（计算机系统结构专业论文）无线环境下的流媒体传输技术的研究.pdf

摘要 在无线环境下流媒体传输存在丢包率高、吞吐量受误码率和移动性的影响 等特殊的q o s 问题。采用单纯的网络层q o s 保证机制或端系统自适应传输技 术都不能完全解决这些问题，本文在系统地分析流媒体的q o s 指标的基础上， 提出了一种通用的、层次化的无线环境下流媒体传输系统的整体框架，包括可 在各层采用的q o s 保证机制。这些q o s 保证机制可以分别使用，也可以结合 使用。该传输框架的优点是适应范围广，实现比较容易，为流媒体应用提供了 能够保证q o s 的传输平台，从而简化流媒体应用开发的难度。在这个框架下， 本文分别从传输层、网络层和链路层提出了改进流媒体传输的q o s 的机制： 1 ) 在网络层，针对流媒体传输的时延、丢包率要求，本文提出了一种 d i f f s e r v 网络环境下的基于多优先级探测的准入控制方法，从网络层的角度为 不同类型的应用数据流提供一个有时延和丢包率保证的端到端连接。 2 ) 在传输层，为了保证流媒体传输在动态网络环境中的t c p 友好性，高 平滑性和高响应性，本文分析了p a d h y e st c p 吞吐量模型存在的缺陷，提出 一种基于动态t c p 吞吐量模型调节发送速率的动态t c p 友好拥塞控制机制； 为了减小无线环境下的高误码率、切换等对流媒体传输带来的巨大影响，提高 流媒体传输的吞吐量，本文提出了一种基于( m ，k ) 统计测量方式的端到端 丢包区分算法，它在不同的无线链路差错控制机制下都能保持较高的区分精确 度；在此基础上本文还设计了一种适合于无线环境的流媒体拥塞控制机制。 3 ) 在链路层，为满足不同的应用程序的q o s 要求，本文提出了一种基于 多优先级的无线链路传输机制，针对不同的应用采用不同转发优先级和不同的 差错控制方法。该机制为流媒体应用提供低时延、低误码丢包率的链路传输服 务，改善了无线环境下的流媒体传输的整体的q o s 。 关键词：流媒体传输，q o s ，无线环境，t c p 友好性，准入控制，拥塞控制 r e s e a r c ho ns t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi nw i r e l e s s e n v i r o n m e n t l vy u n f e i ( c o m p u t e ra r c h i t e c t u r e ) d i r e c t e db yw a n g x i n g g a n g t h e r ea r e s p e c i a lq o sq u e s t i o n st h a ts t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o ns u f f e r s h i g hp a c k e tl o s sr a t i oa n dl o wt h r o u g h p u tb e c a u s eo f t h eh i g hb i te r r o rr a t i oa n d m o b i l i t yi nw i r e l e s se n v i r o n m e n t n e i t h e rs o l en e t w o r kq o sg u a r a n t e es c h e m en o r a d a p t i v e t r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y i ne n d s y s t e m s c a n e n t i r e l y s o l v et h e q o s q u e s t i o n so fs t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s se n v i r o n m e n t a f t e rt h eq o s g u i d e l i n e sa r es y s t e m i c a l l ya n a l y z e d ，ag e n e r a ll a y e r e df r a m ef o rs t r e a m i n gm e d i a t r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s se n v i r o n m e n ta sw e l la st h e q o sg u a r a n t e es c h e m e s a d o p t e d i ne a c hl a y e ra r e p r o p o s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e s e q o sg u a r a n t e e s c h e m e sc a nb ee i t h e ri n d i v i d u a l l yo ru n i t e d l yu s e d t h em e r i to ft h ep r o p o s e d f r a m ei st h a ti ti ss u i t a b l ef o rm o r ei n s t a n c e s ，i m p l e m e n t e de a s i l ya n dc a np r o v i d e at r a n s m i s s i o n p l a t f o r m w i t hq o sg u a r a n t e e ，w h i c hr e d u c e st h e d i f f i c u l t y o f d e v e l o p i n gs t r e a m i n gm e d i aa p p l i c a t i o n s d i f f e r e n t s c h e m e sf o r i m p r o v i n gt h e q o so fs t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o ni sp r o p o s e dr e s p e c t i v e l ya tt r a n s p o r tl a y e r ， n e t w o r kl a y e ra n dl i n kl a y e ri nt h ed i s s e r t a t i o n ： 1 ) a tt h en e t w o r kl a y e r ，t os a t i s f yt h er e q u e s to ft h ed e l a ya n dp a c k e tl o s s r a t i oo fs t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o n ，a na d m i s s i o n - c o n t r o lm e t h o db a s e do n m u l t i p l e - p r i o rp r o b i n gi sp r o p o s e di nd i f f s e r vn e t w o r kt op r o v i d ed i f f e r e n tk i n d s o f a p p l i c a t i o nd a t as t r e a m sw i t ha n e n d - t o - e n dc o n n e c t i o nw i t hg u a r a n t e eo f d e l a y a n dp a c k e tl o s sr a t i oi nt h ed i s s e r t a t i o n 2 ) a tt h et r a n s p o r tl a y e r ，t og u a r a n t e et h et c pf r i e n d l i n e s s ，h i g hs m o o t h n e s s a n dh i g hr e s p o n s i v e n e s so fs t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o ni nd y n a m i cn e t w o r k e n v i r o n m e n t ，ad y n a m i c t c pf r i e n d l y c o n g e s t i o n c o n t r o ls c h e m eb a s e do n d y n a m i ct c pt h r o u g h p u tm o d e li sp r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o nw i t h t h et h ef l a wo f p a d h y e s t c pt h r o u g h p u tm o d e l b e i n ga n a l y z e d ；a n e n d t o e n d p a c k e t l o s s d i f f e r e n t i a t i o na l g o r i t h mb a s e do n ( m ，k ) s t a t i s t i c a lm e a s u r i n g ，w h i c hc a nm a i n t a i n h i g hp r e c i s i o n o f p a c k e tl o s sd i f f e r e n t i a t i o ni nd i f f e r e n t l i n ke r r o rc o n t r o ls c h e m e ， i s p r o p o s e di n t h ed i s s e r t a t i o ns oa st or e d u c et h ei n f l u e n c eo ns t r e a m i n gm e d i a t r a n s m i s s i o no fh i g hb i te r r o rr a t i oa n dh a n d o v e ri nw i r e l e s se n v i r o n m e n ta n d i n c r e a s et h et h r o u g h p u to fs t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o n b a s e do nt h ea l g o r i t h m ， a s t r e a m i n g m e d i a c o n g e s t i o n c o n t r o ls u i t a b l ef o rw i r e l e s se n v i r o n m e n ti s d e s i g n e d 3 ) a t t h el i n k l a y e r ，t os a t i s f y d i f f e r e n t q o sr e q u e s t s o fd i f f e r e n t a p p l i c a t i o n s ，aw i r e l e s sl i n kt r a n s m i s s i o ns c h e m eb a s e do nm u l t i p l ep r i o r i t vi s p r o p o s e d ，i n w h i c hd i f f e r e n t s c h e d u l i n gp r i o r i t y a n d d i f f e r e n te r r o rc o n t r o l m e t h o d sa r eg i v e nt od i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s t h ep r o p o s e ds c h e m ec a np r o v i d e t h e s t r e a m i n gm e d i aw i t hl i n kt r a n s m i s s i o ns e r v i c eo fl o wd e l a ya n dl o wb i t e r r o r p a c k e tl o s sr a t i o ，w h i c hi m p r o v e st h ew h o l eq o so fs t r e a m i n gm e d i at r a n s m i s s i o n i nw i r e l e s se n v i r o n m e n t k e y w o r d ：s t r e a m i n g m e d i a t r a n s m i s s i o n ，q o s ，w i r e l e s se n v i r o n m e n t ，t c p f r i e n d l i n e s s ，a d m i s s i o nc o n t r o l ，c o n g e s t i o nc o n t r o l 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。就我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。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。 作者签名：马云飞日期：2 0 0 斗，岁f 关于论文使用授权的说明 中国科学院计算技术研究所有权处理、保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅；并可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其它复制手段保存该论文。 作者签名：昌云飞 导师签名： 2 纾即 日期：1 - o o q 0 1 1 流媒体应用及其前景展望 第一章绪论 随着网络技术的发展和多媒体技术的不断成熟，网络上所传输的信息已不 再局限于简单的文字和图像，而是朝着传输以视频、音频组成的多媒体信息的 方向发展。同时，随着宽带网的普及和无线网络的建设，用户需要更多基于网 络的多媒体应用，如视频点播、远程教育、电子商务等。 现在人们从网络上接收多媒体基本有两种方式：先下载后播放、边下载边 播放。在流媒体技术诞生之前，人们只能将多媒体文件全部下载在本地硬盘上 之后，才能开始播放。这既需要很长的下载时间，又占用很大的本地存储空间， 因而客观上阻碍了多媒体在i n t e r n e t 中的传播。一种解决途径是在下载的同时， 就可以对接收的尚未完整的多媒体数据进行播放，即流媒体技术，它是实现边 下载边播放的一种技术，连续的视频和音频信息经过压缩后，从流媒体服务器 连续、实时的发送，接收端接收到部分多媒体数据后就可以开始解码并进行播 放【肖0 3 。 与传统的先下载后播放的做法相比，流媒体技术有很大的优势： 1 ) 实时性强。在传统的做法里，用户必须等到多媒体数据全部下载完毕 后才能播放。而在流媒体技术，用户只要等待一个很小的启动时间就可以播放 多媒体数据，并且用户可以进行拖动，快速播放等实对性交互操作。 2 ) 对于网上现场直播、实时监控等应用，原来的先下载后播放的方式根 本无法实现，只能依靠流媒体技术。 3 ) 有利于版权保护。在流媒体系统中，多媒体数据不用下载到客户机上 再进行播放，而是一边接收一边播放，客户机上不存储整个多媒体数据文件， 这非常有利于保护多媒体数据的版权。 近年来，流媒体技术在世界范围内已有应用，特别是1 9 9 5 年推出第一个 i n t e r n e t 流媒体播放器以来，i n t e r n e t 流媒体应用有了爆炸性增长。i n t e r n e t 的 发展更是决定了流媒体市场的广阔前景。商业网站利用流媒体上新闻、音乐直 播和点播，企业和机构采用点播和流媒体进行员工培训、信息发布、公司介绍 等可提高效率，节约开支。据统计，目前i n t e r n e t 上每周约有4 5 0 0 0 小时的 广播节目，5 8 个美国电视台提供w e b 广播，3 4 个电视台提供点播服务。有近 半数的跨国企业公司在内部使用流媒体实现w e b 广播。正如几年前的i p 网络 中固科学院博i j 学位论文无线环境下的流嫒体传输技术的研究 和w e b 技术，流媒体应用难处于高速持续增长时期。还有一组来自国际权威 机构的调查，2 0 0 0 年在网上访问流媒体的人数增加6 5 ，西方网络发达国家 访问流媒体的人数已达到1 1 亿人，约占网民的1 3 ，在亚洲也迅速增加到2 5 0 0 力_ 入，约占网民的1 9 。与用户增长相呼应，去年i n t e r n e t 上视频流媒体技术 应用增长幅度达2 5 1 。在美国已经有三分之一的i n t e r n e t 用户使用流媒体业 务，有近百家的i s p 提供流媒体业务，在2 0 0 0 年已有4 0 亿左右的市场；在欧 洲、亚洲等地这样的用户也有一定的规模；在我国流媒体业务在一两年内将达 到1 0 亿元的市场。有专家预测：网络流媒体应用在美国2 0 0 4 年将达到2 1 0 亿 美金的市场规模，这样巨大的市场吸引越来越多的企业参与竞争。2 0 0 0 年1 2 月，a p p l e 、c i s c o 、k a s e n n a 、p h i l i p s 和s u n 宣布成立i n t e r n e t 流媒体联盟( i s m a ) ( h t t p ：i s m a l l i a n c e w i n d e x h t m l ) ，意在共同推动流媒体市场，并制订相应的 开放标准和实施协议。国内外厂商的纷纷拥入，将使我国的流媒体市场更加活 跃，更加成熟，当然，竞争也将更加激烈。 随着无线技术地迅速发展及3 g 标准的发展，无线网络及传统的移动通信 网都已成为i n t e r n e t 的重要组成部分，无线移动用户的数量将会越来越多。原 有各种i n t e r n e t 的应用势必都要移植到无线网络中，作为新型的网络应用，流 媒体业务必然会在无线网络中得到更广泛的应用。人们可以使用3 g 手机，掌 上电脑等无线网络终端设备，通过无线网络来接受流媒体内容，如视频 m e s s a g e 、网络音乐、电视预告、影片片段等。目前i e t f 不断出台关于流媒体 的标准化协议。 目前很多无线终端设备公司都投入大量的资金研究无线流媒体传输技术： 1 ) 诺基亚公司应用i e t f 规定的控制和传输层协议，提供整套含标准化音 频、视频、静止图像编码解码器、文件格式和情景描述语言的解决方案。同时 它还致力于剥用标准化的媒体编码解码器在其他3 g 多媒体业务中产生最佳协 同作用。在未来5 年内，诺基亚目前主推的i t u t h 2 6 l 影像编码解码器的 标准化努力将为市场带来高质量的、具有无线流特定优化形式的影像编码解码 器。 2 ) 为了配合3 g 网络的高传输速度，同时也希望借此进入日益火暴的移动 通信市场，苹果公司近日连续发布了其旗舰产品q u i e k t i m e 的多个版本，为通 过无线网络创建、提供和播放多媒体内容奠定了基础。其中q u i c k t i m e6 3 是 业界首款支持3 g p p 标准的主流解决方案，在q u i c k t i m e6 的成功基础上， q u i c k t i m e6 3 进一步允许用户应用诸如手机、p d a ( 个人数字助理) 等新一 代无线设备，共享高品质影像、音效与文本信息。q u i c k t i m e6 ，3 广泛支持3 g p p 标准，包括高级音频编码( a a c ) 、自适应多速率( a m r ) 音频、m p e g 一4 与h ，2 6 3 视频、3 g 文本( t x 3 g ) 以及原生3 9 p 文件格式。而稍后发布的 2 第一章绪论 q u i c k t i m e6 5 则支持3 g p p 2 标准，新增a a c 文件、a m r 文件和q c e l p ( q u a l c o m r nc o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i v e ) 音频格式文件、m p e g 4 以及h 2 6 3 视频格式文件播放的支持【肖0 3 1 。 可以预见，流媒体应用将会成为i n t e r n e t 和无线移动网络的最重要的应用。 然而，流媒体应用目前存在一个很大的问题：q o s 问题，流媒体在传输中受网 络的影响出现丢帧、延迟等从而造成视频和音频播放质量通常较差，常常出现 画面模糊、马赛克、播放断续停顿等现象，极大影响了客户的观看效果。因此， 研究流媒体传输，解决其q o s 问题成为流媒体应用推广的当务之急。 1 2 流媒体传输的特点和q o s 要求 相对于传统的数据业务流媒体应用具有以下五个特点： 1 ) 流媒体数据在网络上的传输不仅对丢包和比特错误敏感，而且对传输 延迟和实时性同样敏感，当传输延迟超过一定闽值后同样被视为丢包。根据资 料l i u 9 7 显示，当音频的延迟超过2 5 0 m s 后，人耳就能明显的感觉出停顿。 而视频的停滞同样会大大降低观赏质量。多媒体数据的传输客观上要求数据包 准时并按一定顺序到达，以保证在接收端同步然后播放，这是传统t c p 流的 传输所不要求的。 2 ) 流媒体数据普遍较庞大，而且传输过程往往具有突发性。庞大的数据 传输量决定流媒体应用将占用比传统t c p 流大得多的带宽，而且更易导致拥 塞。 3 ) 流媒体文件中不同数据部分在重要性分布上非均匀。因为压缩的原因， 多媒体数据与数据之间往往存在关联和依赖性。如果依赖某部分数据a 的其 它数据越多，则a 的重要性就越高。例如，m p e g 码流中的i 帧重要性高于p 帧和b 帧【钟0 2 】。 4 ) 流媒体传输在一定程度上允许错误，甚至以局部错误换取整体效率和 质量。这也是有别于传统t c p 流的。因为多媒体文件中不同数据部分在重要 性分布上是非均匀的。所以对重要的关键部分或感兴趣的部分要求具有鲁棒 性，但对重要性较低的数据，比如细节部分，有传输错误则可容忍。 5 ) 网络和接收端的非均匀性。网络的予网资源，包括带宽、存储能力、 处理能力、拥塞控制策略等，在i n t e r n e t 中不均匀的分布。同时，接收端的处 理能力、显示能力、对传输延迟的需求、对视音频质量的要求等也是千差万别 的。 据此，我们可以看出流媒体应用相对于传统的数据传输有其特殊的q o s 要求： 玉 中国科学院博_ 学位论文无线环境下的流媒体传输技术的研究 1 ) 流媒体的传输对带宽有最低要求，并需要尽量平滑的吞吐量。只有保 证一定的带宽才能使足够的数据包及时的传送到接收端，从而达到能够令人满 意的播放质量；流媒体在播放时应保证播放质量的平稳性，而编码质量必须与 连接的吞吐量相匹配，才能保证接收端及时的接受到足够的数据进行解码播 放，因此流媒体传输应尽量有较平滑的吞吐量。 2 ) 流媒体传输有实时性要求，对端到端的传输时延，抖动非常敏感。如 对于视频会议系统，i t u t 提出单向延迟的上限为1 5 0 m s ( 包含信息从源端被 捕获、数字化、编码压缩、传输到目的端解码、显示的全部过程) 叶0 3 】。 3 ) 流媒体传输对丢包率有一定的要求。虽然流媒体传输在一定程度上允 许错误，但是过多的丢包会影响流媒体的播放质量。h 3 2 3 系统规定视频的数 据包丢失率要小于1 ；而音频的丢包率要小于3 。 4 ) 流媒体传输的t c p 友好性。所谓t c p 友好性指“在稳定时长时间内所 占用的带宽不超过同样情况下的t c p 流”【w d m 0 1 】。作为传统的数据业务， t c p 传输将长期存在，因此流媒体的传输应保证t c p 友好性，即与t c p 流竞 争豹公平性。 1 3 流媒体传输的q o s 问题 1 3 1 有线网络对流媒体传输的影响 流媒体传输有带宽、对延、丢包率等q o s 要求，而目前的i n t e r n e t 是一种 尽力而为型的网络，它只是为上层应用提供单一的b e s t e f f o r t 的传输服务，不 对应用提供任何的q o s 保证。 为了保证网络尽量简单，目前的i n t e r n e t 不提供任何的流量控制和差错控 制机制，这些工作由端系统负责完成。而目前端系统采用的传输控制机制 t c p r f c 2 0 0 1 ，r f c 2 5 8 l 】是一种针对突发性的、可靠的、非实时数据传输的控 制协议，它将流量控制和差错控制结合起来为目前的w e b 、f t p 等数据流提供 传输控制。t c p 传输控制机制显然不能满足具有实时性、有一定差错容忍性的 流媒体传输的q o s 需求。 1 3 2 无线网络对流媒体传输的影响 除了有线网络的问题外无线网络环境相对于有线网络环境有以下几个问 题，使无线网络环境下的流媒体传输更加困难【a h 0 2 b 】： 1 ) 高的丢包率和误码率( b i te r r o rr a t e ) 。 在有线环境中，丢包大都是由于网络拥塞引起的，但是在无线环境中无线 i 第一章绪论 信道受噪音干扰，多径效应，信号衰减等的影响，误码率很高 m p 9 2 】，这不仅 导致丢包率增加，而且使传输的吞吐量过低，严重影响流媒体的播放质量。 2 ) 带宽资源有限且不稳定 众所周知，无线信道的带宽资源有限，g p r s 提供的带宽只有1 4 4 k b p s ， 而3 g 提供的最高带宽也只有2 m b p s ，无线局域网最高提供5 4 m b p s 的带宽刘 0 3 1 ，相对于有线网络的上千兆的带宽资源来说，无线网络的带宽资源显然是 很稀少的。另外无线网络信道带宽会由于多径效应、信道的相互干扰，噪音等 影响而降低；并且信道的容量随着移动终端与基站之间的距离的改变而波动。 这对带宽需求量较大的流媒体应用来说是一个很大的限制。 3 ) 终端的移动性是无线环境下通信的一个重要特点。它可以使人们行动 中不受约束的与其他人通信，随时随地的享用i n t e r n e t 的资源。这就要保持数 据传输在移动过程中的连续性，而_ 由于无线信号分布的不均匀性会造成终端在 移动过程中，链路的质量变化不定，影响流媒体的传输；而且终端的移动性会 造成切换的发生，目前的各种解决方案都不十分令人满意，移动切换的时间较 长，丢包率较大，而且包的延迟、抖动显著增加，这对流媒体的性能影响很大。 1 4i p 网络中流媒体传输的q o s 保证机制 为了解决流媒体应用的q o s 问题，国内外的研究人员分别从网络和流媒 体终端的角度进行研究，即一方面研究如何让网络提供一定质量的q o s 保证， 另一方面尝试让流媒体终端根据现有的网络资源作自适应调整的传输，从而获 得最佳的播放质量。下面我们将介绍一下上述两个方面的研究状况。 1 4 1i p 网络的q o s 保证机制 目前i p 网络采取“尽力而为”型的服务方式，其本身并不提供q o s 保证。 而多媒体的出现使用户不仅仅满足于得到“尽力而为”的q o s ，不同的应用有 不同的q o s 要求，这就要求网络根据不同的应用要求提供不同的q o s ，这就 是网络q o s 技术。目前已提出的网络q o s 技术主要分为四种： 1 ) 集成服务( i n t s e r v ) 【r f c l 6 6 3 】 集成服务的基本思想是在传送数据之前，根据业务的q o s 需求进行网络 资源预留，从而为该数据流提供端到端的q o s 保证。它通过r s v p 协议 f r f c 2 2 0 5 ，2 2 0 8 】为每个流在其传输路径上预留其所需的网络资源，保证流传输 的q o s 。这种方法可以很好的为单个流提供q o s 保证，但是由于r s v p 的信 令过于复杂，并且要求路由器保存大量的流状态信息，可扩展性差，无法在大 型网络上实施。 ! 中图科学院博j + 学位论立无线环境下的流媒体传输技术的研究 璎嘲络f ：实施。 2 ) 区分服务( d i 髑e r v ) r f c 2 4 7 5 1 区分服务的基本思想是将用户的数据流按照q o s 要求来划分等级，任何 用户的数据流都可以自出进入网络，但是当网络出现拥塞时，级别高的数掘流 在排队和占用资源时比级别低的数据流有更高的优先权。区分服只承诺相对的 q o s ，而不对任何用户承诺具体的q o s 指标。它将复杂的i p 分组分类、标记 以及调整等工作推到网络边缘，使得高性能的核，f l , 交换机和路由器能以极高的 速度转发分组穿过网络，网络中也不需要维护每个业务流的信令或状态，从而 核心路由器和交换部件只需要很少的改动或者根本不需要改动，具有良好的扩 展性和可升级性。 3 ) q o s 路由 现在的i n t e r n e t 路由协议( o s p f 、r i p 等) 都采用单个测度- ( 如跳数、成 本) 来计算最短路由，没有考虑多个q o s 参数的要求。q o s 路由根据多种不 同的度量参数( 如带宽、成本、每一跳开销、对延、可靠性等) 来选择路由， 从而为数据流提供q o s 保证。q o s 路由包括三个主要功能：链路状态信息发 布，路由计算和路由表存储【k k k m 0 2 】。q o s 路由能够满足业务的q o s 要求， 同时提高网络的资源利用率。但是q o s 路由的计算十分复杂，增加了网络的 开销，目前实用的q o s 路由算法还不多见。 4 ) 多协议标签交换( m p l s ) d r a f t m p l s 9 9 】 m p l s 将电信网的机制引入了计算机网中，它将灵活的三层i p 选路和高 速的二层交换技术完美的结合起来，从而弥补了传统i p 网络的许多缺陷。 m p l s 通过流量工程、q o s 路由以及分类转发等提供q o s 保证机制。m p l s 与 d i f f s e r v 相似，都是对数据报分类聚集传输的q o s 协议，都使用标记确定数据 报的服务级别和传输参数，都可以和约束路由技术相配合实现端对端的可预测 性传输。m p l s 使用了一种全新的数据报封装方式使得其能够具有更多的服务 级别，加之标记交换技术的应用使得m p l s 能够提供较d i f f s e r v 与s b m 为优 的q o s 支持。尽管如此，m p l s 仍然存在与d i f f s e r v 相似的问题，如q o s 管 理局部性问题和q o s 保证粒度的问题。 以上四种q o s 技术可以结合使用。例如i n t s e r v 和d i f f s e r v 结合，在核心 网采用d i f f s e r v ，在接入网采用i n t s e r v 。又如m p l s 和d i f f s e r v 结合，或m p l s 和q o s 路由结合。 无线网络相对于有线网络来说具有高误码率、带宽资源有限、移动等特点， 它的q o s 保证方面的研究主要包括以下几个方面： 1 ) 键路差错控制机制的研究 6 第一章绪论 目前通常有两种差错控制技术f e c ( f o r w a r d e r r o rc o r r e c t i o n ) 和 a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 用来保证无线环境下的高质量的数掘传输。f e c 主要通过数据包中包含的冗余信息恢复丢失的数据包，它能保证传输的时延较 小，主要用于具有实时特性的流媒体的传输，但是它也带来了很高的负荷，降 低了带宽的有效利用率；a r q 比f e c 更高效，通过重传丢帧来降低丢包率， 但是帧的重传会带来额外的延时，会影响流媒体的传输性能。g s m 采取了四 种f e c 的差错控制力度，以及不同力度的a r q 来适应不同的链路环境【m p 9 2 】。 2 ) 数据包头部压缩 由于无线信道的带宽资源有限，而基于i 汀p u d p ，i p 传输的流媒体数据包 有一个很大的头部会造成带宽的浪费，为了提高带宽利用率，采用头部压缩是 一个很有效的手段，目前已形成r f c 3 0 9 5 。张亚琴等提出了针对t c p i p 头的 头部压缩算法【l z z z 0 1 】。 3 ) 切换技术的研究 针对切换对传输产生的影响，目前已经提出了许多关于移动过程中通信连 续性的技术，如m o b i l ei p i p v 6 d r a f t - m o b i l e l p v 6 0 0 】，c e l l u a r l p d r a f t c e l l u l a r i p 0 0 】 等，它们都从网络层的角度解决通信连续性问题，实现移动切换过程中的快速、 无缝切换 d r a f t f a s t h a n d o f f 0 0 1 ，而且为了保证切换后的q o s ，很多研究人员致力 于移动过程中的q o s 保证，包括r s v p m o b i l ei p 的结合等。 为了减少切换对传输造成的影响，i e t f 成立了专门的工作组研究 m o b i l e l p i p v 6 协议，包括快速切换，无缝切换等；无线环境下的r s v p 以及 q o s 切换等。 1 4 2 网络终端系统的q o s 保证机制 虽然，网络q o s 技术可以有效地为流媒体应用提供q o s 保证，并且使流 媒体应用程序实现简单，但是这需要对整个网络的路由器进行升级或替换，实 现较困难：而且目前的网络q o s 技术还存在一定的问题，目前都无法广泛应 用于i n t e r n e t 上。相比较而言，从网络终端入手，可以通过很多手段来提高流 媒体的q o s ，而且采取的策略相对简单，具有可实施性。网络终端系统的q o s 保证机制主要是采取自适应的流媒体传输技术，即根据网络状态的变化，动态 调整媒体的质量使之与网络状态相匹配，目前这方面地研究主要分为以下几个 方面： 1 4 2 1 流媒体拥塞控制机制的研究 拥塞控制的目的是使应用程序能够有效的合理的利用网络带宽，获得最佳 的性能。拥塞控制可以防止网络进入严重的拥塞状态，造成应用程序性能的严 7 中陶科学院博i 学位论5 c - - 无线环境下的流媒体传输技术的研究 重下降。因此，网络要求应用程序进行拥塞控制，保证应用程序对网络资源变 化的适应性。 流媒体应用有其特殊的要求：实时性，对丢包有一定的容忍性以及吞吐量 要保持尽量的平滑。目前i n t e r n e t 上的传输控制协议t c p 并不适合于流媒体的 传输控制，因为t c p 是种将拥塞控制与差错控制融为一体的传输控制协议， 它通过在发送端监听数据包的应答信息调节流的吞吐量，当检测到数据包丢失 时，即认为发生拥塞，将发送速率减半，并通过包重传机制保证数据的可靠传 输 r f c 2 5 8 1 】。速率减半使传输速率陡降影响流传输的平滑性，而包重传机制 会增加数据包的时延抖动和乱序，这对于有时延要求并可容忍一定丢包率的流 媒体传输并不适合，因此需要研究和设计新的传输控制机制。该机制不仅要满 足流媒体的需求，而且要具有t c p 友好性。 为了保证吞吐量的平滑性和传输的t c p 友好性，目前流媒体拥塞控制机 制主要采取两种方式 f h p 0 0 】，一是采用公式法，即对t c p 的控制机制进行分 析，建立t c p 的吞吐量模型，推导出t c p 的吞吐量公式( 即与丢包率p 和往 返时延r t t 的函数关系式) 。发送端根据通过接收端定期的反馈，计算r t t 和p ，根据吞吐量公式计算出的值调整发送速率，保证吞吐量的平滑性和t c p 友好性，其中最被广泛认可的是t f r c 拥塞控制机制：二是采用t c p l i k e 的 方式，即还是按照a i m d 的方式调整发送速率，但是为了保证吞吐量的平滑性， 其参数a ，b 采取较小的值( a l ，b k ，为了恢复整个片 段，用户仅需要接收n 个包中的任意k 个包。 如果单向传输时间远低于允许的时延，可以采用a r q 作为差错控制。当 观测到第n 个包丢时，如果t c u r + r t t + d s t d ( n ) w y h z 0 0 】，则请求重发 n 包，可以是接收端控制，也可以是发送端控制。t e 为当前时间，r t t 为估 计的往返时延，d s 为了容忍r t t 的估计误差，发送端相应时间等，t d ( n ) 为包到达的时间期限。 由于流媒体的数据包的重要性分布不均，因此出现了基于数据内容的非均 匀性错误控制 m r l 0 0 ，k m a 0 2 ，w z z z 0 l a ，通过对重要的数据包( 例如i 帧) 加大f e c 冗余力度或多次重传，保证重要帧的传输成功率；而对于那些 非重要的数据包，则采用较小的冗余或不进行重传，节约带宽，保证整体上的 流媒体的播放质量。 2 ) 信源错误控制 目前高效的流媒体编码大都采用帧间编码的方式，使帧间存在依赖性，会 造成错误的传播，信源错误控制常采用错误恢复( e r r o rr e s i l i e n c e ) f w f g 0 0 ， w w w k 0 0 ，z z x z 0 1 的方法，它的作用在于防止错误的扩散，减小错误造成 的影响范围。如用于无线传输环境的重同步标志( r e s y n c h r o n g i z a t i o n ) 数据隔 离( d a t ap a r t i t i o n i n g ) 、可逆变长编码( r e v e r s i b l ev a r i a b l el e n g t hc o d e s ，r v l c ) 等以及i n t e r n e t 上采用的最优模式选择( o p t i m a lm o d es e l e c t i o n ) 【钟0 2 】和多描 述编码( m u l i t p l ed e s c r i p t i o nc o d i n g ) p r l b 0 0 】。m d c 把原始的视频序列压缩 成多个码流，每个流对应一种描述，都可以提供可接受的视觉质量。多个描述 结合起来可以提供更好的质量。该方法的优点是实现了对数据丢失的健壮行和 增强的质量，缺点是压缩效率较低。上述方法研究的一个重点是如何在数据的 鲁棒性和编码效率之问取得折衷是这类算法研究的关键。 3 ) 信源信道联合编码 9 中圈科学院博j 学位论文无线环境下的流媒体传输技术的研究 信源信道联合编码是根据全局的率失真理论( r dt h e o r y ) 【l g 0 2 ，l s g 0 2 动念的为源压缩数据和信道的f e c 保护信息分配带宽，使得全局的观看效果 最佳。它的基本步骤是：第一，根据接收方反馈的网络状态选择一个最佳的码 率分配点；第二，调整源编码器使其码率输出达到所分配的带宽：第三，选择 合适的信道编码方法加入保护信息，达到所分配的带宽。信源信道数据联合 编码的优点是可以随网络特性的变化动态地改变保护级别，达到最佳地接受方 播放效果，它的困难在于全局地优化实现非常困难。 4 ) 错误隐藏机制 当接收方发现数据传输有错时，可以采用错误隐藏技术使得视频地播放质 量更适合用户观看。所谓隐藏就是尽可能地减弱因为数据出错而造成地解码错 误。错误隐藏方法可以分为两类：时间插值( 帧间编码) 和空间插值( 帧内编 码) 。时间插值适用于帧问编码的模式的误码恢复；空间编码适用于帧内编码 的误码恢复模式，利用受损块的周围的象素插值来恢复误码【w z 9 8 】。时间、 空间插值可以结合起来使用最大限度的提高重建视频的播放质量。 1 4 2 3 流媒体编码技术和速率整形 为了使流媒体有较强的自适应性，流媒体编码必须根据网络状态自适应的 改变编码，调节发送的速率。目前提出的编码技术包括： 1 ) 分层可扩展性编码，它已被许多现行的国际压缩标准接纳，如h 2 6 3 + 和m p e g 4 。它包括时域可扩展性编码、空域可扩展性编码和质量可扩展性 编码。分层可扩展编码的每一层要么不传输，要么全传输，否则会造成严重的 误差传播现象【钟0 2 】。 2 ) 精细地可扩展性编码( f g s ) 【l w z 9 9 】。由于它能够在任何位置进行截 断，被认为是适合i n t e r n e t 流传输的编码方法：第一，基本层使用基于分块运 动补偿和d c t 变换的编码方式达到网络传输的最低要求：第二，增强层使用 位平面编码技术对d c t 残差进行编码覆盖网络带宽的变化范围；第三，每一 帧的增强层码流可以在任何位置截断：第四，解码器重建的视频质量和收到并 解码的比特数成正比。 速率整形是针对已有的服务器中的流媒体数据，根据网络的可用带宽的变 化，通过一定的方式调整码流速率使其与网络可用带宽相匹配。它常用的方法 包括代码转换、码率替换、频域过虑等 y g h s 9 6 】。 1 ) 代码转换是指服务器保存一个质量足够好的视频流，当需要降低输出 码率时，服务器通过部分解码和编码来实现。例如从压缩视频中提取出d c t 系数，然后使用大的d c t 系数重新量化从而减小发送速率。 2 ) 码流切换( b i ts t r e a ms w i t c h i n g ) 是指服务器保存不同质量的多个副本， i n 第章绪论 这些流的关键帧( i 帧) 是对其的，当网络带宽发生变化时，选择合适的码率。 其优点是计算开销低，但是磁盘空间占用大。 3 ) 帧丢弃。它是指当网络发生变化时，通过丢弃帧降低速率，丢弃的顺 序按帧的重要性逆序排列。 4 ) 频域过虑分为低通过虑和颜色过滤。低通过虑是将d c t 系数的高频部 分丢弃；颜色过滤是丢弃部分或全部的色度信息，它没有降低帧速率，只是降 低了帧质量。 1 。4