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移动流媒体系统关键技术及其平台实现 摘要 第三代移动通信网络( 3 g ) 不仅继承了时分多址接入( t d m a ) 技 术，还发展了一系列全新的码分多址接入( c d m a ) 技术，具备高速数 据传送能力，为传输大数据量的多媒体流提供了可能。 随着3 g 网络的不断发展和最新无线通信协议的进展，移动运营商 可以随时、随地为移动用户提供宽带数据发送及接收应用业务，而其中 的流媒体业务则是不同于2 g 的占据重要地位的新业务。3 g p p 组织针 对流媒体业务制定了一系列规范，其中包括最新版本( r e l e a s e6 ) 中关 于传输码率适配机制的技术建议。在开展移动流媒体业务中，移动流媒 体服务器是业务支撑环境的核心设备，而如何对移动流媒体服务器进行 网络部署则是流媒体业务适应大批量用户接入的关键问题。另外，由于 无线传输信道误码率高、传输时延大、传输速率不稳定的特点，使得该 业务的设计和实现具有更大的挑战。 上述问题是目前业内研究的热点，针对这些问题，对移动流媒体服 务器的网络部署，以及流媒体服务器中的关键技术做较为深入的研究， 有着重要的意义。在论文中，作者分析了3 g p p 规范中的流媒体服务， 对3 g p p 中移动流媒体的需求作了总体介绍。论文还分析了移动流媒 体系统的系统结构，阐述了构建移动流媒体内容分发网络( m s m c d n ) 的移动流媒体服务器的网络部署技术，指出移动流媒体服务器在整个移 动流媒体系统中的位置，并深入讨论了实现移动流媒体服务器需要的两 个关键技术：移动流媒体传输协议；移动流媒体码率适配技术。 在论文中，作者首先详细介绍了移动流媒体内容分发网络 ( m s m c d n ) 以及m s m c d n 目前研究的几个关键技术和方向，分析 了“内容分发”这一关键研究方向。介绍了目前内容分发的三种流行算 法，并对这三种算法进行对比分析。 论文还详细分析了移动流媒体服务器的两个关键技术，分别为移动 流媒体传输控制协议、移动流媒体码率适配，其中移动流媒体传输控制 协议包括r t s p 协议、r t p r t c p 协议；移动流媒体码率适配技术主要 包括移动流媒体码率适配技术的研究背景、应用层上移动流媒体码率适 配策略，并对该码率适配策略进行仿真。 论文最后对移动流媒体服务器设计与实现作了较详细的说明和分 析。 关键词：移动流媒体传输控制协议m s m c d n 传输码率适配 t h ek e yt e c h n o l o g i e so f m o b i l es t r e a 心gm e d i as y s t e m an dt h ep l a t f o r mi - 胛l e 姬n t 枷o n a b s t r a c t t h e3 耐g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kn o to n l yc a m ef r o m t d m a ，b u ta l s oc a m ef r o mc d m a t h e3 gs y s t e mh a st h ec a p a b i l i t yt o t r a n s m i tt h eh i g h s p e e dd a t a , w h i c ht a n g s3 8 4 k b i t st o2 m b i t s t h u si ti s p o s s i b l et ot r a n s m i tm u l t i m e d i as t r e a mw h i c hh a sh u g ed a t aq u a n t i t y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f3 gn e t w o r ka n dt h eu p d a t e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h em o b i l en e t w o r kp r o v i d e ri sa b l et op r o v i d e b r o a d b a n dd a t at r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o ns e r v i c e s t h es t r e a m i n gm e d i a s e r v i c ei so n eo ft h ei m p o r t a n ts e r v i c e sa m o n gt h e m t h e3 g p po r g a n i z a t i o n h a sr e v i s e das e r i e so fs p e c i f i c a t i o n s ，i n c l u d i n gt h e s u g g e s t i o n o f t r a n s m i s s i o nr a t ea d a p t a t i o nm e c h a n i s mi nt h eu p d a t e dr e l e a s e6 w h e n l a u n c h i n gam o b i l es t r e a m i n gm e d i as e r v i c e ，t h em o b i l es t r e a m i n gm e d i a s e r v e r si st h ec o r ed e v i c eo fs u p p o r t i n ge n v i r o n m e n t s m e a n w h i l et h ek e yt o a d a p t i n gm a s su s e r si st od e p l o yt h em o b i l es t r e a m i n gm e d i a w e l l b e c a u s e o fh i g he r r o rr a t eo fw i r e l e s st r a n s m i s s i o nc h a n n e l ，l o n gt r a n s m i s s i o nd e l a y , u n s t e a d yt r a n s m i s s i o nr a t e ，t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fm o b i l es t r e a m i n g m e d i ah a sm e ts o m ec h a l l e n g e s t os t u d yt h ea b o v ep r o b l e m sh a ss o m ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i nt h i s p a p e r , t h e3 g p ps p e c i f i c a t i o n o fs t r e a m i n gm e d i as e r v i c ea n dt h e r e q u i r e m e n to fs t r e a m i n gm e d i ah a sb e e ni n t r o d u c e d t h es y s t e mf r a m e w o r k o fs t r e a m i n gm e d i ah a sb e e na n a l y z e da n dt h e nt h e t e c h n i q u e o f m s m c d n ( m o b i l es t r e a m i n gm e d i a - c o n t e n td e l i v e r yn e t w o r k ) h a sb e e n d e s c r i b e d a l s ot h et w ok e yt e c h n i q u e so fm o b i l es t r e a m i n gm e d i as e r v e r s h a sb e e ns t u d i e dh e r e t h a ti s ：m o b i l e s t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o n p r o t o c o l ；m o b i l es t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o nr a t ea d a p t a t i o nt e c h n i q u e t h e o r g a n i z a t i o no ft h i sp a p e ri s ：f i r s tt h em s m c d na n di t si m p o r t a n t s t u d yf i e l dh a sb e e nf u l l yd i s c u s s e d ，a m o n gw h i c ht h e “c o n t e n td e l i v e r y i s c a r e f u l l yd i s c u s s e d t h r e ep o p u l a ra r i t h m e t i c si sa l s os t u d i e da n dc o m p a r e d h e r e s e c o n d ，t h e t w o i m p o r t a n t t e c h i n i q u e h a sb e e n p a r t i c u l a r l y a n a l y z e d ：m o b i l e s t r e a m i n g m e d i at r a n s m i s s i o n p r o t o c o li n c l u d i n g r t s p , r t p r t c p , m o b i l es t r e a m i n gt r a n s m i s s i o na d a p t a t i o n ，i n c l u d i n gt h e s t u d yb a c k g r o u n d ，t h em e c h a n i s m ，a n dt h es i m u l a t i o n i nt h el a s t ，t h ed e s i g na n dt h er e a l i z a t i o no ft h es t r e a m i n gm e d i as e r v e r s h a sb e e na n a l y z e d k e yw o r d s ：m o b i l es t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o np r o t o c o l m s m - c d n t r a n s m i s s i o nr a t ea d a p t a t i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：童盈缍日期：型z ：三：翌： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释： 本 导 北京邮电大学硕士论文移动流媒体系统关键技术及其平台实现 第一章绪论 移动网络与互联网的融合成就了今天的移动数据业务，s m s 、w a p 、m m s 正 在如火如荼地发展；多媒体技术的突破、无线网络带宽的提高，尤其是3 g 时代的 到来，为移动流媒体业务创造了良好的条件、提供广阔的用武之地。移动流媒体服 务器作为移动流媒体系统的核心设备，其设计和实现与传统的固网流媒体系统有相 似的地方，但由于无线传输信道具有误码率高、传输时延大、传输速率不稳定等特 点，对移动流媒体服务器的设计和实现提出了挑战。 1 1 研究背景 2 5 g 、3 g 以及超3 g 无线网络的发展使得流媒体技术可以被用到无线终端设 备上，目前中国联通公司提供c d m a 2 0 0 01 x 技术，用户网络带宽最多可以达到 1 0 0 k b i t s ，这已经足够提供q c l f 大小的流媒体服务；而且随着3 g 无线网络的应 用，用户的网络带宽可以达到3 8 4 k b i t s 。另一方面，手机设备运算能力和软件解码 能力越来越强，存储空间越来越大，为实现移动流媒体技术提供了可能。 面向无线网络的流媒体应用对当前的网络技术和媒体传输技术提出了更大的 挑战，首先，相对于有线网络而言，无线网络状况更不稳定，网络流量造成的传输 速率的波动大，如何支持大量用户接入是移动流媒体服务器网络部署中一个必须考 虑的问题。其次，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，因 此高效的可自适应的传输技术至关重要。 本课题即是针对上述问题做深入研究与探索。 1 1 1 基本概念 所谓流媒体指在网络中使用流式传输技术的连续时基媒体，例如：音频、视频、 动画或其他多媒体文件。借助流媒体技术用户不需要花费很长时间将多媒体数据全 部下载到本地后才能播放，而仅需将起始几秒的数据先下载到本地的缓冲区就可以 北京邮电人学硕 j 论文移动流媒体系统关键技术及j e 平台实现 开始播放，后面收到的数据就源源不断输入到该缓冲区，从而维持播放的连续性。 移动流媒体为了解决带宽问题以及缩短下载时间，而采用了较高的压缩比，因此无 法为用户提供很高的音视频质量。 把连续的影像和声音信息经过压缩处理后放到网络服务器上，让浏览者一边下 载一边观看、收听，而不需要等到整个多媒体文件下载完成就可以即时观看的技术 称之为流媒体技术。实际上流媒体技术是网络音视频技术发展到一定阶段的产物， 是一种解决多媒体播放时网络带宽问题的“软技术”。流媒体技术并不是单一的技 术，它是多种技术融合后的产物，会涉及到流媒体数据的采集、压缩、传输以及网 络通信。 1 1 2 基本原理 流式传输的实现需要合适的传输协议。由于t c p 需要较多的开销，故不太适合 传输实时数据。在流式传输的实现方案中，在客户和服务器建立会话交互期间主要 是采用r t s p t c p 协议，而用r t c p 来传输控制信息，用实时传输协议佣户数据报 协议( r t p u d p ) 来传输实时数据。流式传输的实现需要缓存，因为一个实时音视 频源或存储的音视频文件在传输中被分解为许多数据包，而网络又是动态变化的， 各个包选择的路由可能不相同，故到达客户端的时延也就不同，甚至先发的数据包 有可能后到。为此需要使用缓存系统来消除时延和抖动的影响，以保证数据包顺序 正确，从而使媒体数据能够连续输出。通常高速缓存所需容量并不大，因为通过丢 弃已经播放的内容可以重新利用空出的空间来缓存后续尚未播放的内容。 一个典型的流式传输过程如下： 用户选择某一流媒体服务后，w e b 浏览器与w e b 服务器之间使用r t s p t c p 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； w e b 浏览器启动音视频客户程序，使用h t t p 从w e b 服务器检索相关参数， 这些参数可能包括目录信息、音视频检索相关服务器地址； 音视频客户程序及音视频服务器运行实行流协议，以交换音视频传输所需的 控制信息，实时流协议提供播放、快进、快倒、暂停及录制等指令； 音视频服务器使用r t p a j d p 协议将音视频数据传输给音视频客户程序，一旦 音视频数据抵达客户端，客户程序即可解码播放。( 需要说明的是，在流式字传输 中，使用r t p u d p 和r t s p i c p 两种不同的通信协议与音视频服务器建立联系， 目的是为了能够把服务器的输出重定向到一个非运行音视频客户程序的客户机的 目的地址。另外，实现流式传输一股都需要专用服务器和播放器。) 2 北京邮电大学硕士论文移动流媒体系统关键技术及其平台实现 1 1 3 研究现状 近年来，无线通信技术的发展进入了空前活跃的阶段，音频、视频和数据的无 线传输成了网络信息技术的核心。无线网络相比有线网络而言，成本较低。随着芯 片价格的下跌以及消费者对无线网络的期待，无线网络必将取得更大的成功。而且， 随着第三代移动通信的发展，各种不同移动业务的出现，为宽带视讯业务提供了广 阔的市场前景，无线视讯业务将成为未来无线移动通信业务的新的亮点。视频通信 对于我们来说并不是一个新事物，但无线视讯就不这么简单了。 无线网络与固定网络相比，不受时间和地点的限制，但是有更多的问题需要面 对和解决。首先，视讯业务的数据量大，受带宽的限制，对误比特率要求高。其次， 无线信道具有时变、易错等特点，在无线视讯系统的实用化过程中将会面临更多的 问题。因此，无线视频通信对视频信号和无线信道两方面提出了一个更高的要求。 随着流媒体技术应用范围的不断扩大，人们已经开始探讨流媒体技术应用于移 动通信网的可行性。从技术上看，在核心网方面，由于流媒体服务器处于互联网中， 流媒体文件是通过m 网络进行传输的，所以移动通信网要处理流媒体数据，要求 其必须能够与互联网进行通信，并收发和处理m 数据。由于口技术的快速发展， i p 技术可能会成为未来网络的主流技术，这将促使现有的有线电视网、电信网、移 动通信网等网络都支持口数据的传输，使多媒体数据在t c p i p 协议的基础上发送， 并获得信息的互联互通，所以，移动通信网已经逐渐开始了向i p 网络结构融合转 变的过程。目前，在移动通信网中传输m 数据已经实现，中国移动已经投入商用 的g p r s 系统中，核心网络层采用m 技术，底层可使用多种传输技术，很方便地 实现与球网的无缝连接。在无线接入网方面，移动通信核心网逐渐向疋网络结构 融合和转变，要求无线接入网也必须要加以相应的改进以支持i p 数据的传输。口 数据通过无线接入网传输到移动终端被证明是可以实现的，一个成功的例子就是目 前的移动用户通过g p r s 手机已经可以进行收发e m a i l 、浏览网页等这些在互联网 上常做的操作。 在移动终端方面，要能处理流媒体文件，移动终端必须满足两个条件：其一， 能收发和处理口数据，这已经被g p r s 手机的成功使用所证明；其二，具有一定 大小的存储空间，以存储媒体文件，并安装流媒体播放器。 一直以来，手机存储容量不足阻遏了移动多媒体业务的发展。一个普通的多媒 体文件动辄几十、上百兆，如果采用“先下载、再播放”的传统机制来处理，移动终 端必须得等到整个媒体文件完全下载之后才能播放，媒体文件有多大，要求移动终 端的存储空间就应有多大。所以，在移动终端中采用传统机制来处理多媒体文件是 北京邮电大学硕士论文 移动流媒体系统关键技术发其、f 台实现 不可能的。流媒体技术的应用，能够解决这一难题。流媒体技术具有边下载、边播 放以及播放了的流媒体数据随即被消除的特点。与传统机制相比，流媒体技术只需 在用户终端创建一个适当的缓冲区，播放前先下载一段信息到缓冲区中作为缓存， 就可以播放；客户端在处理和播放流媒体文件的整个过程中，只占用相当于缓冲区 大小的存储空间，播放了的流媒体数据在客户端不再驻留。这就意味着播放同一个 媒体文件，流媒体技术在客户端要求的存储空问只是缓冲区的大小，比“先下载， 再播放”的传统机制缩小了很多倍。采用流媒体技术，只需对手机的存储容量进行 适当扩展即可满足流媒体缓冲区对存储空间的要求。所以，目前移动流媒体服务器 的研究热点主要集中在如何克服误码以及传输速率不稳而造成的相关问题，如目前 微软m e d i as e r v i c e s 和r e a l s y s t e m 提出的分流技术、缓存技术、智能流技术。 分流技术：分流技术一般只在作网络直播时候使用。发送服务器通过u d p 单 播、u d p 组播等方式将直播媒体流发送到分布在各地的多个接收服务器，客户端可 以就近访问服务器获得较高质量的媒体流，同时减少带宽使用。发送服务器与接收 服务器之间由高速链路连接。 分流技术分推( p u s h ) 和拉( p u l l ) 两种模式。目前微软m e d i as e r v i c e s 和 r e a l s y s t e m 都支持分流技术。 缓存( c a c h i n g ) 技术：由于互联网是以断续的异步包传输为基础，一个实时媒 体流或媒体文件在传输中将被分成多个包传输。由于网络的延时、抖动等因素，包 到达客户端的顺序和延迟可能不一样，可能出现先发的包后到的情况，因此需要缓 存系统来弥补网络延迟和抖动的影响，以保证数据包的顺序正确以及不会因为网络 暂时拥塞而出现播放停顿的现象。缓存技术一般采用环形链表结构存储数据，丢弃 己发送或已播放内容并利用空出的空间存储将要发送或将要播放的内容，所以一般 缓存不会很大。目前主要用到的缓存技术有：正向缓存、反向缓存和透明代理缓存 技术。微软m e d i as e r v i c e s 和r e a l s y s t e m 都提供服务器端和播放器端的缓存设定。 智能流技术：所谓智能流技术，就是系统能够自动检测网络状况并将视、音频 流的属性调整到最佳，使用户收到与其连接速度相符的媒体流，从而获得最佳的用 户体验。智能流技术的实质是通过c s 应用层的速率反馈机制探测网络带宽变化， 利用媒体流的多速率层次编码能力，在服务器端动态的调节媒体流的传输速率，以 保证用户在网络带宽变化条件下仍能收到质量较好的媒体流。微软和r e a l s y s t e l n 都 提供智能流技术。 但是以上技术都是以固网为基础来实现的，固定网络传输质量高，带宽很大， 而且传输速率很稳定，这些技术能很好的应用，但是移动网络的网络环境比固网要 恶劣的多，而且移动终端的处理能力也很有限，这些技术并不完全适宜移动通信网。 4 北京邮电大学硕士论文移动流媒体系统关键技术及其平台实现 本课题就是在此基础上，针对移动通信网络带宽有限、传输速率不稳、丢包严重而 造成视频质量严重下降的问题提出了一个移动流媒体服务器的解决方案。 1 1 4 研究意义 随着人们对宽带多媒体业务的需求不断增加，移动数据通信必然与互联网相结 合来提供高速、高质量的移动多媒体通信业务。在这一结合过程中，在互联网中发 展并已经成熟的流媒体技术将扮演极其重要的角色。由于带宽和移动电话功能上的 限制，在传统移动通信网络中无法传输优质的多媒体内容。但随着2 5 g 、3 g 等高 速移动通信技术的逐渐成熟，同时手机、p d a 等移动通信设备的不断完善，移动通 信网已经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。3 g 开创了无线通信与互联网、视 频融合的新时代，由此产生的无线视频和无线i p 业务也必将成为未来无线移动通 信业务新的增长点，使移动用户真正享受到无线掌上世界。 从市场需求来看，随着市场的激烈竞争和技术的突飞猛进，传统电信业务的发 展空间将越来越小，数据业务收入将逐渐取代语音业务而成为运营商的主要收入。 对移动电话运营商来说，未来几年内将会在数据领域内形成新的业务格局，并展开 新的市场竞争。从内容提供商而言，流媒体的应用使能够应用于移动通信领域的多 媒体内容的范围极大地扩展，内容提供商将和运营商一起合作，将以前能想到但不 能做到的移动多媒体业务投入真正的商用。此外，流媒体文件不在客户端驻留，文 件处理和播放完随即被清除的特点，为内容提供商提供了天然的版权保护。对移动 用户而言，流媒体能够实时播放音频和多媒体内容，也可对其进行点播，具有交互 性。这一特点与移动通信固有的移动性相结合，使移动用户能够随时随地获得或点 播实时的多媒体信息，大大增强了移动多媒体业务的灵活性。此外，流媒体启动播 放的延时非常短，使用户能够即时收看收听。流媒体应用于移动通讯领域，使移动 多媒体业务的种类和内容得以极大的丰富，所有这些，都将更好地满足用户的需求。 移动流媒体业务基本形式有直播、点播、下载三种。从应用的角度来看，可分 为媒体类应用和行业类应用两大类。 媒体类应用 “离散眼球经济”的时代正在来临。所谓“离散眼球经济”是指：“通过对消费 个体进行非连续的、间歇的和零散的时间段和空间段的注意力来吸引获得 经济活动中品牌利益的最大化。” 现代社会信息源和信息需求的高速膨胀使得传统中闲置的、离散的时间和 5 北京邮电大学硕上论文 移动流媒体系统关键技术及其甲行实现 空间为需求所用。在人们正常的工作、生活之余，那些闲散的时空资源随 着信息终端触角的延伸，越来越被人们所充分利用，或是用于工作资讯获 取，或是生活休闲娱乐。就目前而言，报纸、杂志基本上是获取这部分“眼 球”的重要媒介，但随着3 g 时代到来，以手机+ 流媒体为代表的移动流媒 体将成为这一领域最有力的“眼球”获取媒介。原因如下： a ) 由流媒体技术特点所决定：媒体节目边缓存、边播放，即内容的获取和 内容的消费同步进行，使其可以最大限度地在有限的时空范畴内为消费者 提供高效的信息服务。 b ) 手机媒体具有的移动性、便携性特点决定其适应这种形式：离散型时空 资源的重要特征是时间长短的不确定性和空间位置的不确定性。手机媒体 的随时随地且无处不在的服务，可很好地解决这一问题。 c ) 由移动运营商掌控行业价值链的移动流媒体产业有可控的商务模式和健 全的收费体系，为移动流媒体的可持续发展提供了重要的保障。 媒体类的应用表现形式多种多样，主要针对个体用户，为了保证好的效果 一般需要进行终端适配、带宽适配等。这类应用要求流媒体系统： a ) 支持s p c p 通过互联网发布内容； b ) s p c p 提供内容源，流媒体系统自动地进行终端适配类编码。 行业类应用 主要是监控类和视频应用类业务，主要特点是每一种应用相比媒体应用来 说，用户群体较少。行业类应用表现形式也比较多，有些应用在内容制作 方面相对投入较少，对直播源的需求较多。这类应用要求流媒体系统提供 低成本的多路直播源等接入技术。 结合我国基于移动通信网络的应用现状，我们认为，研究移动流媒体服务器关 键技术具有非常重要的理论价值，而对于整个系统的实现又具有很重要的现实意 义。 1 2 本文所做的主要工作 本文研究的重点是移动流媒体内容分发网络( m s m c d n ) ，以及流媒体服务器 中的关键技术。其中移动流媒体内容分发网络( m s m c d n ) 中的关键技术，主要 研究了内容分发的算法。在详细介绍和分析的基础上，作者列出了目前较为流行的 三种内容分发算法，并对其进行了比较研究。 6 北京邮电大学硕士论文移动流媒体系统关键技术及其平台实现 对于移动流媒体服务器的关键技术，主要研究了移动流媒体传输控制协议、移 动流媒体传输码率适配技术。作者首先详细描述了3 g p pp s s 标准文档中关于移动 流媒体传输控制协议的规范，以及对于传输码率适配的规范。并对实现机制进行了 深入研究和描述，对该机制进行了仿真，并对仿真结果作了分析。 作者所做的主要工作包括： 研究了3 g p p 中流媒体的相关规范； 研究了适宜移动流媒体应用的r t s p r t p 协议； 研究了移动流媒体内容分发网络( m s m c d n ) 的相关技术以及研究方向，并 对内容分法算法进行比较研究： 提出了适宜移动流媒体应用的码率适配机制，并对其进行了仿真实验，验证其 可行性，完成了下一步的系统模块的预研工作。 1 3 论文结构 本文共分为六章： 第一章为绪论。本章首先讨论了移动流媒体应用的研究背景，包括：基本概念、 基本原理、研究现状，研究意义。然后，指出了移动流媒体服务器的关键技术，并 介绍了本文的研究内容。 第二章为3 g p p 中的流媒体服务。本章主要是介绍3 g p p 中关于流媒体服务的 部分，包括3 g p p 流媒体需求、3 g p p 流媒体总体说明、3 g p p q o s 概念与架构几个 部分。 第三章和第四章是本文的重点。第三章为移动流媒体内容分发网络及服务器架 构。本章首先介绍移动流媒体系统体系结构，然后指出移动流媒体服务器在其中的 位置，最后介绍移动流媒体内容分发网络( m s m c d n ) ，并重点介绍移动流媒体内 容分发网络的关键技术，针对内容分发这个关键技术，介绍目前流行的三个算法， 并进行比较研究。 第四章为移动流媒体服务器关键技术及算法仿真。本章主要介绍移动流媒体服 务器关键技术，包括三部分，第一部分为移动流媒体服务器关键技术的概述，例举 当今移动流媒体技术领域中的关键技术；第二部分为移动流媒体传输控制协议，主 要是研究移动流媒体相关的协议，包括r t s p 协议、r t p r t c p 协议、s d p 协议、 r s v p 协议；第三部分为关于移动流媒体端到端传输码率适配技术的阐述，最后对 该算法进行m a t l a b 仿真实现。 7 北京邮电人学硕士论文 移动流媒体系统关键技术及j e 甲台实现 第五章为移动流媒体服务器的设计与实现。本章首先介绍移动流媒体系统软件 的结构，再次描述移动流媒体服务器的设计思想以及其中关键模块的实现。 第六章为结束语。 北京邮电大学硕士论文移动流媒体系统关键技术及其平台实现 第二章3 g p p 中的流媒体服务 3 g p p ( t h e3 “g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j o c t ) 是第三代合作伙伴计划的缩写， 是领先的3 g 技术规范机构，是由欧洲的e t s i 、日本的a r i b 和t t c 、韩国的t t a 以及美国的t i 在1 9 9 8 年底发起成立的，旨在研究制定并推广基于演进的g s m 核 心网络的3 g 标准，即w c d m a 、t d - s c d m a 、e d g e 等，中国无线通信标准组 ( c w t s ) 于1 9 9 9 年加入3 g p p ，3 g p p 受合作伙伴委托制定通用的w c d m a 技术 规范，其组织机构分为项目合作和技术，规范两大智能部门，项目合作部( p c g ) 是3 g p p 的最高管理机构，负责全面协调工作；技术规范部( t s g ) 负责技术规范 制定工作，受p c g 的管理。3 g p p 的目标是实现由2 g 网络到3 g 网络的平滑过渡， 保证未来技术的后向兼容性，支持轻松建网及系统间的漫游和兼容性。 2 13 g p p 中流媒体需求 随着可利用带宽的增加，3 g 移动系统能提供更多新的服务，其中之一就是以 流的方式向移动设备传输声音和视频。流是一种媒体内容通过数据网络边下载边播 放的机制。 在交互式媒体应用中，对多媒体内容的即时访问和同步显示需要流服务，而其 它的多媒体服务，例如多媒体信息服务( m m s ) ，其多媒体内容是以“消息”的方式 异步传送给用户的。w e b 服务器以信息请求的方式工作，并尽可能快地传输指定信 息，完成处理，断开连接转向其它请求。一个客户程序只在它需要信息时才链接 w e b 服务器。如果只接收图像或文本，这种工作方式可以很好地运作；但如果一个 客户想要观看视频或收听音乐，就必须完全接收到整个文件才能开始欣赏。这些文 件可能非常大，这就潜在地导致了客户端的存储问题和较长的启动延时。流媒体可 以克服不足，允许媒体内容边下载边播放，因而减小了延时，省去了存储媒体的需 要。除了提供流机制外，p s s 也应该包含媒体对象的合成，允许加入引人瞩目的多 媒体服务。例如，一个移动电影院应用能允许用户观看电影的精彩预告。其中的p s s 9 北京邮电大学硕士论文 移动流媒体系统关键技术及】平台实现 ( p a c k e t s w i t c hs e r v i c e ) 为包交换服务。 2 1 1 总体需求 a - p s s 使用客户服务器模式。客户向服务器发送请求控制服务器，服务器相应客 户请求 p s s 应该支持下行链路的流传输 p s s 应保持向后兼容性 p s s 应该考虑与已存在于其它产业( 如i n t e m e t ) 中流元素( 协议、格式等) 之 间的互操作性 p s s 应该支持能有效地利用传输资源的机制，例如数据压缩，这些机制对核心 网络、访问网络应该没有影响或影响很小。注意这些机制不一定适合于所有的流内 容。 p s s 应该使用流服务需求可获得的公开标准以及使用标准的规程和借口来避免 互操作性问题。如果需要的话使用现有标准的扩展 2 1 2 媒体类型 p s s 应该支持多种媒体类型来实现丰富多彩的多媒体服务，例如：音频( 包括 语音) 、视频、静态图像、2 d 3 d 图形( 包括动画) 、文本( 包括无格式文本：格式 文本，例如大小、颜色、字体) 、合成音频( 如数字音响m i d i ) 、元数据 每一种媒体类型的实现难度应该尽可能的小，同时应该考虑终端的实现难度， 互操作性，内容的移动性和后向兼容性。p s s 应该与其它3 g 多媒体服务共享媒体 编解码器，从而方便服务之间的互通。p s s 应该能够提供一种字体可以在所有的终 端上交叉使用，要么在所有终端上使用默认的字体或者在显示之前下载字体。这种 需求只应用在格式文本上同时也依赖于终端的可能性。 2 1 3 多媒体合成和交互 p s s 应该能够制作包含多种媒体对象的多媒体服务内容 p s s 应该提供在客户端定位合同步媒体对象的能力 p s s 应该支持任何方向上的文本或图像的滚动 p s s 应该能够提供制定媒体属性的能力、文本( 颜色，大小，字体，格式) 或 者图形( 大小，颜色) 与其他媒体对象的相关时基。例如，在卡拉o k 中，同时下 1 0 北京邮电大学硕士论文移动流媒体系统关键技术及其平台实现 载音频轨道和歌词，要求在音乐播放中不仅能够演示歌词，而且正在演唱的歌词需 要显示不同的颜色来提醒用户 a - p s s 应该提供动态更新媒体对象属性的能力，例如通过相关指示器的颜色指出 用户的信誉度等级 p s s 应该提供动态更新多媒体合成的能力，例如用户可以与应用交互来改变一 个场景 p s s 应提供允许用户浏览或与多媒体服务交互的能力。例如，当用户已下载“伦 敦漫游”应用时，用户就有能力浏览伦敦并观看视频片段或收听伦敦名胜的音乐介 绍 p s s 应该允许不同性能的客户以不同的方式欣赏同一内容，例如，一个不支持 图形动画的客户程序可以只显示一幅简单的图像 a - p s s 应该支持有把被访内容的相关文件信息( 如歌名，作者) 传递给终端的能 力 2 1 4 其他需求 传输。p s s 传输应该在包交换( p s ) 域提供；p s s 应该能在不同服务质量的载 波( b e a r e r ) 上工作；p s s 需要提供一种机制，在该机制下，客户接收媒体码率信 息列表，根据网络服务提供的载波和用户喜好决定选择合适的媒体码流；p s s 客户 应该能够为用户请求一个合适的服务质量，提供的服务质量可能被操作者的访问方 式和网络功能限制：p s s 应该为流服务器和客户提供自适应网络环境的机制以使流 的质量获得极大的改善，例如从网络中使用端到端的传输质量信息 个性化服务。p s s 应该支持在用户档案中包含客户特殊喜好的功能；p s s 应该 支持基本的终端性能集合 服务管理。服务中的用户控制：客户程序可以初始化流会话、流会话开始后用 户可以停止流会话、流会话开始后用户可以暂停流会话；用户可以跳转到媒体片段 中的任何一个点( 随机访问) ；观看内容时用户可以搜索整个媒体；如果与终端性 能、用户喜好对应的内容可以以好几个格式获得，客户程序应该有机会选择让内容 流式传输。假设用户已经设定了用户档案且客户程序可以获得这些信息 服务中服务提供商的管理：端点用户应被告知是否可以获得p s s 服务：如果客 户程序不能处理流内容，流会话应被友好地断开；服务提供商应该有一种使流会话 友好断开的方式( 当用户帐户余额不足时付费电影的友好中断) ；p s s 应该能够支 持来自用户设备( u e ) 的服务m e t r i c s 数据的实时质量 北京邮电人学硕： ：论文 移动流媒体系统关键技术及其f 台实现 安全性。用户能够以安全的方式使用p s s 。安全机制应保证只向指定的终端用 户发送媒体数据。p s s 应支持端到端的安全( 例如，服务器和客户间) 。 计费。p s s 应该支持不同的计费机制；p s s 应该包含如下流具体信息，它们存 储在c d r 中作为计费信息：流类型( 例如实时或非实时) 、流式传输内容的大小、 传输数据的容量、起始传输时间、时间间隔、服务质量( 包括传输率、丢包率、传 输延迟) 、流服务发送接受者、发送流事件的数目、接收流事件的数目、媒体类型、 内容识别符( 访问具体的内容流) 数字版权管理。3 gp s s 的标准化需要实现媒体版权管理的标准化或有相关的 行业解决方案。一个合适的数字版权管理( d r m ) 框架已经在下一个3 g p pr e l e a s e 中实现并完善。 2 23 g p p 中流媒体总体说明 流媒体的应用包括点播和直播两种，点播的例子有新闻点播和音乐点播，直播 的例子有无线电广播和电视节目的播出。固定i p 网络的流媒体己经是当前的一个 主要应用，虽然i e t f ( i n t e r n e t 工程任务组) 和w w w 联盟( w 3 c ) 提出的一系列 协议已经应用到固定i p 网络的流媒体服务中，但是完全标准化的流媒体框架还没 有形成。在3 g 系统中，3 g 包交换流服务( p s s ) 填补了3 ( 3 多媒体信息服务( m m s ) 的空白，诸如下载，会话服务。p s s 能够实现移动流媒体应用，该应用与会话服务 相比，需要更为复杂的协议和终端，包括媒体输入设备，媒体编码器。本小节主要 包括了3 g 网络中透明的p s s 服务的总体说明，主要包括p s s 应用范围，全面的端 到端的服务概念、构成终端的相关功能部分，也列出了一些特定的网间服务需求。 2 2 1 应用范围 流媒体平台支持多种不同的应用，如使用伴有话音的静止图像的低码率新闻， 收听不同码率和质量的音乐，观看视频和直播体育节目。简单的流服务包括一组基 本协议集合，如流控制协议、传输协议、媒体编码和场景描述协议。该服务在规范 r e l e a s e 4 版本中并没有包含明确的性能交换、加密、数字版权管理功能。移动用户 获得适合其终端的指定内容的统一资源识别符( u r i ) ，该识别符可通过万维网浏览 器、w a p 浏览器或已有信息得到。u r i 指定了一个流媒体服务器和该服务器上的相 应内容的地址。基于多媒体会话的p s s 应用应该能够解读会话描述协议( s d p ) 文 北京邮电大学硕士论文移动流媒体系统关键技术及其平台实现 件，在会话建立阶段就不需要使用s d p 文件，只要使用h t t p 协议就可以接收这些 内容。p s s 同步媒体集成语言会话也包含流内容u r i ，该会话需要分析s d p 文件和 实时流协议( r t s p ) 信令。s d p 文件可以通过多种方式获得，如在一个h t m l 网 页中通过嵌入的标签链接得到，也可以直接把它当作一个u r i 获得，或者使用描述 方式通过r t s p 信令获得。在多媒体信息服务( m m s ) 流传输中，s d p 文件可以通 过m m s 用户代理获得，该代理通过m m s 转发器或服务器得到改动的m m s 信息。 s d p 文件包含会话描述( 会话名，作者等) 、提供的媒体类型，媒体码率。 会话的建立是一个浏览器或者移动用户调用流客户服务程序与服务器建立会话 的过程。用户设备( u e ) 在会话建立信令开始时可以激活一个包数据协议( p d p ) 内容或其他类型的允许口包传输的无线载体。客户程序也可能获得关于内容的更 多信息。客户程序应该用适当的流媒体服务质量( q o s ) 初始化载体。通过对客户 程序选定的每一个媒体流发送r t s p 设置信息来完成流服务的设置，每一个媒体流 通过用户数据报协议( u d p ) 或传输控制协议( t c p ) 等端口返回确认信息。客户 程序向服务器发送一个播放信息来在i p 网络中传送一个或多个媒体流。 图2 - 1 显示了一个基本的流会话过程。 1 3 北京邮电大学硕1 ：论文移动流媒体系统关键技术厦其卜台实现 a p 嘲也f u es g s n s e r v 日 r t s p e l p r e s e n s t a e t r v i o “n m s e r v e d 日i a w a p w ， u t r a n g e r a n & c n 、 、 g e t w e b w a p p a g e w t t h u r i 腓p 。：d 蚪e s c 。r i 。b e ( 妇o to t 。h e 脚r o p t i 肌o n a ，l l w a y r t s p ：s e t u p s e c o n d a r yp d pc o n t a ta c t i v a t i o nr e q u e s t q o s = s t r e a m i n g )