP(3rd Generation Partnership Project ,第三代合作伙伴计划) 是于1998年12月制定的,它是一份由几个电信标准化组织共同起草的合作协议,利用WCDMA无线通信技术,制定全球适用的基于GSM网络的第三代移动技术规范。2 .2.2 3GPP23GPP2是3GPP的姐妹计划,于1999年1月制定。它是建立在CDMA2000无线通信技术基础上的第三代技术规范。 2.2.3 MPEG24MPEG24 标准设计的目的是在低码流的情况下提供高质量的音视频。最初是针对互联网上的用户传输多媒体信息,后来由于无线技术的发展,能够在移动终端提供多媒体服务,MPEG24也就被引入无线传输领域,其中MPEG24 中的视频CODEC被3GPP和3GPP2组织采纳作为视频标准。同时MPEG24的文件格式。mp4和音频格式AAC都成为移动流媒体的标准。2.2.4RMRM 格式是Real Networks 公司开发的一种流媒体视频文件格式,它主要包含RealAudio、Real Video 和Real Flash 三部分。Real Media 可以根据网络数据传输的不同速率制定不同的压缩比率,从而实现低速率的Internet上进行视频文件的实时传送和播放。2图2 移动流媒体业务的系统结构3 移动流媒体核心技术协议3.1移动流媒体核心技术协议 H.264协议移动流媒体传输视频数据都采用H.264视频压缩算法进行压缩，以适合无线传输的低带宽编码 (15-25 kpbs) 可以传输更好质量的图像，或者用更少的带宽传输相同质量的视频。H.264/MPEG-4 AVC 是目前最新、最有前途的视频压缩标准。H.264是由ITU-T和ISO/IEC组成的联合视频组（JVT ）共同开发的最新国际视频编码标准。国际电信联盟将其命名为H.264/AVC。国际标准化组织和国际电工委员会将其称14496-10/MPEG-4 AVC。通过该标准，在同等图像质量下的压缩效率比以前的标准提高了2倍以上，因此H.264被普遍认为是最有影响力的行业标准。H.264标准只有三个子集:基本子集、主题子集和扩展子集。基本子集是专为视频会议应用设计的，这套标准几近完美，能够提供强大的差错隐消技术。应用该技术，即使在Internet这样的易错网络上也可以得到较好的视频效果，并且支持低延时编/解码技术，使视频会议显得更自然。主题子集和扩展子集更适合于电视应用（数字广播、DVD）和延时显得并不很重要的视频流应用。H.264协议最大的优势体现在以下10个方面：将每个视频帧分离成由像素组成的块；采用空间冗余的方法，对视频帧的一些原始块进行空间预测、转换、优化和可变长编码；对连续帧的不同块采用临时存放的方法，这样，只需对连续帧中有改变的部分进行编码；采用剩余空间冗余技术，对视频帧里的残留块进行编码；在同等的还原图像质量的情况下，H.264要比MPEG-4节省50% 以上的码率； 允许流媒体在更低的带宽上传输，节省带宽资源适用性强；具备从电话应用到高端广播和存储应用的各种类型；有较强的容错能力，在质量不稳定的网络环境中，可以得到较好的质量；低处理时延：为了保证解码的视频获得很好的质量，视频数据的处理和传输时延必须最小化。在编码过程一个较大的处理时延会导致视频队列重新组合的混乱。时延是编码、网络和解码时延的总和。为了将时延最小化，必须在编码和解码过程中进行最小时延的处理； 优秀的图像质量。H.264协议的优势和特征说明，虽然早期的视频编码标准如MPEG-4和H.263可以为移动应用提供充分的视频图像质量，但最新的视频编码标准H.264可以将移动应用面扩大和提供更强有力的服务，因此H.264协议会成为移动流媒体技术的核心协议3。3.2移动流媒体技术平台 H.264移动流媒体内容分发网络（MSM-CDN）3.2.1 MSM-CDN的概念和特点移动流媒体内容分发网络（MSM-CDN Mobile Streaming Media Content Delivery Network）是一种覆盖在现有IP网络上的复合虚拟网络，它通过叠加的服务器实现端到端的媒体传输以及网间的媒体服务。它的特点是由一系列被管理或者自管理的节点组成的，它们相互协调地为移动用户传输流媒体，这些叠加的节点在网络中起到了关键控制点的作用，大大提高了端到端的流媒体传输的性能。MSM-CDN具有资源利用率高及时延小等优点。 3.2.2 MSM-CDN的系统结构 一个端到端的媒体传输系统必须满足许多系统要求。首先，该系统必须和已经存在的基础系统能同时使用。其次，该系统必须灵活地允许不同系统的定制；这样，系统就能够通过不断地升级来适应不断发展的用户需求和系统使用模式；这种灵活性基本可以通过模块式设计来完成。最后，该系统必须是自我管理或者是被管理的，让网络操作用户来监测系统的性能。 MSM-CDN各个组成部分之间的交互是通过结构接口来实现的。这些接口允许系统各个组成部分可以相互协调地为移动用户提供传输媒体流，它们也允许系统能够重新配置以处理用户模式、时变网络和系统负载的变化。 媒体传输是通过媒体流和数据传输接口完成的。媒体流接MSM-CDN作为一种覆盖网络，它的设计是通过基础网络来平衡接续性的。一个关键的设计选择就是开发一个适应性好的结构，来让MSM-CDN应用于不同的网络，和不同的系统共同工作，然而仍然允许每个网络的不同要求的定制。 （1）模块结构 MSM-CDN的结构是建立在相互交互的模块结构基础上。模块化使得MSM-CDN网络可以随时根据用户数、网络和系统负载不断展开。MSM-CDN是由一系列叠加节点组成的，每个节点都有计算和存储能力。每个叠加节点又可以包含若干个叠加服务器或管理器。最简单的情况是，一个叠加节点可能是单一的叠加服务器或单一的管理器叠加服务器是建立MSM-CDN的基本模块，它的基本功能包括媒体流传输、缓冲、内容发布、资源监测、资源管理以及信令管理。因为媒体能够从多个节点分发，所以通过叠加服务器复制媒体内容会改善媒体流的性能，同时可以防止服务器过载，改善可测量性。此外，叠加服务器还应具有高级的媒体业务管理功能，能对媒体流会话、缓冲和中继媒体流的处理操作进行会话管理，可以不断监测周围环境，与其他服务器和管理器共享信息.管理器可以用来收集和分析系统统计数据，控制MSM-CDN各个部分的工作。管理器也可以用来操作网络。 （2）结构接口 口允许叠加服务器接收来自媒体源的输入流，并把媒体流输出到媒体播放器或者其他的叠加服务器。数据传输接口允许叠加服务器以文件传输的模式接收和发送媒体文件或媒体片 断。 控制和管理接口允许叠加服务器和管理器查询其他MSM-CDN结构的信息。控制接口还允许管理器和叠加服务器向MSM-CDN其他结构发送命令信息，接收来自其他MSM-CDN结构的命令信息。这样使得多个叠加服务器能够相互协调地工作，以高效的资源利用率为预约用户提供服务。 （3）系统管理 易管理是MSM-CDN系统设计的一个重要的目标。MSM-CDN的管理具有两个功能：系统监测、测量和分析；系统控制。这两个功能都可以通过各结构之间的控制和管理接口完成。控制接口允许系统接收和发送请求和命令。由于每个叠加服务器可以跟踪自己的统计数据，所以它能够响应关于内容使用、服务器负载和网络状况的请求等命令。同时，叠加服务器还可以响应移动媒体内容、开始和结束会话流、处理流。 总之，MSM-CDN结构的灵活性和模块化能够按照集中式或分布式管理、插拔模式来进行配置；它的可测量性和自适应性能够适应大范围的应用场景4。 3.2.3 与MSM-CDN相关的一系列研究方向 （1）通过MSM-CDN基础结构媒体的分布：把媒体内容放置在靠近客户端的叠加服务器上，媒体流可以在一个较短的网络路径上传输，从而减少流媒体会话的启动时延，降低丢包率和整个网络的占用。 （2）媒体缓冲：媒体流缓冲问题需要确定哪些媒体流或媒体流片断需要缓冲。可以考虑一些因素如媒体的流行度、大小、可缓冲性以及其他的因素。 （3）客户请求转向/服务器选择：当一个客户请求某些内容时，这一请求必须发送到能够提供这些内容服务的服务器，这可以通过一系列机制来实现。这一操作还需要一个系统监测和管理组件来寻找最佳的叠加服务器。寻找的条件包括内容的可获得性、服务器负载、网络负载等。这就需要设计能够监测服务器和叠加服务器网络负载且能够分配请求到可用的最小负载的边缘服务器的框架结构。 （4）媒体流：信息流包括长而且连续的媒体流的传递，同时希望有高预测性的带宽、低的时延、可接受的丢失率。特别是，对一个中等长度流会话的分解可以很容易地分发传输。 （5）流的时序安排：信息流的时序安排问题，其基本的观点是通过信道（该信道具有可利用的时变带宽、丢失率和时延）为媒体流安排分组传送。（6）中间层的网络流对不同的客户端和网络状况具有自适应性：一个流系统必须能够通过不同的、时变的网络把媒体流传送到不同范围的客户端。在许多情形下，下行流的网络状况和客户容量事先并不知道。在这些情况下，流媒体能够动态地适应可用的带宽和具体客户端配置的容量是很有用的。有许多方法可用来解决这个问题。 （7）无线流：无线信道是一种共享的、具有高动态性的传播媒介。在这种信道下，会产生不可预测的、时变的带宽，时延和丢失率。解决上述问题的关键在于优化来自于叠加服务器的无线流的算法。一个叠加服务器能够和无线基站共同配置，这样无线流就会更好地适应无线信道的变化。 （8）端到端的安全性：一个相关的问题是，我们希望为流会话提供端到端的安全性，同时也支持中间层的网络进行代码转换。然而，这些看起来是矛盾的。其实，在保障端到端的安全性的同时，仔细地设计信息压缩、编码和打包，能够使中间层网络进行代码转换。 （9）对多客户端的流：另一个关键的问题是通过多点传送或一对多通信来支持受欢迎的事件。在互联网中目前还不支持IP多点传送，但是叠加网络可以支持应用层的多点传送。此外，对于同一个内容的信息不同的用户要求不同的比特率，这是通过使用可升级代码和在多点传输树发送不同的层来实现的。同样的，多重的多点传送树能够为差错控制提供不同纠错能力的前向纠错，每个用户可以选择适合自己要求的前向纠错码。 （10）传递流会话：流媒体传送不同于网页的传送，因为流会话经常是长期存在的。流会话长期存在性与用户移动性相结合，在叠加服务器之间传递流会话会产生技术问题。进一步讲，当流会话涉及代码转换时，需要代码转换会话的中间流传递5。4 移动流媒体发展中存在的问题移动流媒体业务的开展给移动增值服务带来了新的希望,但在实际应用中也存在一些问题。4.1 传输质量不稳定,干扰严重对于无线网络,网络流量会造成传输速率的波动,手持设备的移动速度和所在位置也会严重地影响到传输速率,这些都会影响传输质量。其次,无线信道的环境也要比有线信道恶劣的多,数据的误码率也要高许多,而高压缩的码流对传输错误非常敏感,还会造成错误向后面的图像扩散,除非有很好的容错技术,否则会导致传输质量下降。最后,目前的观看效果都是在用户数量较少的情况下取得的,如果用户数量急速上升,现有的网络带宽和手机处理速度会进一步下降。4.2 手机种类少,收视价格高眼下可以观看“手机电视”的手机类型还不多,并且价格很高。占市场份额最多的、主流的手机目前仍然采用ARM7系列芯片,处理能力低。而能够支持视频、音频文件在线播放的基于ARM9 的高端手机,平均价格又都在5000 元以上,这种价位决定了“电视手机”的普及还需要时间。而如果终端不普及“, 手机电视”服务也就无从普及。此外,通过手机看电视,费用很高,仅流量费就让用户难以承担。4.3 手机的电池能源有限观看“手机电视”非常耗电,如果只是看一个短片或是欣赏一部MTV ,还不存在什么问题,但如果想看完一部电影,那就必须及时充电了。这样的话,移动流媒体也就无法体现出其移动性。另外,由于手机的电池能源有限,编解码处理也不能太复杂,这样也会影响流媒体节目的画面质量。因此,延长手机待机时间是一个紧迫的问题2。5 移动流媒体技术应用展望在无线通信领域中，3G是以宽带和多样化的要求为主，不仅提供高质量的语音，更应该提供及时的多媒体服务。移动流媒体技术应用主要有以下几种情况：(1) 移动音乐 如果3G手机具备MP3功能，运营商联合唱片公司每星期发布Pop Music 排行榜，用户在试听歌曲片段之后，可通过小额支付下载到手机中，相当于运营商开唱片店。(2)移动电视用户通过3G手机收看电视节目，以简便操