基于TCP的實(shí)時(shí)流媒體自適應(yīng)傳輸策略及其應(yīng)用研究.pdf

1、實(shí)時(shí)流媒體是下一代網(wǎng)絡(luò)的主要傳輸對(duì)象，將極大地影響人們?nèi)粘Ｉ?。使用TCP傳輸實(shí)時(shí)流媒體具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況反應(yīng)迅速、TCP友好、易于為防火墻所接受、便于實(shí)現(xiàn)與維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著發(fā)送速率無(wú)法自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)可用帶寬的波動(dòng)、TCP重傳易增加媒體包的延時(shí)抖動(dòng)和亂序等問(wèn)題，這些都大幅降低了實(shí)時(shí)流媒體的服務(wù)質(zhì)量。為解決上述問(wèn)題，本文從TCP實(shí)時(shí)流媒體傳輸性能分析、延時(shí)預(yù)測(cè)模型、自適應(yīng)傳輸策略及其應(yīng)用等方面開(kāi)展研究，取得的創(chuàng)新型研究成果如下。

2、 （1）TCP實(shí)時(shí)流媒體傳輸具有可接受播放性能的條件通過(guò)深入分析TCP實(shí)時(shí)流媒體傳輸過(guò)程，指出使用TCP在Internet上傳輸實(shí)時(shí)音頻時(shí)，具有可接受播放性能的條件：TCP最大報(bào)文段的大小應(yīng)設(shè)置為單個(gè)語(yǔ)音幀的大小，但這將使得TCP的傳輸效率非常低下，不適用于Internet應(yīng)用。指出實(shí)時(shí)視頻傳輸具有可接受播放性能的條件：視頻幀的發(fā)送延時(shí)應(yīng)小于播放緩沖延時(shí)與網(wǎng)絡(luò)往返延時(shí)一半的差值。模擬結(jié)果表明了所指出條件的合理性。 （2）影響TC

3、P實(shí)時(shí)視頻端到端延時(shí)的關(guān)鍵因素通過(guò)推導(dǎo)和模擬實(shí)驗(yàn)剖析了實(shí)時(shí)視頻的端到端延時(shí)，指出等待延時(shí)是實(shí)時(shí)視頻端到端延時(shí)的主要構(gòu)成，發(fā)送延時(shí)則是影響端到端延時(shí)的關(guān)鍵因素，提出可以通過(guò)減少等待延時(shí)和減少發(fā)送延時(shí)的方式，來(lái)減少視頻幀端到端延時(shí)抖動(dòng)。由于發(fā)送延時(shí)由TCP協(xié)議棧管理，應(yīng)用程序無(wú)法對(duì)其進(jìn)行控制，提出了一種對(duì)發(fā)送延時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)判斷的方法：預(yù)測(cè)視頻幀的發(fā)送延時(shí)，若發(fā)送延時(shí)不滿(mǎn)足實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)臈l件，則選擇性丟棄該視頻幀，從而確保了所有被傳輸?shù)囊曨l幀都

4、具有較小的發(fā)送延時(shí)。模擬結(jié)果表明使用該方法可以有效減少實(shí)時(shí)視頻的端到端延時(shí)。 （3）兩種實(shí)時(shí)視頻發(fā)送延時(shí)預(yù)測(cè)模型針對(duì)Internet上兩種使用最為廣泛的路由器丟包機(jī)制，即尾部丟包（DropTail）和隨機(jī)早期丟包（RED）機(jī)制，分別建立了兩種實(shí)時(shí)視頻發(fā)送延時(shí)預(yù)測(cè)模型。 1）分階隨機(jī)預(yù)測(cè)模型。從微觀角度分別考慮視頻幀在傳輸過(guò)程中處于TCP各個(gè)階段的概率，特別是DropTail機(jī)制下易出現(xiàn)的慢開(kāi)始和RTO階段，以幀大小、丟包

5、率、擁塞窗口大小、網(wǎng)絡(luò)往返時(shí)間和TCP初始重傳計(jì)時(shí)器時(shí)間作為輸入?yún)?shù)，以視頻幀發(fā)送延時(shí)的期望值作為預(yù)測(cè)值。 2）遞階式馬爾科夫預(yù)測(cè)模型。從宏觀角度將RED機(jī)制下整個(gè)傳輸過(guò)程的擁塞窗口變化作為一個(gè)離散時(shí)間離散狀態(tài)的馬爾科夫鏈；設(shè)計(jì)了一個(gè)遞階式馬爾科夫預(yù)測(cè)算法，算法以窗口大小、網(wǎng)絡(luò)往返時(shí)延和丟包率作為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣函數(shù)的輸入?yún)?shù)，以擁塞窗口大小作為增益矩陣函數(shù)的輸入?yún)?shù)，以各個(gè)狀態(tài)擁塞窗口大小之和大于等于視頻幀大小為遞階結(jié)束條件，對(duì)視

6、頻幀發(fā)送延時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)。 模擬結(jié)果表明兩種模型的預(yù)測(cè)精度符合要求，預(yù)測(cè)值可以被用于視頻幀的預(yù)測(cè)判斷方法中。 （4）兩種實(shí)時(shí)視頻自適應(yīng)傳輸策略從減少等待延時(shí)和發(fā)送延時(shí)入手，建立了兩種實(shí)時(shí)視頻自適應(yīng)傳輸策略： 1）基于多緩沖區(qū)調(diào)度的自適應(yīng)策略。設(shè)計(jì)了一個(gè)多緩沖區(qū)調(diào)度模型，通過(guò)建立一個(gè)具有延時(shí)級(jí)別的應(yīng)用層發(fā)送緩沖區(qū)，對(duì)實(shí)時(shí)視頻幀在該緩沖區(qū)、TCP發(fā)送緩沖區(qū)和播放緩沖區(qū)之間進(jìn)行調(diào)度，使用基于緩沖區(qū)延時(shí)級(jí)別的選擇性丟棄視頻幀

7、的方法，將所有視頻幀的等待延時(shí)減少為最大僅為編碼延時(shí)的兩倍，同時(shí)根據(jù)丟棄率的變化對(duì)視頻幀率和播放緩沖大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。 2）基于發(fā)送延時(shí)預(yù)測(cè)模型的自適應(yīng)策略。在視頻幀被發(fā)送以前，首先利用發(fā)送延時(shí)預(yù)測(cè)模型對(duì)發(fā)送延時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后使用預(yù)測(cè)判斷的方法，對(duì)達(dá)不到可接受播放性能的視頻幀進(jìn)行選擇性丟棄，確保了所有被傳輸?shù)囊曨l幀都具有較小的發(fā)送延時(shí)，并將所有視頻幀的等待延時(shí)減少為最大僅為編碼延時(shí)的一倍，同時(shí)以丟棄率為約束條件對(duì)視頻幀率和播放緩

8、沖大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。 模擬結(jié)果表明，與直接使用TCP或UDP傳輸相比，兩類(lèi)自適應(yīng)策略都能夠大幅度減少端到端延時(shí)抖動(dòng)，并使得發(fā)送速率自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況，有效避免關(guān)鍵幀的丟失?；诎l(fā)送延時(shí)預(yù)測(cè)模型的策略在減少端到端延時(shí)上具有更好的性能，但要求預(yù)知瓶頸路由器的丟包機(jī)制。 （5）自適應(yīng)傳輸策略在基于3G的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)采用自適應(yīng)傳輸策略，利用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法、IO完成端口、原始套接字和TCP防火墻穿透等技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)