（通信与信息系统专业论文）移动流媒体平台的网络设计及其端到端qos控制策略研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘骚 撼要 璇薷移凄逶信熬邋迷发鬟，天翻不褥潢遐予佼骞瓣文零、声音、图像，褥 是希望得到声、文、图及视频流媒体信息。目前中国联通公司提供c d m al x ， 雳户网络萤宽簸多可以达到1 0 0 k b i t s ，嚣晟隧莓3 g 冤线翳终翦痰鼹，震户的 网络带宽可以达到3 8 4 k b i t s 。这样移动运营商w 以随时、随地为移动用户提供 宽带数攘发送及搂收应用监务，糕其孛戆浚媒体救努则是不固予2 g 戆占摆熬 要地位豹新业务。由于光线健输信道诶确率齑、佟输拜寸延大、传输遽搴不稳定 豹特点，为移动漉媒体整个系绫的设计秘实现懋求了挑战。 本文就是在扛乏基磁上，对移动流豢体豹几个关犍鼓术辙了较为深入熬研究。 论文译缨分提了移动滚媒体敕传竣控制资议、移动滚媒俸缀聪鹳方法和移琏滚 蒴 端至端q o s 控翎策略，其中移动滚媒体传输控制协议包括r t s p 渗议、r t p 谤议、r t c p 稔议、s d p 耱议、r s v p 癸汉；移动流媒薅编簿释方法毯藉f g s 缡 码算法、p f g s 编码算法；移动流媒体q o s 控铸策略主要包括移动溅媒体q o s 控翻机秘、控锖l 策略，并提蹬一稀端戮端鹃q o s 按翻策略。论文对移动流媒体 平台静嘲络设计与实瑰佟y 较详细的分概，并对整个系统链能进行了溅试，对 测试结果做了较详细的分析。 本澡题奁技术设计上比较毅鬏，穰逶营模式、系绞絮梅上对毫痿运营齑裁 网络增值服务挝供商撮供了一个新的选择。 关键词：移动流媒体，传输协议，p f g s ，q o s 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，p e o p l en o to n l yn e e d t e x t 、v o i c e 、i m a g e , b u ta l s on e e dm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n n o wt h et r a n s m i s s i o nr a t e s o f c d m al xr e a c ha tl e a s tl o o k b i f f s ，a n dw i t h t h ea p p l i c a t i o no f3 gt h er a t e sm a y a r r i v ea t3 8 4 k b i v s u n d e rt h es u r r o u n d i n g s , m o b i l eo p e r a t o rm a ys e r v i c ef o rm o b i l e c l i e n t sw h e r e v e ra n dw h e n e v e r m o b i l es t r e a m i n gm e d i ap l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei n t h ev a r i o u sm o b i l ei n c r e m e n ta p p l i c a t i o n sw h i c hi sd i f f e r e n tf r o m2 g d e s i g na n d i m p l e m e n to fm o b i l es t r e a m i n gm e d i as y s t e mi s av e r yb i gc h a l l e n g eb e c a u s e w i r e l e s sc h a n n e lh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fh j 蚀v b r 、h i g h t r a n s m i s s i o nd e l a ya n d v a r i e dt r a n s m i s s i o nr a t e b a s eo na b o v ea l l ，t h i sp a p e ra n a l y s e ss e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e so fm o b i l e s t r e a m i n gm e d i a , i n c l u d i n gm 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 o b i l e s t r e a m i n gm e d i ae n c o d i n ga n dd e c o d i n g 、e n d - t o e n dq o sc o n t r o ls t r a t e g y 。a n d 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 nc o n t r o lp r o t o c o li n c l u d e sr t s p p r o t o c o l 、r t p p r o t o c o l 、r t c pp r o t o c o l 、s d pp r o t o c o l 、r s v pp r o t o c o l ，a n dm o b i l es t r e a m i n gm e d i a e n c o d i n ga n dd e c o d i n gi n c l u d e sf g sa n dp f g s ，a n dm o b i ls t r e a m i n gm e d i aq o s c o n t r o ls t r a t e g yi n c l u d i n gm o b i l es t r e a m i n gm e d i aq o sc o n t r o lm e c h a n i s m 、m o b i l e s t r e a m i n gm e d i aq o sc o n t r o ls t r a t e g y , a n dp u tf o r w a r da ne n d - t o - e n dq o sc o n t r o l s t r a t e g yo f m o b i l es t r e a m i n gm e d i a i nt h ee n d , t h ep a p e ra n a l y s e st h ed e s i g na n d i m p l e m e n to fm o b i l es t r e a m i n gm e d i as y s t e mi np a r t i c u l a ra n dt e s tt h ec a p a b i l i t yo f m o b i l es t r e a m i n gm e d i as y s t e ma n da n a l y s e st h et e s tr e s u l t t h ei s s u ef o c u s e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni sn o v e la n ds h o u l db eag o o dc h o i c ef o r t h en e t w o r ko p e r a t o ra n dv a l u e - a d d e ds e r v i c ep r o v i d e re i t h e ro no p e r a t i o nm o d eo r n e w s y s t e me s t a b l i s h k e yw o r d s ：m o b i l es t r e a m i n gm e d i a ，t r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，p f g s 。q o s h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 豹硗究成栗。据我赝知，除了文中特别热以标洼和致谢的熄方强，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞蝼电太堂或 其纯教育撬构豹学位或证书雨使用过豹奉| 料。与我一同工作的同志踺本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：恕王寄五 签字日期：细年月7 翻 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重塞塑鳃塞堂有关傈辩、使用学位论文的 规定，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，允许论文 被查阅帮借阅。本人授权重庆整垒太堂可以将学位论文的全都或郝分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学挝论文。 ( 保密的学位论文在解密厢适用本授权书) 学位论文作者麓名：瓤王毒玉导师签名：踢 签字匿期：脚薅年6 月7 网 签字目期：多呓年6 秀彦霸 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 背景介绍 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 正在如火如茶地发展；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、提供了广阔的用武之地。随着 2 5 g 、3 g 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、p d a 等移动通信设备的不断完善，使得流媒体技术可以被用到无线终 端设备上。移动流媒体已经成为移动通信发展的新热点，第三代移动通信( 3 g ) 标准的制订使得通过无线信道传输视频信息成为可能。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。在移动数据平台上运行的多种多样的增值业务已经成 为移动营运商提升自己竞争力的制胜法宝。 目前中国联通公司提供c d m a i x ，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 i 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，手机设备运算能力越来越强，存储空 间越来越大，一般的中高档手机，如l gc 9 5 0 ，也能实现基本的m p e g - 4 的软 件解码。面向无线网络的流媒体应用对当前的编码和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，除去网络流量所造成 的传输速率的波动外，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编码技术至关重要。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，因此移动流媒体在信源和信道编码上需要 很好的容错技术。 在无线网络，流媒体业务主要面向c a m a 2 0 0 0 、g p r s 等提供较高带宽的无线 分组网络，可根据流媒体源的不同分为视频业务和音频业务，包括：数字音乐下 载服务、实时新闻等信息服务、远程教育、视频会议，端到端的交互游戏、音视 频等多媒体内容的传递等。目前，基于有线的v o d 、a o d 业务，已经受到了用 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 户的广泛欢迎。在无线网络，空中接口带宽的增加为流媒体业务的开展提供了良 好的基础，结合无线系统不受时间、地点限制的特点，使得移动流媒体业务更具 吸引力，用户可以在上下班的路上，工作间隙，甚至是排队购物时欣赏这些“流 媒体快餐”。由于手机流媒体支持互动性的电视节目，用户也可以十分方便地通 过手机来“电视购物”，当然用户也可以通过相关的链接选择自己喜欢的媒体节 目。 据易观国际预计，伴随移动流媒体应用的逐渐加深，市场格局和产业链也将 逐步完善，2 0 0 6 年用户数将达到1 0 0 0 万左右，市场规模约1 6 亿元人民币。2 0 0 6 年移动流媒体将进入一个争夺用户和视频资源的激烈竞争阶段，市场对移动流媒 体应用的需求将进一步提高。在经过必要的产业盘整后，2 0 0 7 年移动流媒体将进 入稳定发展阶段。移动流媒体业务的市场预测图如图1 1 所示。 图1 1 移动流媒体业务的市场预测图 流媒体业务是3 g 业务区别于2 g 和2 5 g 业务的关键性标志，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。 基于以上的背景，我们认为，研究移动流媒体的关键技术具有非常重要的理 论价值，而构建整个流媒体平台也具有很重要的现实意义。因此，本课题以中国 联通重庆分公司的流媒体项目为依托，选择移动流媒体作为研究的主要方向。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 2 移动流媒体概述 1 2 1 基本概念 流媒体：所谓流媒体是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。我们经常在上网时看到的f l a s h 动 画就是一种形式的流媒体。流媒体应用的一个最大的好处是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 到本地的缓冲区中就可以开始播放，后面收到的数据会源源不断输入到该缓冲 区，从而维持播放的连续性，因此流媒体播放器通常只是在开始时有一些时延。 流媒体系统要比下载播放系统复杂得多，所以需要将多媒体的编解码和传输技术 很好地结合在一起，才能确保用户在复杂的网络环境下也能得到较稳定的播放质 量。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 用户感受不到很高的图像和声音质量。 移动流媒体：就是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，让移动终端用户能够一边下载一边观看、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。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，它是融合很多网络技术之后所产生的技术。它会涉 及到流媒体数据的采集、压缩、传输以及网络通信。通过此项技术，用户将不再 受限于所在位置，可以随时随地收看流媒体节目。 移动流媒体是从固网的流媒体发展而来的，两者的不同主要体现在终端部分 和终端与服务器之间的承载网络。固网流媒体系统和移动网流媒体系统分别如图 1 2 、图1 3 所示。， 澶纛体嗣作童媒体传输服务暑同络 客户稿 图1 2 固网流媒体系统 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 渲纛体制作渣媒体传输服务暑基站手机 图1 3 移动网流媒体系统 实时流式传输：实时流式传输总是实时传送，特别适合现场广播，也支 持随机访问，用户可快进或后退以观看后面或前面的内容。但实时流式传输必须 保证媒体信号带宽与网络连接匹配，以便传输的内容可被实时观看。这意味着在 网络速度比较慢时，连接网络时图像质量较差。而且，如果因为网络拥塞或出现 问题而导致出错和丢失的信息都被忽略掉，那么图像质量将很差。实时流式传输 需要专用的流媒体服务器与传输协议。 顺序流式传输：顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可观 看在线内容，在给定时刻，用户只能观看已下载的部分，而不能跳到还未下载的 部分。由于标准的h t l p 服务器可发送顺序流式传输的文件，也不需要其他特殊 协议，所以顺序流式传输经常被称作h t t p 流式传输。顺序流式传输比较适合 高质量的短片段，如片头、片尾和广告，由于这种传输方式观看的部分是无损下 载的，所以能够保证播放的最终质量。但这也意味着用户在观看前必须经历时延。 顺序流式传输不适合长片段和有随机访问要求的情况，如讲座、演说与演示；也 不支持现场广播，严格说来，它是一种点播技术。 1 2 2 基本原理 1 流媒体技术原理 流媒体的关键技术是流式传输。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 厂r 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 ，i ，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 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 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。 2 播放过程【“ 。 流媒体播放过程分为以下几个阶段： 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 r 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、音视频数据的编码类型或与音视频检索相关 服务器地址； 音视频客户程序及音视频服务器运行实时流控制协议，以交换音视频传输 所需的控制信息，实时流协议提供执行播放、快进、快倒、暂停及录制等命令的 方法； 音视频服务器使用r t p u 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，音视频客户程序即可播放输出。 需要说明的是，实现流式传输一般都需要专用服务器和播放器。 1 3 移动流媒体应用现状 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因特网相 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，在因特网 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，真正使移 动用户享受无线掌上未来。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 从市场需求来看，随着市场的剧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占运营商的主要收 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。 移动流媒体的主要应用如下： m o b i l em u s i c 、m p 3 = = 运营商联合唱片公司每星期发布p o pm u s i c 排 行榜，用户在试听歌曲片段后，可通过小额支付下载到手机上，相当于运营商开 唱片店。这项业务要求手机必须具备m p 3 功能。 m o b i l et v ：用户通过手机收看电视节目，以简便操作获取娱乐感受，相 当于运营商移动流媒体服务器关键技术研究及系统实现开电视台。为了保证收视 效果，带宽必须保证在l o o k b p s 左右。考虑到空中带宽的有限性和巨大的用 户数量，建议运营商采用广播方式而不要采用v o d 方式。电视节目可精选为 新闻、卡通、幽默短片、h t v 、经典片断、电影预告片、t v 节目预告、精彩片 断等，满足大部分用户的需求，同时保证方案的低成本。 i n f o t a i n m e n to nd e m a n d = = 新闻、体育、时尚消费资讯、偶像资讯等。 l i v e 直播：体育赛事、演唱会、会议等大型事件的直播，也可用于交通、 家庭等需要监控的场所。 视频广告：可通过多种媒体( 视频、图像、文字) 组成商品广告、电影广 告、旅游广告等。 视频短片：搞笑短片、旅游景点介绍、广告宣传，企业形象宣传等。 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 监控类：道路监控、宝宝在线、家庭监控等。 各种融合业务形态：融合流媒体和m m s ，将一些视频片断通过m m s 在用户之间转发；融合流媒体和位置业务，将路况、道路指引等信息通过流媒体 的形式展示给用户【2 j 。 在美国、欧洲、韩国、日本等地区，3 g 已经起步，移动流媒体服务已经逐 渐成为移动增值业务的一个重要组成部分，并被业内视为下一个最有潜质的电信 增值业务增长点。2 0 0 1 年1 0 月1 日，d o c o m o 成为全球第一家推出手机流媒体业 务的公司，到2 0 0 4 年1 月，d o c o m of o m a 用户数已达2 0 1 万；之后，k d d i 公司 也推出了自己的3 g 流媒体业务，采用c d m a 2 0 0 0 i x 技术，到2 0 0 4 年1 月底已有 1 8 0 0 万多名使用者；韩国的s k t 也于2 0 0 2 年7 月推出了移动流媒体业务，经过 2 年的发展，拥有的用户超过1 7 0 万，占总用户的1 6 ，该业务单项收入超过2 0 0 0 万美金月。针对该项业务，三星、l g 、诺基亚、n e c 、摩托罗拉等公司纷纷推 出一系列流媒体手机产品，这些手机都内置流媒体播放器，可以利用它们欣赏 到精彩纷呈的流媒体节目。2 0 0 5 年6 月，欧洲首个电视信号直接发送至手机的 商业频道在法国开播，用户只需每月交纳1 2 欧元的费用即可在手机上看直播电 视。推出这项业务的是法国卫星电视广播公司c a n a t s a t 和法国移动电话运营商 s f r 。此外，英国0 2 公司和n t l 公司的广播部门在2 0 0 5 年春季开始进行英 国首次移动电话的多频道电视试验。参加的试验者能接收到1 6 个频道( 其节目 内容包括音乐、体育、新闻、喜剧、连续剧、纪录片、戏剧、卡通片等) 和专门 的交互、游戏和购物频道。2 0 0 6 年1 月份，美国v e r i z o n 也推出了付费手机 电视项目，收费为每月1 5 美元。而s p r i n t 更早在一年前就开始提供手机电视 服务。此外，c i n g u l a r 也推出了相关服务。目前s p r i n t 和c i n g u l a r 的用户可 以通过手机在线观看即时的c n b c 、m s n b c 、澳大利亚广播新闻网等频道的节 目。 目前，3 g p p t s 1 0 7 中已经明确提出了对流媒体业务的需求。为探索这一 新的媒体形式的市场机会，爱立信、a p p l e 、以及s u n m i c m s y s t e m 正合作建 立一项标准，共同推动这一新的多媒体移动业务的开发及消费。在第十一届上海 国际通信展上，爱立信公司已经展示了它与a p p l e 公司合作开发的即时访问多 媒体业务的流媒体解决方案，这个端到端的解决方案遵循3 g p p 标准，可以使 7 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 多媒体服务以流的形式下载到移动设备上进行播放。在日本，n t l d o c o m o 已 经基于流媒体技术推出了多种多媒体应用，并取得了巨大的成功。 1 4 论文结构 本文共有五个部分组成。各章的内容安排如下： 第一章是绪论，主要介绍了移动流媒体课题的研究背景、移动流媒体的相关 概念和移动流媒体的应用现状，分析了移动流媒体广阔的市场应用前景。 第二章介绍了移动流媒体的关键技术，包括其相关传输协议和编解码方法。 移动流媒体传输防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 协议、r t c p 协议、r s v p 协议、s d p 协议等；移动流媒体编解码方法，主要是 研究适宜移动流媒体应用的编解码算法。 第三章对移动流媒体端到端的q o s 控制策略进行了研究，主要是研究移动 流媒体q o s 控制的方法，并把改进a r q 算法加入到移动流媒体q o s 控制策 略中。 第四章给出了移动流媒体平台的网络设计，比较详细的研究了移动流媒体平 台的网络设计与实现以及测试过程，主要包括两个方面内容，一方面是移动流媒 体平台的网络设计与实现，包括系统的软件架构和组网结构，另一方面是系统在 c d m a1 x 网络上的测试与分析。 第五章总结了本文所做的工作，并探讨了进一步的研究方向。 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动流媒体关键技术介绍 第二章移动流媒体关键技术介绍 2 1 移动流媒体介绍 2 1 1 概述 流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 是一种新兴的网络传输技术，它的出现，使得在 网络上观看和传输影音文件变为一种现实。通俗的讲，所谓的流媒体技术，就 是将视音频文件经过压缩处理后，放在网络服务器上，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。 流媒体应用的一个最大的好处是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中就可 以开始播放，后面收到的数据会源源不断输入到该缓冲区，从而维持播放的连 续性，因此流媒体播放器通常只是在开始时有一些时延。流媒体技术并不是单 一的技术，它是融合很多网络技术之后所产生的技术。它会涉及到流媒体数据 的采集、压缩、存储、传输以及网络通信等多项技术【3 】 移动流媒体从固网流媒体发展而来，但它不同于固网流媒体。移动流媒体 是应用流式传输技术在网络上传输的连续时基媒体，如音频、视频、文字、图 片、图形和动画等多媒体文件。它的传输网络是移动网，接收终端是移动设备。 目前在网络上传播多媒体信息主要有两种方式：下载和流式传输。下载方 式是传统的传输方式，指在播放之前，用户下载多媒体文件至本地。通常这类 文件容量较大，依据目前的网络带宽条件，需要较长时间，并且对本地的存储 容量也有一定的要求，这就限制了手机、p d a 等低存储容量设备的使用。流式 传输则把多媒体信息通过服务器向用户实时地提供，采用这种方式时，用户不 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，同时 有助于保护多媒体数据的著作权。、 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动流媒体关键技术介绍 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。当前移动s i m 卡的 容量一般为3 2 k ，加上手机上的存储芯片的容量，整个存储空间也不会很大。 所以，在移动终端中采用传统机制来处理多媒体文件是不可能的。 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间只是缓冲区的 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，目前流媒体技术研究的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。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 提出了分流技术、 缓存技术、智能流技术来克服这些问题。 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，丢弃已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。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 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动流媒体关键技术介绍 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 m 都提供智能流技术。 但是以上技术都是基于固网来实现的，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 网要恶劣得多，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。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一个移动流媒体服务器的解 决方案。 2 1 2 移动流媒体的播放方式 单播：在客户端与媒体服务器之间需要建立一个单独的数据通道，从 一台服务器送出的每个数据包只能传送给一个客户机。每个用户必须分别对媒 体服务器发送单独的查询，而媒体服务器必须向每个用户发送所申请的数据包 拷贝。这种播放方式在业务开展初期适用。因为初期用户量很少，主要采用通 过现有的2 5 代移动通信网络以点对点的单播方式满足用户的基本收视需求， 可以逐步推广手机流媒体业务应用范围，培养用户随时随地观看流媒体节目的 习惯。但是这种巨大冗余会造成服务器沉重的负担。 组播：允许一个或多个发送者( 组播源) 发送单一的数据包到多个接 收者( 一次的，同时的) 。组播源把数据包发送到特定组播组，而只有属于该组 播组的地址才能接收到数据包。组播可以大大的节省网络带宽，因为无论多少 个目标地址，在整个网络的任何一条链路上只传送单一的数据包。它提高了数 据传送效率，减少了主干网出现拥塞的可能性。 随着用户数量的不断增加以及用户对收视质量要求的逐步提高，同时也伴 随着移动运营商们升级改造的第3 代移动通信网络的商用，可以考虑采用利用 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动流媒体关键技术介绍 先进的c d m a i xe v - d o 等第3 代移动通信网络所支持的多播技术，面向较大 的客户群开展点对多点的组播服务，以此减轻对移动通信网络大量重复的通信 数据量的负荷，同时也降低用户对通信费用的支出，为用户提供质优价廉的服 务【4 】。 点播：是客户端与服务器之间的主动的连接。在点播连接中，用户通 过选择内容项目来初始化客户端连接。用户可以开始、停止、后退、快进或暂 停流。点播连接提供了对流的最大控制，但这种方式由于每个客户端各自连接 服务器，却会迅速用完网络带宽。 广播；指的是用户被动接收流。在广播过程中，客户端接收流，但不能 控制流。例如，用户不能暂停、快进或后退该流。广播方式中数据包的单独个 拷贝将发送给网络上的所有用户。 当用户量达到一定的规模时，节且内容进一步丰富，以双向对称通信设计 的移动通信网络将不再能够胜任手机流媒体业务大量数据单向发送的需求。此 时，必须建设适合于广播信号发送的低成本数字广播网络来满足大量用户对海 量节目内容的收视需求。广播式手机流媒体节日时刻都在，用户被动接收，难 以开展互动的个性化服务。但广播式手机流媒体也有它的强项，广播式手机流 媒体不受客户端用数量的限制，能够保证服务高品质，低收费，这是它最大的 优势。 使用单播发送时，需要将数据包复制多个拷贝，以多个点对点的方式分别 发送到需要它的那些用户，而使用广播方式发送，数据包的单独一个拷贝将发 送给网络上的所有户，而不管用户是否需要，上述两种传输方式会非常浪费网 络带宽。组播吸收了上述两种发送方式的长处，克服了上述两种发送方式的弱 点，将数据包的单独一个拷贝发送给需要的那些客户组播不会复制数据包的 多个拷贝传输到网络上，也不会将数据包发送给不需要它的那些客户，保证了 网络上多媒体应用占用网络的最小带宽嗍 2 1 3 移动流媒体的业务模式 移动流媒体基本业务可以分为以下三种典型业务模式： 流媒体点播( v o d ) 。 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章移动流媒体关键技术介绍 内容提供商将预先录制好的多媒体内容编码压缩成相应格式，存放在内容 服务器上并把内容的描述信息以及链接放置在流媒体的门户上。最终用户就可 以通过访问门户，发现感兴趣的内容，有选择的进行播放。 流媒体直播 。 流媒体编码服务器将实时信号编码压缩成相应的格式，并经由流媒体服务 器分发到用户的终端播放器。根据实时内容信号源的不同，又可以分为电视直 播、远程监控等。 下载播放 用户将流媒体内容下载并存储到本地终端中，然后可以选择在任意时间进 行播放。对于下载播放，主要的限制指标是终端的处理能力和终端的存储能力， 内容提供商可以制作出较高质量的视频内容( 高带宽，高帧速率) ，但需要考虑 内容的下载时间及终端的存储空间嘲。 2 2 移动流媒体传输协议 流媒体的关键技术是流式传输。实现流式传输需要有特定的实时传输协 议，如图2 1 所示。 能力交换 话音 场景描述 视频 展示描述 能力交换 静态图像 展示描述( s d p ) 音频 文本 同步文本合成音频等 负载格式( t l l g e 媒 体类型)i 册 耵_ s p 骶p f m c p t c p u d p i p 图2 1 移动流媒体协议栈 r t p ：r e a l - t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l 实时传输协议 一r t c p ：r e a l - t i m et r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l 实时传输控制协议 r t s p ：r e a l - t i m es t r e a m i n gp r o t o c o l 实时流协议 s d p ：s e s s i o nd e s c r i p t i o np r o t o c o l 会话描述协议 这些协议中包括i n t e m e t 本身的多媒体传输协议，以及一些实时流式传输 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动流媒体关键技术介绍 协议等，只有采用合适的协议才能更好的发挥流媒体的作用，保证传输质量。 i e t f 已经设计出几种支持流媒体传输的协议。主要有用于i n t e r n e t 上针对多媒 体数据流的实时传输协议r t p ( r e a l - t i m et r a n s p o rp r o t o c 0 1 ) 、与融田一起提 供流量控制和拥塞控制服务的实时传输控制协议r t c p ( r e f l - f i m et r a n s p o r c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 、定义了一对多的应用程序如何有效地通过i p 网络传送多媒 体数据的实时流协议r t s p ( r e a l - t i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 。 2 2 1 实时传输协议r t p 1 r t p 简介r 1 大多数流媒体应用并不直接使用组播，而是采用基于组播的应用层协议， r t p 就属于这种应用层协议。i e t f 早在1 9 9 6 年就已经接纳r t p 为i n t e m e t 标准，目前r t p 已经成为流媒体传输使用的最广泛的协议。在媒体流化技术研 究中，人们不断地对r t p 提出补充修改意见，i e t f 组织也不断修改更新r t p 协议，目前的最新版本为1 9 9 9 j u n e 版。 实时传输协议( r e f l - t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l ，r t i ) 是在i n t e m e t 上处理 多媒体数据流的一种网络协议，利用它能够在一对一( u n i c a s t ，单播) 或者一 对多( m u l t i c a s t ，组播) 的网络环境中实现传流媒体数据的实时传输。r t p 通 常使用u d p 来进行多媒体数据的传输，但如果需要的话可以使用t c p 或者 a t m 等其它协议，整个r t p 协议由两个密切相关的部分组成：r t p 数据协议 和r t p 控制协议。当应用程序开始一个r t p 会话时将使用两个端口：一个给 r t p ，一个给r t c p 。r t p 本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机 制，也不提供流量控制或拥塞控制，它依靠r t c p 提供这些服务。通常r t p 算 法并不作为一个独立的网络层来实现，而是作为应用程序代码的一部分。 2 r t p 协议的数据格式 r t p 数据协议负责对流媒体数据进行封包并实现媒体流的实时传输，每一 个r t p 数据报都由头部( h e a d e r ) 和负载( p a y l o a d ) 两个部分组成，其中头部 前1 2 个字节的含义是固定的，而负载则可以是音频或者视频数据。在协议中仅 定义了头部的数据结构，而不限制负载大小。负载与应用相关，如v o d 利用 r t p 传输m p e g - l 节目，负载则为m p e g - i 音频数据和m p e g - 1 视频数据。 r t p 头部由对负载的描述信息构成，r t p 数据报的头部格式如下图所示： 1 4 重庆邮电大学硕士论文第二章移动流媒体关键技术介绍 v = 2lplxc c l mlp t i 序列号 时间戳 同步源标识( s s r c ) 提供源标识( c s r c ) 图2 2r t p 头部格式 v e r s i o n ( v ) ：2 比特p a d d i n g 口) ：l 比特 e x t e n s i o no p ：1 比特c s r cc o u n t ( c c ) ：4 比特 l n r r k e ro 田：l 比特p a y l o a d t y p e 口t ) ：7 比特 r i p 数据包头由1 6 字节组成，其中最后4 字节c s r c 域可选，在流媒 体传输中有重要作用的数据域如下所述。 ( 1 ) c s r c 记数( c c ) ：表示c s r c 标识的数目。c s r c 标识紧跟在r t p 固定头部之后，用来表示r t p 数据报的来源，r t p 协议允许在同一个会话中存 在多个数据源，它们可以通过r t p 混合器合并为一个数据源。例如，可以产生 一个c s r c 列表来表示一个电话会议，该会议通过一个r t p 混合器将所有讲话 者的语音数据组合为一个r t p 数据源。 ( 2 ) 标志位m ( m a r k e r ) ：长度为1 位，标志位的功能依赖于数据类型。例 如，可以用标志位标识m j p e g 数据传输中每帧的开始。 ( 3 ) 负载类型( p t ) ：标识r t p 数据包内负载的数据类型，例如m p e g - 1 视频数据、m p e g - i 音频数据或j p e g 等。 对于音频数据，这个域用来指示音频使用的编码类型，例如p c m 、自适应 增量调制或线性预测编码等。如果发送端在会话或者广播的中途决定改变编码 方法，发送端可通过这个域来通知接收端。 ( 4 ) 序列号( 1 6 比特) ：一个r t p 传输会话中的所有r t p 数据包依次 编号，其中第1 个r t p 包的编号可为0 或为一个随机数。每发送一个r t p 数据包，序列号就加l ，接收端可以用它来检查数据包是否有丢失并按照顺序 号处理数据包。例如，接收端的应用程序接收到一个r t p 数据包流，这个r t p 数据包在序列号8 6 - - 8 9 之间有一个间隔，接收端就知道数据包8 7 和8 8 已经 丢失，并且采取措施来处理丢失的数据。序列号可用于数据包的传输顺序检查 和数据丢失检查。 ( 5 ) 时间戳( 3 2 比特) ：记录了负载中第一个字节的采样时间，接收方根 重庆邮电大学硕士论文