3G流媒體業(yè)務(wù)的QoS及解決之道

移動(dòng)流媒體技術(shù)被認為是移動(dòng)增值業(yè)務(wù)的一個(gè)熱點(diǎn)，它開(kāi)創(chuàng )了無(wú)線(xiàn)通信與互聯(lián)網(wǎng)、視頻融合的新時(shí)代。隨著(zhù)3G網(wǎng)絡(luò )基礎設施的完善、移動(dòng)終端功能的增強和媒體內容的豐富，流媒體業(yè)務(wù)必將會(huì )成為未來(lái)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)新的增長(cháng)點(diǎn)。

　　運營(yíng)商在開(kāi)展流媒體業(yè)務(wù)中，最為關(guān)心的問(wèn)題是服務(wù)質(zhì)量（QoS）。流媒體的QoS問(wèn)題在有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中已經(jīng)得到了廣泛的研究并提出了很好的解決方案，然而無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，用戶(hù)的移動(dòng)性、傳輸信道的惡劣等使得移動(dòng)流媒體的QoS保證更加復雜。本文就3G流媒體業(yè)務(wù)的QoS問(wèn)題進(jìn)行了分析，并給出了解決方法。

　　移動(dòng)流媒體業(yè)務(wù)是運營(yíng)商通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )和移動(dòng)流媒體系統向終端用戶(hù)提供音、視頻多媒體內容服務(wù)，涉及到流媒體數據的采集、壓縮、存儲以及網(wǎng)絡(luò )通信等多項技術(shù)。

　　根據內容的播放方式與內容來(lái)源，移動(dòng)流媒體業(yè)務(wù)可以分為流媒體點(diǎn)播（VOD）、流媒體直播和下載播放3種業(yè)務(wù)類(lèi)型。開(kāi)展流媒體業(yè)務(wù)至少需要一臺內容服務(wù)器和一臺流媒體客戶(hù)端，此外還可能會(huì )涉及到門(mén)戶(hù)、檔案服務(wù)器、緩存服務(wù)器和代理等其他組件，以提供附加業(yè)務(wù)或改善整體業(yè)務(wù)質(zhì)量。

　　QoS問(wèn)題分析

　　流媒體的播放有嚴格的實(shí)時(shí)性要求，要求在特定的時(shí)間間隔內將特定的數據單元解碼顯示。而目前3G流媒體業(yè)務(wù)開(kāi)展中存在一些問(wèn)題，如媒體文件播放中的停頓、馬賽克等現象，大量用戶(hù)突發(fā)訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)熱門(mén)內容（如電視直播）時(shí)服務(wù)器處理困難等等，這些問(wèn)題都涉及到流媒體的QoS保證。

　　在網(wǎng)絡(luò )傳輸過(guò)程中，影響流媒體服務(wù)質(zhì)量最主要的幾個(gè)因素是帶寬、誤碼率及延遲抖動(dòng)。

　　帶寬

　　隨著(zhù)移動(dòng)流媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展和用戶(hù)的不斷增長(cháng)，帶寬的問(wèn)題日益凸顯，運營(yíng)商無(wú)法為所有的用戶(hù)提供足夠的帶寬。這種矛盾對于無(wú)線(xiàn)頻段資源有限的移動(dòng)通信來(lái)說(shuō)尤為突出。帶寬的問(wèn)題對流媒體業(yè)務(wù)開(kāi)展的影響是雙方面的：一方面會(huì )影響到用戶(hù)收看質(zhì)量；另一方面，由于流媒體應用消耗帶寬大，會(huì )對網(wǎng)絡(luò )造成影響。

　　誤碼率

　　相對于有線(xiàn)傳輸信道，移動(dòng)通信所要使用的無(wú)線(xiàn)傳輸信道環(huán)境要惡劣得多，因信道質(zhì)量、流量控制機制而導致的數據丟包、誤碼率要高得多。而壓縮視頻流對誤碼非常敏感，即使接收到數據包的誤碼率很低，也會(huì )對解碼后的圖像質(zhì)量造成很大影響。

　　延遲抖動(dòng)

　　數據分組存儲轉發(fā)的性質(zhì)決定了延遲和抖動(dòng)是不可避免的，所以對流媒體傳輸而言，端到端的延遲應該控制在一定范圍之內。

　　終端能力

　　終端側的影響因素包括緩沖區的設置、接入帶寬和編解碼的處理能力等。緩沖設置得不合適則可能導致溢出和丟包，從而影響用戶(hù)觀(guān)看質(zhì)量；接入帶寬應大于媒體流的碼率，否則會(huì )出現停頓、跳幀現象；解碼處理能力則與CPU、內存、顯卡、顯示驅動(dòng)程序的關(guān)系密切。另外，流媒體系統應提供終端類(lèi)型識別和終端設備能力適配等功能。

　　QoS問(wèn)題解決方法

　　編碼技術(shù)

　　先進(jìn)的視頻編碼方案可進(jìn)一步提高視頻數據的壓縮效率，盡可能消除視頻中的冗余信息，使得信源編碼輸出的數據量盡可能少，從而適應網(wǎng)絡(luò )最低傳輸帶寬的情況，同時(shí)，可以提供靈活的視頻質(zhì)量分級來(lái)最大限度適應網(wǎng)絡(luò )的動(dòng)態(tài)特性，盡可能為用戶(hù)提供好的視頻質(zhì)量。

　　視頻編碼技術(shù)可以分為兩類(lèi)：面向存儲的非擴展性編碼技術(shù)和面向網(wǎng)絡(luò )傳輸的可擴展性編碼技術(shù)。

　　非擴展性編碼的主要缺點(diǎn)是傳輸碼流碼率的變化缺少適應網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)變化的靈活性。雖然一些編碼方案為了提高視頻流適應網(wǎng)絡(luò )帶寬變化的靈活性，進(jìn)行了技術(shù)上的改進(jìn)，如轉碼技術(shù)和碼流切換技術(shù)，但只能算是一種折中方案，因為這種靈活性的提高是以增加視頻服務(wù)器開(kāi)銷(xiāo)或增加存儲量作為代價(jià)的。存在這種問(wèn)題的根本原因是傳統的非擴展性視頻編碼技術(shù)是面向存儲的而非面向傳輸的。

　　為了徹底克服面向存儲編碼技術(shù)的缺點(diǎn)，可擴展性編碼技術(shù)得到了快速的發(fā)展。這些技術(shù)在進(jìn)一步提高編碼效率的同時(shí)，增加了編碼輸出碼流適應網(wǎng)絡(luò )帶寬動(dòng)態(tài)變化的靈活性?？蓴U展性編碼就是將多媒體數據壓縮編碼成多個(gè)碼流，其中一個(gè)可以獨立解碼，它稱(chēng)為基本層碼流；其他的碼流稱(chēng)為增強層，它們不可以單獨解碼，而只能與基本層和它以前的增強層聯(lián)合在一起解碼，用來(lái)提高觀(guān)看效果?？蓴U展性編碼主要分為分層可擴展性編碼、精細可擴展性編碼和漸進(jìn)精細可擴展性編碼3種。

　　分層可擴展性編碼已經(jīng)被許多現行的國際壓縮標準接納，主要包括時(shí)域可擴展性、空域可擴展性和質(zhì)量可擴展性編碼。

　　精細可擴展性編碼（FGS）特點(diǎn)如下：增強層使用位平面編碼技術(shù)對DCT（Discrete Cosine Transform）殘差進(jìn)行編碼來(lái)覆蓋網(wǎng)絡(luò )帶寬的變化范圍；每一幀的增強層碼流可以在任何地點(diǎn)截斷；解碼器重建的視頻質(zhì)量和收到的比特數成正比。

　　漸進(jìn)精細可擴展性編碼（PFGS）重構的增強層的質(zhì)量明顯高于基本層的圖像質(zhì)量，運動(dòng)補償更有效，從而提高了編碼效率，同時(shí)也減少了差錯的傳播。

　　擁塞和差錯控制

　　擁塞控制的目的是采用某種機制應對和避免網(wǎng)絡(luò )阻塞，降低時(shí)延和丟包率。對于流媒體業(yè)務(wù)，擁塞控制的主要方法是速率控制。速率控制機制可以同時(shí)使網(wǎng)絡(luò )擁塞和包丟失率達到最小。速率控制機制主要包括基于源端、基于目的端以及混合速率控制。

　　擁塞控制只能減少數據包的丟失，但是網(wǎng)絡(luò )中不可避免的會(huì )存在數據包丟失，而且到達時(shí)延過(guò)大的分組也會(huì )被認為沒(méi)有用而被丟棄，從而降低了視頻質(zhì)量。要改善視頻質(zhì)量就需要一定的差錯控制機制。

　　差錯控制機制包括以下幾項：

　　前向糾錯（FEC）。FEC是通過(guò)在傳輸的碼流中加入用于糾錯的冗余信息，在遇到包丟失的情況時(shí)，利用冗余信息恢復丟失的信息。它的不足是增加了編碼時(shí)延和傳輸帶寬。

　　延遲約束的重傳。通常流的播放有時(shí)間限制，因此，僅有當重傳的時(shí)間小于正常的播放時(shí)間時(shí)，重傳才是有價(jià)值的。

　　差錯抑制。這是一種根據存在的前后幀的相關(guān)性來(lái)重構丟失幀的方法。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是對發(fā)送端沒(méi)有任何影響，缺點(diǎn)是增加了終端解碼工作的負擔。另外，對于大量突發(fā)丟包的情況，重構依據的幀也丟失，導致重構失敗。

　　容錯編碼。容錯編碼通過(guò)編碼時(shí)的特殊處理來(lái)減小丟包對整個(gè)文件播放造成的影響。流媒體文件傳輸中，丟包產(chǎn)生的影響包括兩個(gè)方面：一個(gè)是丟失了視頻流的同步信息；二是導致獨立編碼幀錯誤，錯誤擴散到依賴(lài)它的幀的解碼。對前者，編碼器通過(guò)加入再同步點(diǎn)、可逆變長(cháng)編碼、數據遷移、應用層成幀等方法加以克服；對于后者，一般的處理方法是對每幀中的一部分獨立編碼，這樣就避免了因完全依賴(lài)其他幀的信息而造成錯誤擴散。

　　移動(dòng)流媒體內容分發(fā)網(wǎng)絡(luò )

　　移動(dòng)流媒體內容分發(fā)網(wǎng)絡(luò )（MSM-CDN）提供了一種新的媒體傳輸平臺，通過(guò)疊加的服務(wù)器實(shí)現端到端的媒體傳輸以及網(wǎng)間的媒體業(yè)務(wù)，是實(shí)現向大規模移動(dòng)用戶(hù)提供流媒體服務(wù)的基礎。MSM-CDN是由一系列節點(diǎn)組成的，它們相互協(xié)調地為移動(dòng)用戶(hù)傳輸流媒體，這些疊加的節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中起到了關(guān)鍵控制點(diǎn)的作用，大大提高了端到端的流媒體傳輸的性能。MSM-CDN具有資源利用率高及時(shí)延小等優(yōu)點(diǎn)，利用MSM-CDN傳輸流媒體是大規模流媒體應用的發(fā)展趨勢。

　　采用MSM-CDN傳輸流媒體的優(yōu)點(diǎn)主要包括：通過(guò)應用層的內容分發(fā)降低了主干網(wǎng)絡(luò )的流媒體流量；通過(guò)分布在網(wǎng)絡(luò )邊緣的流媒體服務(wù)器，避免了擁塞鏈路，提高了流媒體傳輸的性能和響應時(shí)間；有效地提高整個(gè)流媒體系統的擴展性，降低對每個(gè)流媒體服務(wù)器的性能要求。

　　MSM-CDN中的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：

　　內容分布

　　把媒體內容放置在靠近客戶(hù)端的疊加服務(wù)器上，媒體流可以在一個(gè)較短的網(wǎng)絡(luò )路徑上傳輸，從而減少流媒體會(huì )話(huà)的啟動(dòng)時(shí)延，降低丟包率和整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的占用。這就需要通過(guò)最優(yōu)的內容分布算法來(lái)優(yōu)化系統性能。這種優(yōu)化可以通過(guò)收斂的統計方法和可預測預取算法在數據統計分析基礎上實(shí)現。

　　與內容分布緊密相關(guān)的就是疊加服務(wù)器上的內容緩沖問(wèn)題。提高緩沖內容的命中率需要在疊加服務(wù)器上存儲大量的媒體，而流媒體流緩沖問(wèn)題需要確定哪些媒體流或媒體流片斷需要緩沖。內容分布和緩沖是MSM-CDN最關(guān)鍵的組成部分，對資源利用率以及系統的可靠性有很大的影響。

　　內容分發(fā)

　　內容分發(fā)是指媒體內容從內容源到MSM-CDN邊緣的Cache節點(diǎn)的過(guò)程，有兩種主流的內容分發(fā)技術(shù)：PUSH和PULL。

　　PUSH是一種主動(dòng)分發(fā)的技術(shù)。通常，PUSH由內容管理系統發(fā)起，將內容從中心媒體資源庫分發(fā)到各邊緣的Cache節點(diǎn)。需要考慮的主要問(wèn)題是分發(fā)策略，即在什么時(shí)候分發(fā)什么內容。

　　PULL是一種被動(dòng)的分發(fā)技術(shù)，PULL分發(fā)通常由用戶(hù)請求驅動(dòng)。當用戶(hù)請求的內容在本地的邊緣Cache上不存在時(shí)，Cache啟動(dòng)PULL方法從內容源或者其他CDN節點(diǎn)實(shí)時(shí)獲取內容。在PULL方式下，內容的分發(fā)是按需的。

　　在實(shí)際的CDN系統中，一般兩種分發(fā)方式都支持，但是根據內容的類(lèi)型和業(yè)務(wù)模式的不同，在選擇主要的內容分發(fā)方式時(shí)會(huì )有所不同。通常，PUSH的方式適合內容訪(fǎng)問(wèn)比較集中的情況，如熱點(diǎn)的影視流媒體內容；PULL方式比較適合內容的訪(fǎng)問(wèn)比較分散的情況。

　　內容路由

　　當一個(gè)客戶(hù)端請求某些內容時(shí)，這一請求必須發(fā)送到能夠提供這些內容服務(wù)的服務(wù)器。這一操作需要尋找最佳的疊加服務(wù)器，尋找的條件包括內容的可獲得性、服務(wù)器負載、網(wǎng)絡(luò )負載等。內容路由功能由MSM-CDN負載均衡系統實(shí)現。負載均衡系統是整個(gè)MSM-CDN的核心，負載均衡的準確性和效率直接決定了整個(gè)MSM-CDN的效率和性能。

　　緩存技術(shù)

　　目前緩存技術(shù)是延遲控制中最常用的方法。流媒體業(yè)務(wù)以包傳輸為基礎，一個(gè)實(shí)時(shí)媒體流或媒體文件在傳輸中將被分成多個(gè)包。由于網(wǎng)絡(luò )的延時(shí)、抖動(dòng)等因素，包到達客戶(hù)端的順序和延遲可能不一樣，可能出現先發(fā)的包后到的情況，因此需要緩存系統來(lái)彌補網(wǎng)絡(luò )延遲和抖動(dòng)的影響，以保證數據包的順序正確以及不會(huì )因為網(wǎng)絡(luò )暫時(shí)擁塞而出現播放停頓的現象。目前主要用到的緩存技術(shù)有正向緩存、反向緩存和透明代理緩存3種。

　　本文就3G流媒體業(yè)務(wù)中的服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生原因及其解決辦法進(jìn)行了闡述分析。相信隨著(zhù)編碼技術(shù)、差錯控制及CDN等技術(shù)的發(fā)展及終端設備的不斷完善，移動(dòng)流媒體的服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題可以得到有效解決，用戶(hù)體驗將得到極大改善。