CN102523486A

CN102523486A - 一种在视频调度系统中实现动态码流带宽自适应的方法

Info

Publication number: CN102523486A
Application number: CN2011104604153A
Authority: CN
Inventors: 林菁; 王志伟; 张云中; 张志坡
Original assignee: Beijing Jiaxun Feihong Electrical Co Ltd
Current assignee: Beijing Jiaxun Feihong Electrical Co Ltd
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2011-12-31
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明公开了一种在视频调度系统中实现动态码流带宽自适应的方法，包括如下步骤：传输媒体数据；在媒体数据的传输过程中，获得媒体数据传输参数；根据用于传输媒体数据的设备参数信息，结合媒体数据传输参数，对媒体数据码流进行调整；输出经过调整的媒体数据码流。本发明通过采集媒体数据传输过程中的参数对视频调度系统中的媒体数据传输进行可伸缩性设计、动态编码，使得视频调度系统更好地匹配网络的动态变化，从而提高视频调度系统的应用服务质量。

Description

一种在视频调度系统中实现动态码流带宽自适应的方法

技术领域

本发明涉及一种实现动态码流带宽自适应的方法，尤其涉及一种在视频调度系统中，实现多媒体数据动态码流带宽自适应传输的方法，属于网络传输技术领域。

背景技术

互联网经常被用来传输多媒体数据流。在互联网中，由于TCP/IP网络“尽力而为”的特点，传输多媒体数据流会因为数据量太大、网络服务质量不稳定(丢包、延迟、抖动)等问题导致传送速率很慢，甚至出现传送失败的问题。

目前，主要存在以下几种典型的QoS(服务质量)策略：

1.综合业务模型(简称Intserv)

Intserv主要是引入了RSVP(资源预留协议，也就是信令协议)，该协议的应用需要与路由协议一起使用。通过应用RSVP，可以提供很好的QoS服务，但同时缺点也十分明显。主要表现在：第一，对路由器的较高要求，必须要求从发送者到接受者之间所有路由器都支持所实施的信令协议。并非所有的路由都必须支持RSVP协议，如果在网络链路中，有任何一个环节的路由不支持该协议，则无法提供有效的QoS服务；第二，路由的负担会随着业务的增加而加大，网络扩展性不好。因为IntServ要求端到端的信令，在每一个路由器上，都要检查每一进入的包并保证相应的服务，因而每一路由器都必须维护每一条流的状态信息，从而增加了综合服务的复杂性，导致可扩展性差。第三，如果存在不支持IntServ的节点/网络，虽然信令可以透明通过，但对应用来说，已经无法实现真正意义上的资源预留，所希望达到的QoS保证也就大打折扣。

2.区分服务体系结构(简称DiffServ)

DiffServ主要是利用了IP数据包中的Tos(terms of service，服务类型)字段(即DS域)。进入网络的流量在网络边缘处进行分类和可能的调解，然后被分配到不同的行为集合中去，每个行为集合由为一个DS编码点标识。在网络核心处，数据包根据DS编码点对应的每一跳行为转发。“每一跳行为”保证了在互相竞争资源的数据流中为每个网络节点分配缓冲区和带宽资源时，有一个合理的处理力度，在核心网络节点上，无需维护每个应用程序流或每个用户转发状态。这种模型并不提供从信源端到信宿端的全程QoS保证策略。

3.多协议标签交换(简称MPLS)

在MPLS中，将网络的三层IP路由和二层交换技术结合起来，从而弥补了传统IP网络的许多缺陷。MPLS引入了新的标签结构，对IP网络的改变较大，引入了“显式路由”机制，对QoS提供了更为可靠的保证。MPLS使用基于分布式计算的传统IP路由协议，由这些协议计算得到的路由可能会瞬时产生环路。产生环路数据包造成的拥塞可能导致非环路数据包延迟加长或丢弃，严重时导致网络瘫痪。

但是，当前的QoS策略基本都是工作在网络层，只是为了解决传输过程中的网络拥塞问题，而没有从源头解决问题，从而导致传输过程中的一部分数据分包被丢弃/再重发。对于数据量巨大的多媒体业务(如视频会议、流媒体等)而言，仅仅依靠QoS策略很难满足视频调度系统的实际需求。

发明内容

针对现有技术所存在的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种在视频调度系统中实现动态码流带宽自适应的方法。该方法可以从源头解决网络拥塞问题，实现媒体码流带宽自适应，提高视频调度系统的应用服务质量。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种在视频调度系统中实现动态码流带宽自适应的方法，其特征在于包括如下步骤：

传输媒体数据；

在所述媒体数据的传输过程中，获得媒体数据传输参数；

根据用于传输媒体数据的设备参数信息，结合所述媒体数据传输参数，对媒体数据码流进行调整；

输出经过调整的媒体数据码流。

其中较优地，获得媒体数据传输参数的步骤包括：

传输检测：检测所述媒体数据在传输过程中的传输参数；

传输统计：统计检测到的各项传输参数，将结果维护到列表中；

参数反馈：将统计的传输参数向所述信源端反馈。

其中较优地，所述传输参数至少包括网络抖动、时延、丢包率之

所述设备参数信息至少包括CPU利用率、网络带宽之一。

其中较优地，信源端根据当前的网络带宽和CPU利用率对媒体数据码流进行加权运算，得到当前状况下的理想编码模式；通过控制编码器对媒体数据进行编码，得到理想输出码流。

本发明通过采集媒体数据传输过程中的参数对视频调度系统中的媒体数据传输进行可伸缩性设计、动态编码，使得视频调度系统更好地匹配网络的动态变化，从而提高视频调度系统的应用服务质量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明所提供的动态码流带宽自适应方法的传输流程示意图。

具体实施方式

一般的媒体传输包括如下步骤：媒体采集、媒体编码、媒体传输、媒体解码、媒体还原。具体地说，信源端的媒体采集设备采集媒体信息获得媒体数据；信源端将媒体数据进行打包处理；信源端通过RTP/UDP协议向信宿端传输媒体数据；信宿端通过缓冲及排序处理解码媒体数据；信宿端媒体还原设备还原媒体信息。这里所指的媒体数据包括音、视频等多媒体数据。

为了提高视频调度系统对网络状况的适应能力，需要针对视频调度系统中的媒体数据传输进行可伸缩性设计。将网络状况的动态变化通过技术手段反馈到视频调度系统中，根据控制策略，能够使得视频调度系统更好地匹配网络的动态变化，在一定程度上提高视频调度系统的应用服务质量。

OSI(Open System Interconnect，开放式系统互联)模型把网络通信的工作分为7层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。在研究现有技术的基础上，本发明提供了一种在视频调度系统中实现动态码流带宽自适应的方法。该方法工作在应用层，可以在源头控制多媒体数据传输，解决传输中的网络堵塞问题。

如图1所示，本发明在媒体数据传输过程中，通过采集媒体数据传输的参数，结合本地媒体数据传输设备的参数(例如当前CPU的利用率、当前网络带宽等)，对视频调度系统中的媒体数据传输进行可伸缩性设计，并结合动态编码，使其匹配网络的动态变化，控制编码器得到理想输出码流。例如：按不同的CPU利用率、不同的网络带宽、不同的网络传输参数控制编码器对媒体数据进行不同的编码，输出速度快慢不等的与网络匹配的编码码流，从而提高CPU和网络带宽的利用率，提高视频调度系统的应用服务质量。具体说明如下：

采集媒体数据传输的参数主要包括三个步骤：传输检测：信宿端检测媒体数据在传输中的参数；传输统计：信宿端统计检测到的各项媒体数据传输参数，将统计结果维护到列表中；参数反馈：信宿端将统计的相关参数信息向信源端反馈。下面分别展开详细的说明。

1.传输检测

信宿端接受并解码信源端传输的媒体数据时，信宿端通过Jitter(抖动)缓冲及排序处理解码媒体数据。信宿端在一定的缓冲时间内，通过检测媒体数据传输的时戳差、Jitter长度，得到媒体数据传输时的网络抖动、时延、丢包率等参数。信宿端根据上述参数探测当前网络的带宽Maxrate。在本发明中，在t₁～t₂时段内信源端传输给信宿端的丢包数为：

P(lost)＝P(expected)-P(received) (1)

其中，P(lost)表示t₁～t₂时段内的丢包数，P(expected)表示t₁～t₂时段内预计收到的数据包数，P(received)表示t₁～t₂时段内实际收到的数据包数。在t₁～t₂时段内丢包率P的计算公式为：

P＝P(lost)/P(expected) (2)

其中，P表示当前媒体数据传输的丢包率。

在本发明中，在t₁～t₂时段内信源端向信宿端传输的总的数据包为：

totalsize＝SN(max)-SN(min) (3)

其中，totalsize表示在t1～t2时段内的数据总数，SN(max)表示在t2时刻的数据累计数，SN(min)表示在t1时刻的数据累计数。在t1～t2时段内信源端传输至信宿端的码流currentrate为：

currentrate＝totalsize/(t₂-t₁) (4)

其中，currentrate表示在当前媒体数据传输的码流。

2.传输统计

在信宿端设置定时器，该定时器统计网络的抖动、时延、丢包率等传输检测步骤中检测到的各项媒体数据传输参数，并将该传输参数维护到列表中。

3.参数反馈

信宿端根据传输统计步骤中定时器的设置，通过RTCP协议定时向信源端发送反馈通知。该反馈通知中包含了传输统计步骤中抖动、时延、丢包率等所有的媒体数据传输统计信息。

如图1所示，利用本发明所提供的在视频调度系统中实现动态码流带宽自适应的方法，在媒体数据传输过程中，可以通过调用当前媒体数据传输设备的系统API，得到本地CPU的当前利用率，当然也可以通过其他方式获取。信宿端可以根据当前网络环境下媒体数据传输的丢包率P、数据包的往返时间RTT(round trip time)、数据传输超时TO(Time-out)结合在t1～t2时段内数据量，计算当前的网络带宽Maxrate。

信源端根据信宿端反馈的媒体数据传输参数信息，结合获得的当前媒体数据传输设备的参数，调整编码器的相应参数，从而将输出码流进行适应性调整，得到与当前网络状况相匹配的编码码流。

信源端调整输出码流的策略具体如下：

信源端根据当前的网络带宽和当前CPU利用率对媒体数据传输的编码码流进行加权运算，得到当前状况下的理想编码模式。信源端通过控制编码器，对媒体数据编码得到理想输出码流。信源端按照该输出码流传输媒体数据。理想输出码流的计算方式如下：

Outrate＝currentrate×(1-P)×0.75 (5)

其中，Outrate表示理想输出码流，currentrate表示当前的媒体数据码流，P表示当前媒体数据传输的丢包率。

H.264又称AVC，是MPEG-4标准定义的最新格式，同时也是技术含量最高、代表最新技术水平的视频编解码格式之一。H.264的最大优势是具有很高的压缩比率，具有低码率、高质量的图像、容错能力强、网络适应性强等特点。经过H.264压缩的视频数据，在网络传输过程中所需要的带宽更少，也更加经济。

在本发明中，对媒体数据编码时采用X264编码技术进行验证和测试，并对部分编码参数进行了优化。根据H.264编码器的相关参数，进行了合理的设置，并搭配划分了不同级别的编码格式。该编码格式从快到慢有如下几种：Ultrafast、veryfast、faster、fast、medium、slow、slower、veryslow、placebo。针对编码器的各编码格式的设计如表1所示：

续表1

续表1

表1

对于同一视频在同一网络带宽下，从Ultrafast到veryslow，CPU的利用率依次升高，编码速度依次降低，视频质量不会变化或者有小幅度的提升。

通过采用上述的编码格式，视频调度系统的码流带宽自适应能力有了一定的提高。具体的应用测试环境如表2所示：

表2

同一视频在同一网络带宽下，按本发明所提供的方法详细测试媒体数据的传输情况如表3所示：

分辨率	352*288	352*288	352*288
				带宽	120kbps	120kbps	120kbps
编码模式	ultrafast	faster	medium
				CPU利用率	40％	50％	55％
平均PSNR	29.414	32.285	32.787
				编码码率	446.43fps	127.99fps	78.06fps

表3

在表3中，

PSNR：Peak Signal-to-Noise Ratio峰值信噪比，即视频质量的量化值，值越大，表示失真越小；

fps：每秒编码帧数；

kbps：每秒bit数。

由此可见，同一视频在同一网络带宽下，采用本发明所提供的方法进行传输，CPU利用率有显著的提高、媒体质量不会变化或者有小幅度的提升、媒体数据编码码率有了显著的改善。

综上所述，本发明具有如下的优异性能和特点：在媒体数据传输过程采集媒体数据传输时的网络抖动、时延、丢包率等参数，结合本地CPU的当前利用率和网络带宽进行加权运算，得到当前状况下与之相匹配的理想编码模式；控制编码器得到理想输出码流，按照得到的理想输出码流传输媒体数据。从应用层调整信源端的媒体码流，实现媒体码流带宽自适应，从源头上解决网络拥塞问题，从而提高视频调度系统的应用服务质量。

上面对本发明所提供的在视频调度系统中实现动态码流带宽自适应的方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在本发明技术构思的启发下，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims

1.一种在视频调度系统中实现动态码流带宽自适应的方法，其特征在于包括如下步骤：

传输媒体数据；

在所述媒体数据的传输过程中，获得媒体数据传输参数；

输出经过调整的媒体数据码流。

2.如权利要求1所述的实现动态码流带宽自适应的方法，其特征在于获得媒体数据传输参数的步骤包括：

传输检测：检测所述媒体数据在传输过程中的传输参数；

参数反馈：将统计的传输参数向所述信源端反馈。

3.如权利要求2所述的实现动态码流带宽自适应的方法，其特征在于：

所述传输参数至少包括网络抖动、时延、丢包率之一。

4.如权利要求2所述的实现动态码流带宽自适应的方法，其特征在于：

通过RTCP协议向所述信源端反馈所述传输参数。

5.如权利要求1～4中任意一项所述的实现动态码流带宽自适应的方法，其特征在于：

所述设备参数信息至少包括CPU利用率、网络带宽之一。

6.如权利要求1所述的实现动态码流带宽自适应的方法，其特征在于：

信源端根据当前的网络带宽和CPU利用率对媒体数据码流进行加权运算，得到当前状况下的理想编码模式；通过控制编码器对媒体数据进行编码，得到理想输出码流。

7.如权利要求6所述的实现动态码流带宽自适应的方法，其特征在于：

所述理想输出码流通过如下公式进行计算：

Outrate＝currentrate×(1-P)×0.75

其中，Outrate表示理想输出码流，currentrate表示当前的媒体数据码流，P表示当前的丢包率。