3G流媒體業(yè)務(wù)的QoS及解決之道

移動流媒體技術(shù)被認為是移動增值業(yè)務(wù)的一個熱點，它開創(chuàng)了無線通信與互聯(lián)網(wǎng)、視頻融合的新時代。隨著3G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的完善、移動終端功能的增強和媒體內(nèi)容的豐富，流媒體業(yè)務(wù)必將會成為未來移動通信業(yè)務(wù)新的增長點。

　　運營商在開展流媒體業(yè)務(wù)中，最為關(guān)心的問題是服務(wù)質(zhì)量（QoS）。流媒體的QoS問題在有線網(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，然而無線網(wǎng)絡(luò)中，用戶的移動性、傳輸信道的惡劣等使得移動流媒體的QoS保證更加復(fù)雜。本文就3G流媒體業(yè)務(wù)的QoS問題進行了分析，并給出了解決方法。

　　移動流媒體業(yè)務(wù)是運營商通過移動網(wǎng)絡(luò)和移動流媒體系統(tǒng)向終端用戶提供音、視頻多媒體內(nèi)容服務(wù)，涉及到流媒體數(shù)據(jù)的采集、壓縮、存儲以及網(wǎng)絡(luò)通信等多項技術(shù)。

　　根據(jù)內(nèi)容的播放方式與內(nèi)容來源，移動流媒體業(yè)務(wù)可以分為流媒體點播（VOD）、流媒體直播和下載播放3種業(yè)務(wù)類型。開展流媒體業(yè)務(wù)至少需要一臺內(nèi)容服務(wù)器和一臺流媒體客戶端，此外還可能會涉及到門戶、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問題分析

　　流媒體的播放有嚴格的實時性要求，要求在特定的時間間隔內(nèi)將特定的數(shù)據(jù)單元解碼顯示。而目前3G流媒體業(yè)務(wù)開展中存在一些問題，如媒體文件播放中的停頓、馬賽克等現(xiàn)象，大量用戶突發(fā)訪問一個熱門內(nèi)容（如電視直播）時服務(wù)器處理困難等等，這些問題都涉及到流媒體的QoS保證。

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

　　帶寬

　　隨著移動流媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展和用戶的不斷增長，帶寬的問題日益凸顯，運營商無法為所有的用戶提供足夠的帶寬。這種矛盾對于無線頻段資源有限的移動通信來說尤為突出。帶寬的問題對流媒體業(yè)務(wù)開展的影響是雙方面的：一方面會影響到用戶收看質(zhì)量；另一方面，由于流媒體應(yīng)用消耗帶寬大，會對網(wǎng)絡(luò)造成影響。

　　誤碼率

　　相對于有線傳輸信道，移動通信所要使用的無線傳輸信道環(huán)境要惡劣得多，因信道質(zhì)量、流量控制機制而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包的誤碼率很低，也會對解碼后的圖像質(zhì)量造成很大影響。

　　延遲抖動

　　數(shù)據(jù)分組存儲轉(zhuǎn)發(fā)的性質(zhì)決定了延遲和抖動是不可避免的，所以對流媒體傳輸而言，端到端的延遲應(yīng)該控制在一定范圍之內(nèi)。

　　終端能力

　　終端側(cè)的影響因素包括緩沖區(qū)的設(shè)置、接入帶寬和編解碼的處理能力等。緩沖設(shè)置得不合適則可能導(dǎo)致溢出和丟包，從而影響用戶觀看質(zhì)量；接入帶寬應(yīng)大于媒體流的碼率，否則會出現(xiàn)停頓、跳幀現(xiàn)象；解碼處理能力則與CPU、內(nèi)存、顯卡、顯示驅(qū)動程序的關(guān)系密切。另外，流媒體系統(tǒng)應(yīng)提供終端類型識別和終端設(shè)備能力適配等功能。

　　QoS問題解決方法

　　編碼技術(shù)

　　先進的視頻編碼方案可進一步提高視頻數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量盡可能少，從而適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)最低傳輸帶寬的情況，同時，可以提供靈活的視頻質(zhì)量分級來最大限度適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性，盡可能為用戶提供好的視頻質(zhì)量。

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

　　非擴展性編碼的主要缺點是傳輸碼流碼率的變化缺少適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的靈活性。雖然一些編碼方案為了提高視頻流適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬變化的靈活性，進行了技術(shù)上的改進，如轉(zhuǎn)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)器開銷或增加存儲量作為代價的。存在這種問題的根本原因是傳統(tǒng)的非擴展性視頻編碼技術(shù)是面向存儲的而非面向傳輸?shù)摹?

　　為了徹底克服面向存儲編碼技術(shù)的缺點，可擴展性編碼技術(shù)得到了快速的發(fā)展。這些技術(shù)在進一步提高編碼效率的同時，增加了編碼輸出碼流適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬動態(tài)變化的靈活性?？蓴U展性編碼就是將多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼成多個碼流，其中一個可以獨立解碼，它稱為基本層碼流；其他的碼流稱為增強層，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，用來提高觀看效果。可擴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(xiàn)行的國際壓縮標(biāo)準接納，主要包括時域可擴展性、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）特點如下：增強層使用位平面編碼技術(shù)對DCT（Discrete Cosine Transform）殘差進行編碼來覆蓋網(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截斷；解碼器重建的視頻質(zhì)量和收到的比特數(shù)成正比。

　　漸進精細可擴展性編碼（PFGS）重構(gòu)的增強層的質(zhì)量明顯高于基本層的圖像質(zhì)量，運動補償更有效，從而提高了編碼效率，同時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(yīng)對和避免網(wǎng)絡(luò)阻塞，降低時延和丟包率。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(shù)據(jù)包的丟失，但是網(wǎng)絡(luò)中不可避免的會存在數(shù)據(jù)包丟失，而且到達時延過大的分組也會被認為沒有用而被丟棄，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是通過在傳輸?shù)拇a流中加入用于糾錯的冗余信息，在遇到包丟失的情況時，利用冗余信息恢復(fù)丟失的信息。它的不足是增加了編碼時延和傳輸帶寬。

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

　　差錯抑制。這是一種根據(jù)存在的前后幀的相關(guān)性來重構(gòu)丟失幀的方法。這種方案的優(yōu)點是對發(fā)送端沒有任何影響，缺點是增加了終端解碼工作的負擔(dān)。另外，對于大量突發(fā)丟包的情況，重構(gòu)依據(jù)的幀也丟失，導(dǎo)致重構(gòu)失敗。

　　容錯編碼。容錯編碼通過編碼時的特殊處理來減小丟包對整個文件播放造成的影響。流媒體文件傳輸中，丟包產(chǎn)生的影響包括兩個方面：一個是丟失了視頻流的同步信息；二是導(dǎo)致獨立編碼幀錯誤，錯誤擴散到依賴它的幀的解碼。對前者，編碼器通過加入再同步點、可逆變長編碼、數(shù)據(jù)遷移、應(yīng)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其他幀的信息而造成錯誤擴散。

　　移動流媒體內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

　　移動流媒體內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（MSM-CDN）提供了一種新的媒體傳輸平臺，通過疊加的服務(wù)器實現(xiàn)端到端的媒體傳輸以及網(wǎng)間的媒體業(yè)務(wù)，是實現(xiàn)向大規(guī)模移動用戶提供流媒體服務(wù)的基礎(chǔ)。MSM-CDN是由一系列節(jié)點組成的，它們相互協(xié)調(diào)地為移動用戶傳輸流媒體，這些疊加的節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中起到了關(guān)鍵控制點的作用，大大提高了端到端的流媒體傳輸?shù)男阅?。MSM-CDN具有資源利用率高及時延小等優(yōu)點，利用MSM-CDN傳輸流媒體是大規(guī)模流媒體應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

　　采用MSM-CDN傳輸流媒體的優(yōu)點主要包括：通過應(yīng)用層的內(nèi)容分發(fā)降低了主干網(wǎng)絡(luò)的流媒體流量；通過分布在網(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?shù)男阅芎晚憫?yīng)時間；有效地提高整個流媒體系統(tǒng)的擴展性，降低對每個流媒體服務(wù)器的性能要求。

　　MSM-CDN中的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面：

　　內(nèi)容分布

　　把媒體內(nèi)容放置在靠近客戶端的疊加服務(wù)器上，媒體流可以在一個較短的網(wǎng)絡(luò)路徑上傳輸，從而減少流媒體會話的啟動時延，降低丟包率和整個網(wǎng)絡(luò)的占用。這就需要通過最優(yōu)的內(nèi)容分布算法來優(yōu)化系統(tǒng)性能。這種優(yōu)化可以通過收斂的統(tǒng)計方法和可預(yù)測預(yù)取算法在數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上實現(xiàn)。

　　與內(nèi)容分布緊密相關(guān)的就是疊加服務(wù)器上的內(nèi)容緩沖問題。提高緩沖內(nèi)容的命中率需要在疊加服務(wù)器上存儲大量的媒體，而流媒體流緩沖問題需要確定哪些媒體流或媒體流片斷需要緩沖。內(nèi)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(tǒng)的可靠性有很大的影響。

　　內(nèi)容分發(fā)

　　內(nèi)容分發(fā)是指媒體內(nèi)容從內(nèi)容源到MSM-CDN邊緣的Cache節(jié)點的過程，有兩種主流的內(nèi)容分發(fā)技術(shù)：PUSH和PULL。

　　PUSH是一種主動分發(fā)的技術(shù)。通常，PUSH由內(nèi)容管理系統(tǒng)發(fā)起，將內(nèi)容從中心媒體資源庫分發(fā)到各邊緣的Cache節(jié)點。需要考慮的主要問題是分發(fā)策略，即在什么時候分發(fā)什么內(nèi)容。

　　PULL是一種被動的分發(fā)技術(shù)，PULL分發(fā)通常由用戶請求驅(qū)動。當(dāng)用戶請求的內(nèi)容在本地的邊緣Cache上不存在時，Cache啟動PULL方法從內(nèi)容源或者其他CDN節(jié)點實時獲取內(nèi)容。在PULL方式下，內(nèi)容的分發(fā)是按需的。

　　在實際的CDN系統(tǒng)中，一般兩種分發(fā)方式都支持，但是根據(jù)內(nèi)容的類型和業(yè)務(wù)模式的不同，在選擇主要的內(nèi)容分發(fā)方式時會有所不同。通常，PUSH的方式適合內(nèi)容訪問比較集中的情況，如熱點的影視流媒體內(nèi)容；PULL方式比較適合內(nèi)容的訪問比較分散的情況。

　　內(nèi)容路由

　　當(dāng)一個客戶端請求某些內(nèi)容時，這一請求必須發(fā)送到能夠提供這些內(nèi)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(nèi)容的可獲得性、服務(wù)器負載、網(wǎng)絡(luò)負載等。內(nèi)容路由功能由MSM-CDN負載均衡系統(tǒng)實現(xiàn)。負載均衡系統(tǒng)是整個MSM-CDN的核心，負載均衡的準確性和效率直接決定了整個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(chǔ)，一個實時媒體流或媒體文件在傳輸中將被分成多個包。由于網(wǎng)絡(luò)的延時、抖動等因素，包到達客戶端的順序和延遲可能不一樣，可能出現(xiàn)先發(fā)的包后到的情況，因此需要緩存系統(tǒng)來彌補網(wǎng)絡(luò)延遲和抖動的影響，以保證數(shù)據(jù)包的順序正確以及不會因為網(wǎng)絡(luò)暫時擁塞而出現(xiàn)播放停頓的現(xiàn)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)量問題產(chǎn)生原因及其解決辦法進行了闡述分析。相信隨著編碼技術(shù)、差錯控制及CDN等技術(shù)的發(fā)展及終端設(shè)備的不斷完善，移動流媒體的服務(wù)質(zhì)量問題可以得到有效解決，用戶體驗將得到極大改善。