移动流媒体技术及发展现状

1、 第 15卷,第 2期2008 年 6月中国传媒大学学报自然科学版V o l. 15, N o . 2June, 2008JOURNAL O F COMMUN ICAT ION UN IVER SITY O F CH INA ( SCIENCE AND TECHNOLOGY )移动流媒体技术及发展现状李彩凤,严冰(中国传媒大学 信息工程学院 ,北京 )摘要:移动流媒体技术是网络音视频技术和移动通信技术 发展到一定阶段的产物,随着 3G技术的逐渐发展 ,流媒体业务正成为移动增值业务的热点。本文首先介绍了移动流媒体的关键技术及其特点以及移动流媒体业务的系统结构 ,然后介绍了流媒体的 QoS控制,最

2、后介绍了移动流媒体的发展现状以及影响其业务发展的一些制约因素。关键词 :移动流媒体 ;协议;动态多码率技术 ; QoS;移动网络中图分类号 : TN919 8 文献标识码 : A 文章编号 : 1673- 4793( 2008) 02- 0059- 04The Technology ofM ob ile Stream ing M ed ia andIts D evelopm entL I Ca ifeng, YAN Bing( Info rmation Eng ineering Schoo,l Communication U nivers ity of Ch ina, B eijing )Ab

3、stract: T he technology of mob ile stream ing media is the product when Internet video /audio andmob ilecommunication techno logy have developed to a certain stageW ith the developm ent of 3G, the stream ingmedia has becom e the core o f themobile value- added Serv ice Th is paper introduces the key

4、 techno logyof stream ing media and its characters, also the system structure o fmobile stream ingmedia is referred, thenit expla ins theQoS contro l o f stream ing media A t las, t it notes the developm ent status and som e factorsthatw ill influence its applicat ionK ey w ord s: mob ile stream ing

5、 media; protoco ls; the technology of dynam ic multi- rate; QoS ; mobile network 与互联网、视频融合的新时代。本文介绍了移动流1 引言媒体的系统结构及其相关技术,并介绍了影响其发展的一些制约因素。在移动话音业务已日趋饱和的今日 ,移动通信行业却风采依旧,从 1G、2G到 2 5G到即将商用的3G,移动增值业务一直发展得如火如荼,在移动通信业务日益发展和普及的今天 ,在移动网络中开展视频业务,可以不受时间地点的限制。利用手机进行视频点播、可视通话、开通视频会议、直播球赛等开始成为人们的迫切需要,因而移动流媒体业务开始

6、成为移动增殖业务一个热点 ,它开创了无线通信2 移动流媒体业务的系统结构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、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,其结构如图 1所示。收稿日期 : 2007- 03- 07作者简介 :李彩凤 ( 1984 ),女 (汉族 ),山西忻州人 ,中国传媒大学硕士研究生 . 6 0中国传媒大学学报自然科学版第 15卷图 1 移动流媒体业务框架图从图 1可以看出,移动流媒体系统结构由以下几部分组成:( 1)移动流媒体平台 :

7、移动流媒体平台实现用RTP协议是针对多媒体数据流的实时传输协议,一般用于一对一或一对多的传输情况下,提供时间信息和实现流同步。 RTP通常使用 U DP来传送数据,但也可以在 TCP或 ATM 等其他协议上工作。户认证和为用户提供个性化的内容发现、播放及下载功能,其中流媒体服务器提供点播和直播服务。 当应用程序开始一个 RTP对话时将使用两个端口 :由于终端的不统一性和多样性 ,流媒体服务器也要求支持标准流媒体格式和已经广泛存在的主流流媒体格式;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冲。在用户访问并播放远端的流媒体内容时,内容缓冲服务器

8、使得媒体内容更接近用户,可以平滑 IP网络造成的时延抖动。一个给 RT P,另一个给 RTCP 。RTP本身并不能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制 ,也不能提供流量控制或拥塞控制,它依靠 RTCP 来提供这些服务。通常 RT P算法不作为一个独立的网络层来实现,而是作为应用代码的一部分。( 2)实时传输控制协议 ( RTCP )RTCP 和 RT P一起提供流量控制和拥塞控制服务,在 RTP会话期间,各参与者周期性地传送 RTCP( 2)传输网:传输网负责流媒体服务所有信息传输,既包括控制命令消息,也包括数据内容消息。 包, RTCP 包中含已发送的数据包的数据、丢失的数传输网部分一般包括

9、:空中接口、无线交换、IP分组网等。据包数量等统计资料。因此服务器可以利用这些信息动态地改变传输速率,甚至改变有效载荷类型,RTP和 RTCP 配合使用,能有效的反馈和以最小的开销使传输效率最优化,因而特别适合传输网上的实时数据。( 3)移动终端:移动终端要具有内容发现的功能,协议可以采用 WA P或 HTTP, 并可以通过终端上的流媒体播放器实现流媒体内容的再现。( 4)内容提供商:为移动流媒体业务提供内容 ,包括离线编码或在线编码方式制作内容。( 3)实时流协议 ( RT SP )RTSP 定义了一对多应用程序如何有效地通过IP网络传送多媒体数据。 RTSP 在体系结构上位于RTP和 RT

10、CP 之上,它使用 RTP或 TCP完成数据传输,使用 RT SP时,客户端或服务器端都可以发出请求。3流媒体的关键技术31 移动流媒体业务的协议栈( 1)实时传输协议 ( RTP )( 4)会话描述协议 ( SDP )SD P只是一种用于会话描述的协议 ,它并不是 第 2期李彩凤等 :移动流媒体技术及发展现状61一个传输协议,也不包含在媒体的编解码之中,而是用于在不同协议间传输消息的通知协议 ,其主要目的是解决多媒体会话通知、邀请和媒体会话的其他初始化工作。体信息经过压缩后对错误非常敏感 ,系统应提供完善的容错机制,具有错误处理能力。( 4)终端支持能力的适配。流媒体系统应提供终端类型识别和

11、终端设备能力适配能力。( 5)资源预定协议 ( R SVP )4移动流媒体的技术特点 :音视频数据流对网络的延时比数据业务更敏感,如何在网络上传输高质量的音视频数据,除了带宽要求以外,还需其他条件。 RSV P通过采取预留一部分网络资源,在一定程度上为流媒体传输提供Q oS。在我国 3G移动通信网尚处于试验阶段 ,当前的移动流媒体业务承载在 G PR S和 CDMA - 1X的中速数据通道上。因为 G PRS和 CDMA - 1X解决了承载层的移动性问题,故剩下来需要解决的问题是如何在带宽窄、干扰大、传输不稳定的无线环境中以及在体积小、低耗电的终端中完成流媒体的传送和回放。相对于固网流媒体而言

12、 ,移动流媒体技术还需要解决以下问题:32 流媒体的编解码格式流媒体业务中的编解码格式包括 3个部分:视频编解码格式、音频编解码格式和文件格式。目前在流媒体业务中使用的主要的编解码格式有 MPEG - 4、H 263以及 H 264 ,微软公司制定的W INDOW S M ED IA播放标准 WMV、A SF、R eal公司制定的 RM 格式等。音频编解码主要包括 AAC 和AMR 等,文件格式主要包括 AV I、M PEG - 4、3G P、3G 2、WMV 及 RM 等。( 1)高压缩比与低运算量与有线信道比较,无线信道所能提供的带宽是受限的,且移动用户所付费用与该用户在无线链路中所传送的

13、总数据量成正比。要想在有限的带宽中传送大量的数字视频信号,这就要求流媒体系统对流媒体编码时,需要采用某种极低比特率的视频压缩编码算法,即要求很高的压缩比。在选择视频编码标准时,不仅要考虑高压缩比,还要考虑该标准压缩、解压缩运算的复杂程度。采用较高运算复杂度的编解码标准,不仅会提高移动终端的硬件成本,而且增加了终端的功耗。一般情况下,压缩比越高,运算越复杂,所以应该采用一种折衷的方法。( 2)高容错性在开展流媒体业务之前 ,需要根据各方面的情况选择相对通用的编解码技术标准。在选择编解码格式时,需要从以下几个方面考虑这些编解码技术是否符合移动通信的要求。( 1)编解码格式必须是具有一定的影响力、普

14、及性较大的技术,如国际标准。( 2)符合在移动通信终端设备上应用的基本要求,包括对运算能力的要求、压缩比例、存储空间及网络带宽。相对于有线信道,移动通信采用的无线传输信道的环境比有线信道要恶劣的多 ,数据包的接收误码率比有线信道要高几个数量级 ,且随着基站和终端的位置、方向的变化,误码率会发生很大的变化 ,且压缩的视频流对误码十分敏感 ,即使是不高的误码率,也会严重影响终端回放的视频质量。为了尽可能减少误码对视频质量的影响程度 ,需要提高信道的容错能力,即通过增强信源编码算法的容错性、使用强有力的信道编码方式和采用最佳接收检验技术来满足视频传输的要求。此外 ,承载流媒体业务的网络传输层及底层移

15、动通信系统也可以进一步改善流媒体传输的抗误码性能。( 3)版权费。33QoS控制由于无线网络吞吐量波动较大 ,数据包的丢失率高,因此需要采用一定的措施来保证流媒体业务的 Q oS。( 1)网络要求。需要无线网络向用户提供有保障的数据传输速率,提供端到端的 QoS。( 2)动态内容可缩放机制。动态内容可缩放性机制保证在无线网络吞吐量出现波动的情况下 ,能够连续地进行流式播放。( 3)容错机制。由于在移动信道中是采用无线电波来传输的,而无线传播的环境非常恶劣。多媒( 3)实时适应网络带宽的变化在移动通信系统中 ,受环境的影响网络传输带 6 2中国传媒大学学报自然科学版第 15卷宽变化很大,要想在移

16、动网络上开展流媒体业务,必须使流媒体系统能实时适应网络带宽的变化。其中最重要的是应尽量减少在播放过程中的中断 ,以保证终端用户有良好的感受。要想满足以上要求 ,媒体服务器首先要知道网络带宽的情况。为了判断每个终端的带宽,可以使用 RTCP 和扩展的接收方报告 ( RR )。移动终端通过 RR 向服务器报告,媒体服务器根据报告中的平均丢包率 ( FR )、最近一小段时间的累计丢包率 ( CNPL )和终端缓冲区内的流媒体数据存储时间 ( BF )三个参数可以确定目前每个终端的可用带宽和当前可提供的服务水平。由此服务器对传送给终端的音视频流进行相应的调整。多码率技术就是用来解决这种环境下的 QoS

17、问题,根据网络带宽的变化,流媒体服务器可以动态地选择所传输内容的编码速率。它是通过服务器端的码流适配和终端的 Q oS控制一起实现的。止到 2005 年,全球 WCDMA 共开通 64个网络,用户达到 2000 多万。网络承载能力的提升为需要宽带传输的流媒体业务提供了基本条件 ,在 3G发展初期,视频通话和球赛直播是 3G的市场基础,手机电视成了移动流媒体的重要应用。各国 3G运营商开始推出多频道电视直播,专门为手机制作的视频短集, VOD 等业务。虽然移动流媒体业务拥有良好的发展前景 ,但应当看到手机电视等流媒体业务尚处于宣传期和导入期,离规模化商用还有很大距离,当前流媒体业务尚面临网络技术

18、、标准化、终端和产业政策等方面的障碍,而这些障碍需要随着网络的演进来解决。从网络技术的角度看,手机电视等流媒体业务对网络带宽的要求比较高。目前 ,国内运营商虽然能够提供基于现有 2 5G网络的手机电视等移动流媒体业务,但受网络带宽所限 ,图像、声音效果尚不如人意,用户能够使用的流媒体业务种类还非常有限,因此,网络带宽无疑是制约移动流媒体业务发展的关键因素。事实上,目前不少系统将以上两种技术混合使用。在网络情况正常时,系统可以根据网络情况灵活的在多种速率中选择和切换。当网络阻塞 ,系统无法采用可选择的最低速率传送时 ,系统会采用关键帧技术,只传送 I类型的关键帧。从终端的角度看,支持流媒体业务的

19、手机不仅需要语音处理芯片,而且还需要处理视频的芯片,使的手机价格不菲,成为手机视频业务普及的一大瓶劲。( 4)终端适配与耗电问题移动用户数量庞大,用户终端种类繁多,且它们之间的差异很大。例如,终端对文件格式的支持能力、图形与字符的显示能力 (屏幕大小、比例大小、分辨率、色彩域 )、音频能力 (单音道、立体声 )等方面存在很大差异。这些差异造成了同一节目在不同终端上回放的效果不一样,甚至在某些终端中无法回放。因此,在流媒体解决方案中,流媒体服务器必须与终端设备相互交互,要根据终端设备的类型,传送相应的节目类型。此外,从国内的情况看,移动运营商提供手机等流媒体业务还面临着行业监督政策的制约。长期以

20、来,国内广电行业与通信行业各不相关、互不进入。今后在移动电视等流媒体领域,移动运营商与广电部门之间如何建立良好的合作机制与商业模式 ,需要积极探索。6 结束语( 5)内容的版权管理问题随着版权意识的增强 ,为了确保内容提供商的利益,要求终端用户下载的节目内容无法进行录制或者将节目转发给其他用户 ,其他用户在没有通过版权认证情况下也无法观看。随着 3G移动通信技术的逐渐成熟以及 3G网络设备和终端设备的不断完善,移动通信网不仅能够提供传统的语音业务,还能提供高速率的宽带视频业务,支持高质量的语音、分组数据业务以及实时视频传输。由信息产业部组织的大规模 3G试验验证了 3G时代多样化业务应用的可行

21、性 ,试验结果表明移动流媒体业务是能大大提高用户通信体验的优秀业务之一。5 流媒体业务的发展现状及其制约因素从 2004 年开始,全球 WCDMA 和 CDMA - 1XEV - DO 网络开通与业务开拓进入快速增长期 ,截(下转第 70页 ) 70中国传媒大学学报自然科学版第 15卷由图 6的仿真结果可知,基带信号已完成 2PSK社, 2001 调制;本设计过程验证了该方法具有外围电路简单、能简化传统调制器的设计、且设计灵活、效率高、实效性好等特点。 2 王成,吴继华 A ltera FPGA /CPLD 设计 M 北京:人民邮电出版社, 2005 3 褚振勇,翁木云 FPGA 设计及应用

22、M 西安:西安电子科技大学出版社, 2002 4 沈保锁 现代通信原理 M 北京:国防工业出版社, 2002 5 结束语2PSK调制相对于 2FSK、2A SK具有带宽窄、频带利用率高、抗干扰性强等优点,广泛地运用于中、高速通信系统中。但在更高速的通信系统中 , 2PSK调制已不能满足频带利用率和系统的有效性等要求,故基本采用多进制调相系统。此外,绝对调相系统会产生倒相现象,因此应考虑采用相对相位调相系统。这些方面有待在以后的设计研究中做进一步改进和完善。 5 黄智伟 FPGA 系统设计与实践 M 北京:电子工业出版社, 2005 6 康华光,邹寿彬 电子技术基础数字部分M 北京:高等教育出版社, 2000 7 张肃文,陆兆熊 高频电子线路 M 北京:高等教育出版社, 1993 8 QuartusII V ersion 5 0 H andbook A l