【推薦】【電子商務(wù)論文】淺談一種基于RTCP反饋的3G流媒體速率控制算法

1、淺談一種基于rtcp反饋的3g流媒體速率控制算法摘要:在3g流媒體業(yè)務(wù)中，緩存數(shù)據(jù)溢出嚴(yán)重地影響了多媒體畫血質(zhì)量和媒體播放的流 暢性,降低了用戶對(duì)流媒體業(yè)務(wù)感知的滿意度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，根據(jù)3gpp pss提出的反 饋機(jī)制，闡述了一種基于rtcp反饋信息的3g流媒體速率控制算法。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真證明, 該算法不僅有效防i匕了緩存數(shù)據(jù)上溢，而且保證了發(fā)送效率,避免了緩存數(shù)據(jù)欠載，從而實(shí)現(xiàn) 了高質(zhì)量的流媒體服務(wù)。關(guān)鍵詞:rtcp反饋；網(wǎng)絡(luò)緩存上溢；客八緩存下溢；速率控制rate control algorithm for 3g streaming media service based on rt

2、cp feedbackrong wei, kang gui-hua, li hui(institute of computer & information engineering, hohai university, changzhou 213022, china)abstract: the buffer data under-run seriously affected the quality of multimedia images and media playback smooth, and reduced the user perceived streaming med

3、ia business satisfaction in the 3g streaming media services. to solve this problem, the rtcp feedback-based 3g streaming media rate control algorithm according to 3gpp feedback mechanism is introduced the simulation proves that the algorithm not only effectively prevented the buffer overflow, and en

4、sured the efficiency of transmission to avoid buffer underflow, in order to achieve the high-quality streaming media services. 畢業(yè)論文keywords: rtcp feedback; network buffer overflow; client buffer underflow; rate control0引言第三代移動(dòng)通信無(wú)線傳輸技術(shù)，在戶外環(huán)境屮能夠提供384 kb/s的傳輸帶寬，在室內(nèi)最 髙可達(dá)2 mb/s 1,因此3g系統(tǒng)能夠承載髙質(zhì)量的移動(dòng)流媒體業(yè)務(wù)。隨著

5、移動(dòng)用八對(duì)影音 點(diǎn)播業(yè)務(wù)的需求增加和運(yùn)營(yíng)商對(duì)3g網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模推廣,流式多媒體服務(wù)逐步發(fā)展成為最重 要的移動(dòng)增值業(yè)務(wù)2。但是無(wú)線鏈路的時(shí)變特性和移動(dòng)終端的功能限制，使流媒體業(yè)務(wù)質(zhì)最 遭遇了極大的挑戰(zhàn)。研究表明，緩存數(shù)據(jù)下溢通常會(huì)引起畫血定格、用八播放中斷和經(jīng)常性 的數(shù)據(jù)緩沖，而上溢則會(huì)拋棄接收到超出緩存容量限制的數(shù)據(jù)包，從而引起丟包率的增加，破 壞媒體曲面質(zhì)罐，嚴(yán)重影響到用戶對(duì)業(yè)務(wù)感知質(zhì)量的滿意度3。如果流媒體服務(wù)器能根據(jù)當(dāng)前緩存數(shù)據(jù)的使用狀況及時(shí)調(diào)整流媒體的發(fā)送速率就可 以實(shí)現(xiàn)對(duì)緩存數(shù)據(jù)的存貯控制，從而避免緩存數(shù)據(jù)溢出。本文闡述了一種基于rtcp反饋信 息的流媒體速率控制算法,它可以有效地實(shí)現(xiàn)

6、上述目的，實(shí)現(xiàn)流媒體業(yè)務(wù)的無(wú)中斷流暢播放, 提高用戶的感知質(zhì)量。1 rtcp反饋機(jī)制3gpp pss規(guī)范提供了一個(gè)完整的基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)流媒體結(jié)構(gòu)框架4,如圖1所/ji 0圖1基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)流媒體結(jié)構(gòu)框架論文代寫服務(wù)器實(shí)現(xiàn)流媒體內(nèi)容封包，并經(jīng)由公共網(wǎng)internet和移動(dòng)核心網(wǎng)組成的全ip網(wǎng)絡(luò)發(fā)送 給用八終端。在核心網(wǎng)中,網(wǎng)絡(luò)緩存一般存在于sgsn或rnc中，其作用是應(yīng)對(duì)無(wú)線鏈路的 吞吐最變化。在媒體會(huì)話期間,rtp提供了端到端的實(shí)時(shí)傳輸功能，但不保證服務(wù)質(zhì)最，而 rtcp提供關(guān)于肖前網(wǎng)絡(luò)狀況和數(shù)據(jù)接收質(zhì)量的反饋。服務(wù)器根據(jù)這些信息可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)網(wǎng) 絡(luò)狀態(tài)變化的數(shù)據(jù)傳輸控制5。在這種反

7、饋機(jī)制中，客戶端產(chǎn)生rtcp rr(rtcp receiver report,rtcp接收方報(bào)告)，服務(wù)器產(chǎn)生rtcp sr(rtcp sender report,rtcp發(fā)送方報(bào)告)。它 們分別提供了丟包率、i'可隔抖動(dòng)、最大接收包序號(hào)和最人發(fā)送包序號(hào)等信息6。3gpp pss 規(guī)范中還定義了 nadu(next application data unit,下一個(gè)應(yīng)用數(shù)據(jù)單元)反饋包，用以描述終 端能力，并提供客戶端緩存狀態(tài)的信息7o nadu中3個(gè) 主要部分分別為：播放延時(shí)(playout delay,pd),它是卜一個(gè)應(yīng)川數(shù)據(jù)單元的預(yù)定播放時(shí)間和牛成nadu 包的時(shí)間差。下一個(gè)包

8、序號(hào)(next sequence number,nsn),它是緩存中下一個(gè)即將被解碼的數(shù)據(jù)包序 號(hào)。可利用的緩存空間(free buffer space,fbs),它反映了當(dāng)前緩存可用空間的大小。基于rtcp的反饋過(guò)程，如圖2所示。當(dāng)服務(wù)器與客戶端完成會(huì)話建立之后，服務(wù)器便 啟動(dòng)流媒體傳輸過(guò)程,rtp協(xié)議負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)媒體數(shù)據(jù)從服務(wù)器到客八端的傳輸?？桶硕藢⒔y(tǒng)訃 的丟包率、最大接收包序號(hào)(hrsn)、播放延遲、可用的緩存空間和即將送入解碼器的包序 號(hào)(nsn)分別放入rtcp sr和nadu屮對(duì)應(yīng)的參數(shù)域胸成rtcp混合包。rtcp混合包周 期性地發(fā)送給服務(wù)器，用以估計(jì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及客戶端緩存空間的占

9、用狀態(tài)。服務(wù)器還可以利 用發(fā)送包序列號(hào)的統(tǒng)計(jì)值與rtcp rr中的hrsn對(duì)sgsn或rnc上的緩存狀態(tài)做出判斷, 調(diào)整數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率，實(shí)現(xiàn)發(fā)送速率控制引。論文代寫圖2 rtcp反饋過(guò)程2發(fā)送速率控制算法當(dāng)客戶端向服務(wù)器發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求后，服務(wù)器通過(guò)rtsp協(xié)議為客戶端配置連接屬性，并 獲得網(wǎng)絡(luò)緩存和客戶端緩存n max和c max，完成流媒體會(huì)話的建立9。會(huì)話建立 后，服務(wù)器將媒體內(nèi)容分割打包,標(biāo)記序列號(hào)。并發(fā)送給客戶端。設(shè)笫i個(gè)數(shù)據(jù)包的大小為si, 當(dāng)服務(wù)器在會(huì)話初始時(shí)刻發(fā)送的第一個(gè)數(shù)據(jù)包序號(hào)為isn=0,則在t時(shí)間內(nèi)發(fā)送n個(gè)數(shù)據(jù)包 的數(shù)據(jù)量為zni=isn=osio 服務(wù)器收到來(lái)自客戶端的

10、rtcp反饋后，可以獲知rtcp rr報(bào) 告產(chǎn)牛時(shí)客戶端己接收的包序號(hào)hrsn,以及本地記錄的發(fā)送包序號(hào)，即當(dāng)前己發(fā)送的最人包 序號(hào)htsno序號(hào)htsn與hrsn的差值表示為止在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)口,假設(shè)這些數(shù) 據(jù)包都暫存在網(wǎng)絡(luò)緩存中，那么可估計(jì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)緩存存儲(chǔ)狀態(tài)為：n curr =htsni=isnsi 工 hrsnj=isnsj(1)因此，服務(wù)器每收到一個(gè)rtcp反饋包就町以由上式求得網(wǎng)絡(luò)緩存狀態(tài)?？蛻舳耸盏降?數(shù)據(jù)包預(yù)先存貯在終端緩存中,然后按時(shí)間戳順序送入解碼器解碼播放?？蛻舳松蒼adu 反饋與序號(hào)為nsn的數(shù)據(jù)包預(yù)定播放時(shí)間之間的延遲為t pd ，服務(wù)器接收到rtcp反饋的時(shí)

11、間為t rr ，序號(hào)為i的數(shù)據(jù)包預(yù)定播放時(shí)間即時(shí)間戳ti,故冇時(shí)間偏移t off :t off =t rr +t pd -t nsn(2)這個(gè)時(shí)間偏移是rtcp反饋中nadu包從生成到被接收的時(shí)間，同時(shí)也考慮到了發(fā)生 播放暫?；驍?shù)據(jù)緩沖的情況。服務(wù)器在收到反饋包示t時(shí)刻rr )可測(cè)知當(dāng)前客戶 端緩存的空余量為：c free =fbs+s nsn ,t nsn +t off <tfbs,t nsn +t off &gt;t(3)式中:fbs為nadu反饋的緩存可用空間；t nsn +t off 為數(shù)據(jù)包nsn的實(shí) 際解碼時(shí)間。由于式(3)沒冇考慮服務(wù)器已經(jīng)發(fā)送，但客戶端尚未接收的數(shù)

12、據(jù)包,故對(duì)上式作如 下修正：c free =fbs+s nsn -n curr ,t nsn +t off <tfbs-n curr ,t nsn +t off &gt;t(4)禾憂式(1)和式，服務(wù)器在發(fā)送卜'一個(gè)數(shù)據(jù)包i= htsn+1前，應(yīng)做如卜-判斷：n curr +si<n maxsi<c free(5)當(dāng)上述兩式同時(shí)成立時(shí)，表明網(wǎng)絡(luò)緩存和客戶端緩存尚有余量接收新的數(shù)據(jù)包，服務(wù)器 繼續(xù)發(fā)送新的數(shù)據(jù)包是安全的。否則，服務(wù)器暫停發(fā)送直至上式中條件成立。進(jìn)一步考慮發(fā) 送速率控制的冇效性，對(duì)式做如下修止：n curr +si<n thrcholdsi&

13、lt;c threhold(6)式中:n threhold ,c threhold為安全閾值，這個(gè)閾值可以保證在新的rtcp反饋到 來(lái)前，不會(huì)因?yàn)椴荒芗皶r(shí)判斷發(fā)送條件而造成緩存數(shù)據(jù)溢出。由式和式還可以看出,n curr估值略有偏高而c free估值略為偏低。這樣 做是為了可以更冇效地防止經(jīng)常性的網(wǎng)絡(luò)緩存數(shù)據(jù)上溢和移動(dòng)終端數(shù)據(jù)下溢的發(fā)生。3算法仿真根據(jù)上述算法，用matlab仿真,時(shí)長(zhǎng)為42 s的媒體內(nèi)容以57 kb/s的速率編碼，在服務(wù)器 端均分為360個(gè) 包。無(wú)線鏈路上的最人帶寬為64 kb/s,在鏈路數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程小有5 s的小 斷。sgsn或rnc上的緩存最大值為160 kb,客戶端緩存最

14、大值為320 kb,并在媒體應(yīng)用前 冇3 s的預(yù)緩沖。設(shè)定安全閾值n threhold ,c threhold分別為最大值的95%和90%。 客戶端rtcp反饋包的發(fā)送間隔為1 so如果服務(wù)器對(duì)發(fā)送速率不加控制時(shí)，網(wǎng)絡(luò)緩存與客戶 端緩存中的數(shù)據(jù)量如圖3,圖4所示?？桶硕嗽?1 s左右緩存開始發(fā)牛:數(shù)據(jù)溢出，網(wǎng)絡(luò)緩存在 4550 s之間由于無(wú)線鏈路發(fā)生中斷，網(wǎng)絡(luò)緩存中數(shù)據(jù)雖急劇上升并發(fā)生數(shù)據(jù)上溢。圖5為服 務(wù)器的發(fā)送速率。圖3無(wú)速率控制的網(wǎng)絡(luò)緩存數(shù)據(jù)量圖4無(wú)速率控制的客戶端緩存數(shù)據(jù)量圖5無(wú)控制的服務(wù)器發(fā)送速率基于rtcp反饋控制算法的服務(wù)器可以及吋估計(jì)緩存狀態(tài)，并控制發(fā)送速率，即使無(wú)線 鏈路發(fā)生

15、中斷也能冇效地防止緩存數(shù)據(jù)上溢。從圖6和圖7町以看出,網(wǎng)絡(luò)緩存和客戶端緩 存屮的數(shù)據(jù)量始終控制在具存儲(chǔ)能力范圍內(nèi)。當(dāng)無(wú)線鏈路中斷后，服務(wù)器發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)緩存屮數(shù) 據(jù)量超過(guò)安全閾俏時(shí)就暫停了數(shù)據(jù)發(fā)送，其發(fā)送速率如圖8所示。山于320 kb的終端緩存可 以存儲(chǔ)5.6 s的57 kb/s媒體內(nèi)容,所以理論上可以承受5 s的無(wú)線鏈路中斷。從圖7亦 可以看出，該算法兼顧了數(shù)據(jù)發(fā)送效率,較為侖理地利用了終端緩存空間，保證了在媒體應(yīng)用 過(guò)程中不發(fā)生數(shù)據(jù)下溢，避免了鏈路中斷對(duì)播放流暢性的影響。圖6有速率控制的網(wǎng)絡(luò)緩存數(shù)據(jù)量圖7有速率控制的客戶端緩存數(shù)據(jù)赧圖8冇控制的服務(wù)器發(fā)送速率4結(jié)語(yǔ)本文所闡述3g流媒體速率控制算

16、法，是基于3gpp pss規(guī)范中rtcp rr和nadu反 饋信息，以防止網(wǎng)絡(luò)緩存和終端緩存數(shù)據(jù)欠載為n的實(shí)現(xiàn)的。從仿真的結(jié)果來(lái)看，該算法不僅 可以避免緩存數(shù)據(jù)上溢，而且能使終端緩存保持?jǐn)?shù)據(jù)豐滿，有效地抵抗了由無(wú)線鏈路惡化或完 全屮斷造成的彩響。如果該算法結(jié)合白適應(yīng)流和流瘦化技術(shù)可以更好地實(shí)現(xiàn)3g多媒體的流 暢播放10,提高用戶對(duì)業(yè)務(wù)的感知質(zhì)量。參考文獻(xiàn)1 張建華，王瑩.wcdma無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)m.北京:人民郵電出版社,2007.2 elsen i, hartung f, hom u et al. streaming technology in 3g mobile communication s

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