清鶴自適應網絡帶寬的流媒體傳送技術描述

2005/04/04

　　就象解決一個城市的交通問題，解決流媒體系統(tǒng)的QoS問題一般有兩條路子：一條路是在路上做文章；另一條路是在流媒體系統(tǒng)本身做文章。前一段時間炒的火熱的ISDN技術、ATM技術以及未來的IPv6等網絡協(xié)議屬于前一種辦法，但是，截至目前為止，ISDN與ATM并沒有成為網絡技術的主流，TCP/IP仍然是事實上的標準。在流媒體系統(tǒng)本身做文章也有深入探討，主要是從電子學與計算機科學的角度出發(fā)的，如各種編碼技術、各種壓縮技術等，這條路子似乎也走到了盡頭，流媒體系統(tǒng)的核心與瓶頸問題并沒有很好的解決。

　　但如果換一個角度，從控制論的思想出發(fā)，將會發(fā)現更進一層的突破。為了克服網絡狀況不確定所造成的影響，視頻服務器必須自適應地調整發(fā)送策略來保證視頻服務的質量和實時性。正是從控制論的角度，我公司深入探討了自適應網絡帶寬的實時流媒體傳送問題，發(fā)明并實現了一套簡單易用、效果很好的實時流媒體傳送方案：自適應網絡帶寬的流媒體傳送技術，其中利用了自適應控制技術、模糊控制技術、反饋與前饋控制技術等先進的控制技術。圖2中的自適應調度和調節(jié)器是本公司的核心技術之一。本技術屬國際首創(chuàng)。嚴格的理論證明和技術測試說明本方案效果很好，非常便于實現。同時，根據我們的方案實現的原型系統(tǒng)在清華大學校園網上經過測試，效果非常理想。本公司生產的自適應調度和調節(jié)器適用于目前通用的任何編碼方式和網絡，所以可以作為OEM插件提供給其他的流媒體廠商。

圖3 采用該技術的視頻點播系統(tǒng)測試結果

　　圖3給出了在劇烈的帶寬變化情況下，應用該技術的視頻點播系統(tǒng)所達到的性能。在圖3中，（a）表示所使用的帶寬情況；（b）表示客戶端得到的視頻播放質量；（c）和（d）分別表示在播放過程中接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)中的數據量情況。對比圖3（a）（b）可以看出，在網絡帶寬劇烈變化的情況下，視頻播放質量的變化很平緩。由圖3（c）知，接收方緩沖區(qū)沒有發(fā)生上溢或下溢，這表明客戶始終能享受到連續(xù)的視頻播放，沒有出現播放卡殼；也沒有出現因為緩沖區(qū)上溢而丟失從網絡傳過來的數據。圖3（d）則表明發(fā)送緩沖區(qū)始終在80k字節(jié)左右，沒有發(fā)生下溢，說明數據發(fā)送模塊始終有數據可發(fā)，即網絡帶寬得到了充分利用。

具體而言，與國際上已有的流媒體傳輸技術相比，我們的技術具有以下優(yōu)點：

　　（1）該技術能使流媒體服務器自動適應網絡狀況實時傳送流媒體數據。即使在劇烈變化的網絡環(huán)境下，采用該技術仍能保證客戶享受到連續(xù)的、平穩(wěn)的、最高質量的視頻服務。
　　（2）該技術不需估計網絡帶寬，避免了網絡帶寬估計不準帶來的性能大幅下降。
　�。�3）該技術實現了質量自適應系統(tǒng)與網絡系統(tǒng)的解耦，從而使得技術中的質量自適應系統(tǒng)能在任何已有網絡環(huán)境下工作，極大地降低了技術推廣的難度。
　�。�4）該技術能很好地屏蔽網絡帶寬的短時間尺度波動對視頻播放質量的影響。由于擁塞控制的作用，網絡帶寬的短時間尺度波動常常比較大，如果直接按照網絡實時帶寬進行視頻質量調節(jié)，必然會造成視頻質量抖動劇烈，極大影響播放效果。
　�。�5） 該技術極大地簡化了參數的調節(jié)難度。在該技術方案中，參數可以根據嚴格的理論推導給出一個范圍，而且需要調節(jié)的參數量很少。

　　該技術方案完全有別于RealNetworks的真實流（Sure Streaming）和Microsoft的智能流（Intelligent Streaming）。這兩種解決方案其實是在與用戶建立連接的初始，檢測用戶的網絡帶寬資源狀況以及連接數目的多少，以此來判斷，發(fā)送文件大小最適合的流媒體文件。而在用戶觀看流媒體文件的2-3個小時過程中，網絡狀況和帶寬資源其實一直在變化的，可能不斷有新的用戶連接上來，并發(fā)數不斷在變化，但系統(tǒng)無力實時調整，結果在用戶端還是會時常出現圖像卡殼、抖動和停停放放的情況，服務質量仍然無法保證。而我們實時自適應流媒體傳輸技術，是始終對文件大小和發(fā)送速率進行動態(tài)調整的，并且是實時準確計算網絡資源和用戶端緩沖區(qū)的狀況，進行精確調整，保證終端用戶播放的流暢和清晰，且不耗費任何系統(tǒng)資源。

上海清鶴公司供稿 CTI論壇編輯