移动流媒体的核心技术及其实现

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摘 要：在下一代的移动通信商业应用中，将会提供以下服务，如数字音乐下载服务、实时新闻等信息服务、远程教育、视讯会议、端到端的交互游戏、音视频等多媒体内容的传递等。MSM-CDN必将 在未来移动数据通信的高速发展中扮演极其重要的角色，以提供高速、高质量的移动多媒体通信业务。
　　关键词：移动流媒体 MSM-CDN H.264
　　一、引言
　　多媒体通信技术已广泛应用于社会的各个行业、各个领域，影响着人类的生活方式和生活质量，多媒体技术在电话网（包括固定和移动电话网）、广电网、计算机网上的应用取得了迅猛发展。随着2.5G、3G等高速移动通信技术的逐渐成熟，以及手机、PDA等移动通信设备的不断完善，移动通信网不仅能够提供传统的话音业务，还能提供高速率的宽带视频业务，支持高质量的话音、分组数据业务以及实时视频传输。3G开创了无线通信与互联网、视频融合的新时代，由此产生的无线视频和无线IP业务也必将成为未来无线移动通信业务新的增长点。
　　在不远的将来，人们就可以通过手机交纳电费、水费、保险，可以通过手机在超市付款，可以用手机从公司数据库下载客户及产品信息，可以用手机与朋友进行交互游戏，可以用手机传输各种图片，下载新片预览以及定制电视节目等。
　　在2005年的“3GSM世界大会”大会上，使用手机播放数字音乐成为了与会者讨论的主要话题。至此，基于电信增值业务平台之上的“移动多媒体时代”开始了。那么，究竟移动多媒体是如何实现的，它的核心技术又是哪些呢？
　　二、移动流媒体电信平台—— 移动流媒体内容分发网络
　　1. MSM-CDN的概念和特点
　　移动流媒体内容分发网络（MSM-CDN，Mobile Streaming Media Content Delivery Network）是一种覆盖在现有IP网络上的复合虚拟网络，它通过叠加的服务器实现端到端的媒体传输以及网间的媒体服务。它的特点是由一系列被管理或者自管理的节点组成的，它们相互协调地为移动用户传输流媒体，这些叠加的节点在网络中起到了关键控制点的作用，大大提高了端到端的流媒体传输的性能。MSM-CDN具有资源利用率高及时延小等优点。
　　2. MSM-CDN的系统结构
　　一个端到端的媒体传输系统必须满足许多系统要求。首先，该系统必须和已经存在的基础系统能同时使用。其次，该系统必须灵活地允许不同系统的定制；这样，系统就能够通过不断地升级来适应不断发展的用户需求和系统使用模式；这种灵活性基本可以通过模块式设计来完成。最后，该系统必须是自我管理或者是被管理的，让网络操作用户来监测系统的性能。
　　MSM-CDN各个组成部分之间的交互是通过结构接口来实现的。这些接口允许系统各个组成部分可以相互协调地为移动用户提供传输媒体流，它们也允许系统能够重新配置以处理用户模式、时变网络和系统负载的变化。
　　媒体传输是通过媒体流和数据传输接口完成的。媒体流接MSM-CDN作为一种覆盖网络，它的设计是通过基础网络来平衡接续性的。一个关键的设计选择就是开发一个适应性好的结构，来让MSM-CDN应用于不同的网络，和不同的系统共同工作，然而仍然允许每个网络的不同要求的定制。
　　MSM-CDN系统结构分为：模块结构、结构接口和系统管理。
　　（1）模块结构
　　MSM-CDN的结构是建立在相互交互的模块结构基础上。模块化使得MSM-CDN网络可以随时根据用户数、网络和系统负载不断展开。MSM-CDN是由一系列叠加节点组成的，每个节点都有计算和存储能力。每个叠加节点又可以包含若干个叠加服务器或管理器。最简单的情况是，一个叠加节点可能是单一的叠加服务器或单一的管理器。另外，一个节点可能包含一系列叠加服务器和一个本地管理器。
　　叠加服务器是建立MSM-CDN的基本模块，它的基本功能包括媒体流传输、缓冲、内容发布、资源监测、资源管理以及信令管理。因为媒体能够从多个节点分发，所以通过叠加服务器复制媒体内容会改善媒体流的性能，同时可以防止服务器过载，改善可测量性。此外，叠加服务器还应具有高级的媒体业务管理功能，能对媒体流会话、缓冲和中继媒体流的处理操作进行会话管理，可以不断监测周围环境，与其他服务器和管理器共享信息。
　　管理器可以用来收集和分析系统统计数据，控制MSM-CDN各个部分的工作。管理器也可以用来操作网络。
　　（2）结构接口
　　口允许叠加服务器接收来自媒体源的输入流，并把媒体流输出到媒体播放器或者其他的叠加服务器。数据传输接口允许叠加服务器以文件传输的模式接收和发送媒体文件或媒体片断。
　　控制和管理接口允许叠加服务器和管理器查询其他MSM-CDN结构的信息。控制接口还允许管理器和叠加服务器向MSM-CDN其他结构发送命令信息，接收来自其他MSM-CDN结构的命令信息。这样使得多个叠加服务器能够相互协调地工作，以高效的资源利用率为预约用户提供服务。
　　（3）系统管理
　　易管理是MSM-CDN系统设计的一个重要的目标。MSM-CDN的管理具有两个功能：①系统监测、测量和分析；②系统控制。这两个功能都可以通过各结构之间的控制和管理接口完成。控制接口允许系统接收和发送请求和命令。由于每个叠加服务器可以跟踪自己的统计数据，所以它能够响应关于内容使用、服务器负载和网络状况的请求等命令。同时，叠加服务器还可以响应移动媒体内容、开始和结束会话流、处理流。
　　总之，MSM-CDN结构的灵活性和模块化能够按照集中式或分布式管理、插拔模式来进行配置；它的可测量性和自适应性能够适应大范围的应用场景。
　　2. 与MSM-CDN相关的一系列研究方向
　　（1）通过MSM-CDN基础结构媒体的分布：把媒体内容放置在靠近客户端的叠加服务器上，媒体流可以在一个较短的网络路径上传输，从而减少流媒体会话的启动时延，降低丢包率和整个网络的占用。
　　（2）媒体缓冲：媒体流缓冲问题需要确定哪些媒体流或媒体流片断需要缓冲。可以考虑一些因素如媒体的流行度、大小、可缓冲性以及其他的因素。
　　（3）客户请求转向/服务器选择：当一个客户请求某些内容时，这一请求必须发送到能够提供这些内容服务的服务器，这可以通过一系列机制来实现。这一操作还需要一个系统监测和管理组件来寻找最佳的叠加服务器。寻找的条件包括内容的可获得性、服务器负载、网络负载等。这就需要设计能够监测服务器和叠加服务器网络负载且能够分配请求到可用的最小负载的边缘服务器的框架结构。
　　（4）媒体流：信息流包括长而且连续的媒体流的传递，同时希望有高预测性的带宽、低的时延、可接受的丢失率。特别是，对一个中等长度流会话的分解可以很容易地分发传输。
　　（5）流的时序安排：信息流的时序安排问题，其基本的观点是通过信道（该信道具有可利用的时变带宽、丢失率和时延）为媒体流安排分组传送。
　　（6）中间层的网络流对不同的客户端和网络状况具有自适应性：一个流系统必须能够通过不同的、时变的网络把媒体流传送到不同范围的客户端。在许多情形下，下行流的网络状况和客户容量事先并不知道。在这些情况下，流媒体能够动态地适应可用的带宽和具体客户端配置的容量是很有用的。有许多方法可用来解决这个问题。
　　（7）无线流：无线信道是一种共享的、具有高动态性的传播媒介。在这种信道下，会产生不可预测的、时变的带宽，时延和丢失率。解决上述问题的关键在于优化来自于叠加服务器的无线流的算法。一个叠加服务器能够和无线基站共同配置，这样无线流就会更好地适应无线信道的变化。
　　（8）端到端的安全性：一个相关的问题是，我们希望为流会话提供端到端的安全性，同时也支持中间层的网络进行代码转换。然而，这些看起来是矛盾的。其实，在保障端到端的安全性的同时，仔细地设计信息压缩、编码和打包，能够使中间层网络进行代码转换。
　　（9）对多客户端的流：另一个关键的问题是通过多点传送或一对多通信来支持受欢迎的事件。在互联网中目前还不支持IP多点传送，但是叠加网络可以支持应用层的多点传送。此外，对于同一个内容的信息不同的用户要求不同的比特率，这是通过使用可升级代码和在多点传输树发送不同的层来实现的。同样的，多重的多点传送树能够为差错控制提供不同纠错能力的前向纠错，每个用户可以选择适合自己要求的前向纠错码。
　　（10）传递流会话：流媒体传送不同于网页的传送，因为流会话经常是长期存在的。流会话长期存在性与用户移动性相结合，在叠加服务器之间传递流会话会产生技术问题。进一步讲，当流会话涉及代码转换时，需要代码转换会话的中间流传递。
　　3. 移动流媒体基础协议——H.264协议
　　H.264/MPEG-4 AV是目前最新、最有前途的视频压缩标准。H.264是由ITU-T和ISO/IEC的联合开发组共同开发的最新国际视频编码标准。通过该标准，在同等图像质量下的压缩效率比以前的标准提高了2倍以上，因此，H.264被普遍认为是最有影响力的行业标准。
　　（1）H.264协议概述
　　H.264和以前的标准一样，也是DPCM加变换编码的混合编码模式。但它采用“回归基本”的简洁设计，不用众多的选项，获得比H.263++好得多的压缩性能；加强了对各种信道的适应能力，采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理；应用目标范围较宽，以满足不同速率、不同解析度以及不同传输（存储）场合的需求。
　　（2）H.264协议的主要目标
　　与其他现有的视频编码标准相比，H.264协议的主要目标是在相同的带宽下提供更加优秀的图像质量。
　　（3）H.264协议的优势
　　H.264协议最大的优势体现在以下几个方面：
　　①将每个视频帧分离成由像素组成的块。
　　②采用空间冗余的方法，对视频帧的一些原始块进行空间预测、转换、优化和可变长编码。
　　③对连续帧的不同块采用临时存放的方法，这样，只需对连续帧中有改变的部分进行编码。
　　④采用剩余空间冗余技术，对视频帧里的残留块进行编码。
　　⑤在同等的还原图像质量的情况下，H.264要比MPEG-4节省50%以上的码率 。
　　⑥允许流媒体在更低的带宽上传输，节省带宽资源适用性强。
　　⑦具备从电话应用到高端广播和存储应用的各种类型。
　　⑧有较强的容错能力，在质量不稳定的网络环境中，可以得到较好的质量。
　　⑨低处理时延：为了保证解码的视频获得很好的质量，视频数据的处理和传输时延必须最小化。在编码过程一个较大的处理时延会导致视频队列重新组合的混乱。时延是编码、网络和解码时延的总和。为了将时延最小化，必须在编码和解码过程中进行最小时延的处理。
　　⑩优秀的图像质量：在直播应用里，视频图像质量的好坏受多方面因素的影响，包括在视频源的噪声和光线的改变、重新组合的视频和网络丢包的情况。
　　视频帧噪声的存在和连续视频帧的光线改变，会严重地降低视频编码效率。因此，为了降低噪声和光线改变对视频编码效率的影响，必须使用预处理工具。
　　马赛克通常由一系列运动物体的拖尾痕迹的点所组成，而且非常明显。当在非常低的带宽下进行图像编码，就会被迫丢弃大量有用的数据，从而引起了马赛克。因此，这样的马赛克应该被消除或减少。
　　被视频编码器压缩过的数据流首先分成固定或不同长度的包，合成音频和其他数据类型，然后通过网络进行传输。一些数据包在通过物理链路传输的过程中会丢失或损坏，导致音频和视频数据变形。因此，为了保证最小限度的丢失和损坏，必须在编码过程对数据进行容错处理。
　　四、移动流媒体核心技术—— H.264编码和基于H.264的移动服务
　　1. H.264编码的特征
　　（1）低码流：和MPEG-2和MPEG-4 ASP等压缩技术相比，在同等图像质量下，采用H.264技术压缩后的数据量只有MPEG-2的1/8，MPEG-4的1/3。显然，H.264压缩技术的采用将大大节省用户的下载时间和数据流量收费。
　　（2）高质量的图像：H.264能提供连续流畅的高质量图像。
　　（3）容错能力强：H.264提供了解决在不稳定网络环境下容易发生的丢包等错误的必要工具。
　　（4）网络适应性强：H.264提供了网络适应层（Network Adaptation Layer），使得H.264的文件能容易地在不同网络上传输。
　　2. 基于H.264的移动服务
　　虽然早期的视频编码标准如MPEG-4和H.263可以为移动应用（如视频流和下载服务）提供充分的视频图像质量，但最新的视频编码标准H.264可以将移动应用面扩大和提供更强有力的服务。
　　3. H.264编码技术的应用
　　（1）VOD下载应用
　　VOD（Video on Demand，视频点播）下载应用是通过Wap或Web门户提供给最终用户的。最终用户浏览媒体门户的时候，当他们找到一个要看的视频短片，就会点击该短片的链接。这样，该短片就会保存到用户移动终端的内存里面，用户可以直接使用移动终端离线观看该短片。在H.264高级编码技术的帮助下，视频下载应用无论是对服务供应商还是对最终用户都更加有吸引力。
　　（2）流式视频直播应用
　　典型的流式视频直播应用包括3个组件：一端是连接到PC的视频摄像机，中间是视频分发平台，另一端是配备移动设备的最终用户。目的是使最终用户访问该直播的时候感觉视频是直接从摄像机过来的，而视频分发平台对用户是透明的。利用这样一个视频直播平台，可以通过移动网络实现无数的应用，最终用户可以通过手机来观看需要看的地方。