1、概述
1.1 3G視頻點播系統(tǒng)概述
視頻點播技術(shù)即VOD（VideoOnDemand），最初出現(xiàn)是緣于人們對廣播電視的需求，但之前VOD一直局限于有線網(wǎng)絡(luò)，從而無法給用戶提供一個完全自主便捷的環(huán)境。在這樣的情況下，無線移動視頻點播業(yè)務(wù)的出現(xiàn)提供了一個可以和外界交流的平臺。
3G技術(shù)的成熟，更是為這項業(yè)務(wù)提供了一個可靠的實現(xiàn)基礎(chǔ)，人們在任何時間，任何地點，只要通過一部3G手機，就可以像在家通過電視或電腦連接上有線網(wǎng)絡(luò)一樣的在整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中隨意瀏覽任何自己感興趣的節(jié)目，從而提供給人們一個交互式的主控權(quán)利，隨機隨時的獲取網(wǎng)絡(luò)資源。
在3G視頻點播系統(tǒng)中，手機客戶端接受來自基站服務(wù)器發(fā)送的媒體數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列的處理呈現(xiàn)給用戶播放的圖像，服務(wù)器接收客戶端返回的質(zhì)量報告進行分析，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實際狀況給出合適的傳輸方式以及合適的圖像編碼格式，進行流量控制。客戶端完全是被動的數(shù)據(jù)處理，媒體數(shù)據(jù)解碼，視頻和音頻的同步。而服務(wù)器則承擔(dān)了大部分的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀況監(jiān)測任務(wù)。這個方式有點類似于HTTP方式下的客戶機/服務(wù)器模式。而上述這種實時流媒體傳輸?shù)倪\行架構(gòu)則需要完善可靠的流媒體協(xié)議棧來支持。
本文即介紹一個3G視頻點播系統(tǒng)（如圖1所示）中流媒體協(xié)議棧的實現(xiàn)，該系統(tǒng)由3部分組成：服務(wù)器，Internet和手持設(shè)備，針對該系統(tǒng)，本文首先介紹了實時流媒體協(xié)議棧的概念、特點及其發(fā)展背景，然后在此基礎(chǔ)上討論了實時流媒體協(xié)議棧在此3G視頻點播系統(tǒng)中的軟件架構(gòu)，最后詳細論述各個模塊的設(shè)計及流媒體傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)——同步機制。
圖1 系統(tǒng)概述圖
1.2 系統(tǒng)平臺
系統(tǒng)工作的硬件平臺、軟件平臺如下：
硬件平臺：SH-mobilesolutionincludesa SH3-DSP core MCU，memory，IO，and LCD etc，Abase-band controller（AT91 RM9200 Base-Band board），一臺服務(wù)器（即PC機）。
軟件平臺：SH-7300實時操作系統(tǒng)（Norti4），MPEG-4audio/videoencoder/decodermiddleware，流媒體協(xié)議棧（如圖2所示）。
圖2 系統(tǒng)軟件平臺
2、基于3G終端的流媒體協(xié)議棧的架構(gòu)
2.1 流媒體協(xié)議棧及其特點
以3G協(xié)議棧為基礎(chǔ)的實時流媒體協(xié)議棧（real-timestreamingmediaProtocols）具有強大的兼容性，能根據(jù)基站服務(wù)器通信準(zhǔn)則建立最優(yōu)播放效果，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況，實時適應(yīng)以改變通信策略和媒體播放效果。協(xié)議棧將可以保證以下業(yè)務(wù)：
（1）進行視頻通話，三方舉行視頻會議；
（2）替代以電視為媒體的廣告與節(jié)目播放，提供更具吸引力的多媒體點播等互動服務(wù)；
（3）享受移動銀行，股票信息，以及電子交易等各種信息服務(wù)。
實時流媒體協(xié)議?？梢栽O(shè)計為一個與系統(tǒng)無關(guān)的模塊，以實現(xiàn)在目前3種3G標(biāo)準(zhǔn)WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA之上無縫移植和嵌入。我們以協(xié)議為指導(dǎo)，根據(jù)無線移動網(wǎng)絡(luò)的實際情況，做出合適的裁減和改變。流傳輸控制機制將根據(jù)3G網(wǎng)絡(luò)的特性和嵌入式實時系統(tǒng)的要求定制，使協(xié)議棧能夠發(fā)揮可靠的，高效率的作用。同時協(xié)議棧不僅提供標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口，還可以根據(jù)客戶的要求特別定制專用的應(yīng)用程序接口。
2.2 流媒體協(xié)議棧整體架構(gòu)
基于3G終端的流媒體協(xié)議棧由RTSP協(xié)議棧，RTP/RTCP協(xié)議棧，TCP/IP協(xié)議棧組成。
2.2.1 TCP/IP協(xié)議棧
TCP/IP協(xié)議棧是由3G的協(xié)議棧提供，負責(zé)對流媒體數(shù)據(jù)的傳送。TCP、UDP的協(xié)議都將使用到，并且根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)情況，分別使用。TCP是用于可靠的連接，RTSP協(xié)議將盡量使用這個協(xié)議進行傳輸，UDP是無連接的協(xié)議，RTP/RTCP協(xié)議棧將通過這個協(xié)議傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)然這也不是絕對的，在必要的時候，RTSP可以使用UDP協(xié)議，比如防火墻的強制隔離，要求代理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，這時需要由協(xié)議棧來保障RTSP協(xié)議的可靠性，包括使用重發(fā)機制；RTP/RTCP也可以使用TCP連接，比如要求跨防火墻，建立直接連接的通道，這時可能牽涉到RTSP和RTP/RTCP協(xié)議的算法，需要由協(xié)議棧來提供。
2.2.2 RTP/RTCP協(xié)議棧
RTP/RTCP協(xié)議是流媒體協(xié)議棧中關(guān)鍵的一部分，它承擔(dān)了媒體數(shù)據(jù)的傳送，由2個相互緊湊的協(xié)議組成，數(shù)據(jù)報文實時傳輸使用的RTP協(xié)議和QoS監(jiān)視的RTCP協(xié)議。協(xié)議設(shè)計者并不考慮RTP協(xié)議的糾錯功能，而要求下層協(xié)議來保證，以提高媒體幀傳輸?shù)臄?shù)量，節(jié)省帶寬，節(jié)省程序的開銷，其傳輸機制專注于媒體本身的可靠性傳輸。
RTP直接面向媒體數(shù)據(jù)，是一種以帶寬和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量為先決條件的傳輸協(xié)議，其傳輸方式是隨著帶寬和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量變化而動態(tài)調(diào)整的協(xié)議，其宗旨是以最大的可能性利用網(wǎng)絡(luò)的負載能力，確保大容量的多媒體數(shù)據(jù)能及時的傳輸。在這樣的設(shè)計思想下，3G信道帶寬不至于過度浪費，因此適合于手機終端的使用。同時，RTCP協(xié)議作為傳輸控制協(xié)議，也是網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的監(jiān)測者，它為互動的雙方提供了統(tǒng)計意義上的報告，為雙方提供網(wǎng)絡(luò)實際的質(zhì)量，也為流量控制，編碼方式，提供了可靠的保證和參考。作為獨立于3G協(xié)議棧的應(yīng)用層媒體協(xié)議棧，RTCP根據(jù)其機制，提供質(zhì)量服務(wù)QoS，為網(wǎng)絡(luò)運營商監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)情況提供參數(shù)。
2.2.3 RTSP協(xié)議棧
RTSP協(xié)議棧是流媒體協(xié)議棧中與界面和RTP/RTCP協(xié)議相關(guān)的控制協(xié)商操作。RTSP提供響應(yīng)界面操作的接口，直接響應(yīng)界面發(fā)送的命令。同時RTSP也提供互聯(lián)的雙方或多方的一個傳輸方式和編碼方式的協(xié)商操作，在網(wǎng)絡(luò)允許情況下，建立一條最佳傳輸通道。以最匹配的情況傳輸數(shù)據(jù)，而無須每次傳輸都要求雙方解析，節(jié)省了大量的時間，也減少了出錯的可能性。
RTSP和RTP/RTCP協(xié)議棧組成整個流媒體協(xié)議棧的核心部分，他們各自的控制機制是需要根據(jù)無線移動網(wǎng)絡(luò)的實際情況和媒體編碼格式統(tǒng)籌設(shè)計，在協(xié)議中是沒有硬性規(guī)定的。
3、3G視頻點播系統(tǒng)中流媒體協(xié)議棧的模塊設(shè)計
系統(tǒng)的模塊化有利于整體功能的實現(xiàn)，本系統(tǒng)框架從流媒體協(xié)議棧進行規(guī)劃，分為5個模塊：人機界面、RTSP模塊、RTP/RTCP模塊，以及硬件媒體編解碼器模塊。模塊架構(gòu)如圖3所示。
圖3 視頻點播系統(tǒng)架構(gòu)
3.1 人機界面（MMI）
界面部分是手機終端提供給用戶的交互界面。用戶可以使用它來控制播放的動作，比如通過點擊Web的鏈接，接入流媒體服務(wù)器?？梢赃M行播放、暫停、終止、快進、后退等操作，當(dāng)然，所有操作是在服務(wù)允許的范圍，超出服務(wù)范圍的操作將被禁止。通過界面，用戶就可以享受到視頻/音頻的多媒體服務(wù)，可以點播電影，也可以召開會議。
3.2 RTSP模塊
RTSP模塊是以客戶端為主的應(yīng)用控制模塊，以適應(yīng)3G手機終端對媒體點播的需要。主要內(nèi)容包括：RTSP協(xié)議棧的會話的建立、會話的傳輸、會話的協(xié)商和會話的終止，以及文本指令的解析。在流媒體協(xié)議棧架構(gòu)中，RTSP處于TCP/IP層之上，使用TCP協(xié)議傳輸會話數(shù)據(jù)。處于界面控制程序直接操作下，為應(yīng)用界面提供編程接口。同時RTSP對媒體數(shù)據(jù)層和RTP協(xié)議有著控制的權(quán)利，可以調(diào)整RTP會話參數(shù)，以及媒體層同步等等。RTSP是一個類似HTTP的服務(wù)器-客戶端的模型，但與HTTP不同的是雙方都可發(fā)送請求并都可以響應(yīng)請求，是一個對等互動的協(xié)商協(xié)議。
在此視頻點播系統(tǒng)中，RTSP模塊通過TCP協(xié)議的三次握手機制來保證命令消息通道的可靠性。一方面接收服務(wù)器的確認信息傳給應(yīng)用層進行處理；另一方面接收來自客戶端的命令信息，解析后反饋給服務(wù)器。此外，RTSP模塊支持以下操作：
（1）從媒體服務(wù)器端獲取媒體。客戶端能夠通過HTTP或者其它模式來請求一個的圖像描述。如果圖像正被多點傳輸，那么圖像描述就包含了用來傳輸連續(xù)媒體多點傳輸?shù)牡刂泛投丝?。如果圖像只能被單點傳送，那客戶端就要因為安全原因而提供給目的地址。
?。?）邀請媒體服務(wù)器參加會議。一個媒體服務(wù)器端能夠被“邀請”參加一個存在的會議，可以回放媒體成為圖像，或者記錄圖像中的媒體的全部或者一部分。
?。?）在存在圖像中增加媒體。尤其對于活動圖像，如果服務(wù)器能告訴客戶端，增加的媒體是有用的。
3.3 RTP/RTCP模塊
RTP/RTCP模塊是以客戶端為主的應(yīng)用傳輸模塊。主要內(nèi)容包括：RTP/RTCP協(xié)議棧的會話的建立，會話的傳輸，會話的控制和會話的終止。此模塊位于TCP/IP層之上，使用UDP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)應(yīng)用程序開始一個RTP會話時通常使用兩個端口：一個給RTP，一個給RTCP。在RTP會話期間，各參與者周期性地傳送RTCP包。RTCP包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計資料，因此，服務(wù)器可以利用這些信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP的媒體數(shù)據(jù)載荷加載準(zhǔn)則依賴于不同的媒體編碼格式而不同，數(shù)據(jù)報文的格式按照RFC規(guī)定的實現(xiàn)，如圖4所示。
圖4 RTP報文頭格式
同時應(yīng)用程序可以通過此模塊調(diào)整傳輸頻率去和接受者的能力相匹配，或者以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)擁塞。通過參加多點傳送組的適當(dāng)?shù)淖蛹?，接受者能適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)并控制他們的接受帶寬。此外模塊中所有的多媒體會話，都將視頻和音頻分別存放，這是為了保證在與某些不具有視頻功能的終端通信或者在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量惡劣的情況下，可以只提供音頻服務(wù)，而將視頻服務(wù)關(guān)閉。
3.4 硬件媒體編解碼模塊
硬件媒體編解碼器是基于MPEG-4實現(xiàn)的硬件Codec，采集的視頻音頻原始數(shù)據(jù)通過它壓縮后形成MP4的數(shù)據(jù)格式，通過傳輸協(xié)議發(fā)往服務(wù)器；來自服務(wù)器的MP4視頻音頻數(shù)據(jù)通過Codec還原為原始數(shù)據(jù)，送往終端顯示器，提供用戶動態(tài)界面。當(dāng)然畫面可能因為壓縮和傳輸?shù)膿p傷有所下降，針對這樣的情況，協(xié)議棧將提供糾錯，補償，同步功能來修復(fù)損傷，力圖保持最完美的視頻語音效果。
4、流媒體同步機制
流媒體數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的一個主要不同是不同媒體流的集成，主要表現(xiàn)為同步方式。在3G視頻點播系統(tǒng)中，流媒體傳輸?shù)耐綑C制是一個非常關(guān)鍵的問題，同步機制設(shè)計的好壞直接涉及到了播放效果，而播放效果則是直接面向用戶，是檢驗媒體播放質(zhì)量的直接證據(jù)。
媒體同步定義是不同媒體流之間以及數(shù)據(jù)流內(nèi)的基于時間的關(guān)系。目前有3層同步，分別是系統(tǒng)同步（流內(nèi)同步）、媒體間同步（流間同步）和用戶層同步（目標(biāo)間同步）。
媒體數(shù)據(jù)的同步丟失是由于從服務(wù)器發(fā)往客戶端的媒體數(shù)據(jù)報文因為不同的路由路徑導(dǎo)致，而且所有媒體數(shù)據(jù)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)都將產(chǎn)生延遲和抖動。延遲以及延遲的可變性將導(dǎo)致以上3種同步的丟失。因此，媒體間同步機制是必須的，以確保在客戶端正確的播放媒體數(shù)據(jù)。
4.1 系統(tǒng)同步（流內(nèi)同步）
系統(tǒng)同步（流內(nèi)同步）是底層同步。
連續(xù)媒體或者時間相關(guān)的數(shù)據(jù)（比如，視頻和音頻）的媒體層同步是最底一層。媒體層的最小單位是邏輯數(shù)據(jù)單位（LDU），比如視頻和音頻幀，需要嚴格的按照時間順序以確保用戶可以精確的回放。系統(tǒng)同步缺失將導(dǎo)致播放暫停或跳躍。
4.2 媒體間同步（流間同步）
時間相關(guān)數(shù)據(jù)的流層同步是第二層。流層的最小單位是整個流。沒有流間的同步將導(dǎo)致不同媒體數(shù)據(jù)的失調(diào)。
網(wǎng)絡(luò)的帶寬是完成流媒體傳輸?shù)奈镔|(zhì)基礎(chǔ)，在傳輸聲音、圖像、視頻等多媒體信息流時，即使這些媒體流予以壓縮，所需的帶寬仍然比文字文件大，但并不是有足夠的帶寬就可以完全解決流媒體傳輸問題。一般而言，所需帶寬的多少是與應(yīng)用密切相關(guān)的，從應(yīng)用角度來看，只要用戶數(shù)不斷增加、信息服務(wù)量不斷增加，帶寬有多少都是不夠的。同步是媒體流的基本控制方法。流媒體是時間屬性的表現(xiàn)，這依賴于RTSP協(xié)議棧。
4.3 用戶層同步（目標(biāo)間同步）
這是多媒體文獻中規(guī)定的最高層次的同步，是對象之間的同步，它集成了流和與時間無關(guān)的數(shù)據(jù)。對象間同步要求，如果某個以前定義的與時間相關(guān)的媒體目標(biāo)到達客戶端，那么在一個允許的時間間隔內(nèi)，必須開始與之相對應(yīng)的與時間無關(guān)的數(shù)據(jù)，同時停止與之不匹配的當(dāng)前的與時間無關(guān)的數(shù)據(jù)。
用戶層同步或交互同步，是最上層的同步，要求能反映和滿足用戶的交互性，容易為用戶理解接受。用戶層同步是交互性參與的同步，用戶可以控制和使用信息，如反復(fù)調(diào)用感興趣的內(nèi)容、快速掠過不感興趣的部分。雖然RTSP協(xié)議支持類似錄像機的功能：播放、快進、暫停、停止，但流媒體的交互性同步能力主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)流編碼過程中對交互性能的考慮。
5、小結(jié)與展望
近年來，無線移動通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，日趨成熟的第三代移動通信不僅能夠提供現(xiàn)有的各種移動電話業(yè)務(wù)，還能提供高速率的寬帶視頻業(yè)務(wù)，支持高質(zhì)量的話音、分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以及實時的視頻傳輸。
3G技術(shù)融合了無線通信與互聯(lián)網(wǎng)、視頻等技術(shù)，由此產(chǎn)生的無線視頻和無線IP業(yè)務(wù)也將成為未來無線移動通信業(yè)務(wù)新的增長點，而流媒體技術(shù)正是因為3G提供的可靠平臺成為其應(yīng)用之一，本文所介紹的視頻點播系統(tǒng)就是流媒體協(xié)議?；跓o線移動通信技術(shù)的典型應(yīng)用方案。而今，功能日漸增強的流媒體協(xié)議棧以其優(yōu)勢已經(jīng)應(yīng)用于各個領(lǐng)域，尤其在嵌入式領(lǐng)域與無線Web瀏覽技術(shù)相融合，并將一定程度上推動3G手機的發(fā)展。
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