一種基于RTCP反饋的3G流媒體速率控制算法

摘要：在3G流媒體業務中，緩存數據溢出嚴重地影響了多媒體畫面質量和媒體播放的流暢性，降低了用戶對流媒體業務感知的滿意度。為了解決這個問題，根據3GPP PSS提出的反饋機制，闡述了一種基于RTCP反饋信息的3G流媒體速率控制算法。通過計算機仿真證明，該算法不僅有效防止了緩存數據上溢，而且保證了發送效率，避免了緩存數據欠載，從而實現了高質量的流媒體服務。
關鍵詞：RTCP反饋；網絡緩存上溢；客戶緩存下溢；速率控制

0 引言
第三代移動無線通信傳輸技術，在戶外環境中能夠提供384Kb／s的傳輸帶寬，在室內最高可達2Mb／s，因此3G系統能夠承載高質量的移動流媒體業務。隨著移動用戶對影音點播業務的需求增加和運營商對3G網絡的大規模推廣，流式多媒體服務逐步發展成為最重要的移動增值業務。但是無線鏈路的時變特性和移動終端的功能限制，使流媒體業務質量遭遇了極大的挑戰。研究表明，緩存數據下溢通常會引起畫面定格、用戶播放中斷和經常性的數據緩沖，而上溢則會拋棄接收到超出緩存容量限制的數據包，從而引起丟包率的增加，破壞媒體畫面質量，嚴重影響到用戶對業務感知質量的滿意度。
如果流媒體服務器能根據當前緩存數據的使用狀況及時調整流媒體的發送速率就可以實現對緩存數據的存貯控制，從而避免緩存數據溢出。本文闡述了一種基于RTCP反饋信息的流媒體速率控制算法，它可以有效地實現上述目的，實現流媒體業務的無中斷流暢播放，提高用戶的感知質量。

1. RTCP反饋機制
3GPP PSS規范提供了一個完整的基于移動網絡的點對點流媒體結構框架，如圖1所示。


服務器實現流媒體內容封包，并經由公共網Internet和移動核心網組成的全IP網絡發送給用戶終端。在核心網中，網絡緩存一般存在于SGSN或RNC 中，其作用是應對無線鏈路的吞吐量變化。在媒體會話期間，RTP提供了端到端的實時傳輸功能，但不保證服務質量，而RTCP提供關于當前網絡狀況和數據接收質量的反饋。服務器根據這些信息可以實現針對網絡狀態變化的數據傳輸控制。在這種反饋機制中，客戶端產生RTCP RR(RTCP Receiver Report，RTCP接收方報告)，服務器產生RTCP SR(RTCP Sender Report，RTCP發送方報告)。它們分別提供了丟包率、間隔抖動、最大接收包序號和最大發送包序號等信息。3GPP PSS規范中還定義了NADU(Next Application Data Unit，下一個應用數據單元)反饋包，用以描述終端能力，并提供客戶端緩存狀態的信息。NADU中3個主要部分分別為：
播放延時(Play-out Delay，PD)，它是下一個應用數據單元的預定播放時間和生成NADU包的時間差。
下一個包序號(Next Sequence Numher，NSN)，它是緩存中下一個即將被解碼的數據包序號。
可利用的緩存空間(Free Buffer Space，FBS)，它反映了當前緩存可用空間的大小。
基于RTCP的反饋過程，如圖2所示。當服務器與客戶端完成會話建立之后，服務器便啟動流媒體傳輸過程，RTP協議負責實現媒體數據從服務器到客戶端的傳輸。客戶端將統計的丟包率、最大接收包序號(HRSN)、播放延遲、可用的緩存空間和即將送入解碼器的包序號(NSN)分別放入RTCP SR和NADU中對應的參數域，構成RTCP混合包。RTCP混合包周期性地發送給服務器，用以估計網絡狀態以及客戶端緩存空間的占用狀態。服務器還可以利用發送包序列號的統計值與RTCP RR中的HRSN對SGSN或RNC上的緩存狀態做出判斷，調整數據包的發送速率，實現發送速率控制。