CN114125508B - 无线域内视频组播的可靠性保障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线域内视频组播的可靠性保障方法，该方法包括在应用层为无线域内每个视频组播用户提供独立的视频补偿通道，用户通过补偿通道向组播服务器发起TCP补偿请求，组播服务器响应补偿请求并通过补偿通道将补偿数据返回给用户，补偿数据与原有视频数据拼接完整后，进行正常的视频播放；同时根据无线域内所有视频用户的平均丢包率，自适应调整组播服务器内容发送速率。本发明在应用层建立补偿通道，以单播手段为每个组播视频用户重传丢失的数据包，解决了无线域内视频组播丢包后不重传的问题，同时通过自适应调整视频组播数据发送速率，降低用户丢包率，提高视频流畅性，实现了无线域内视频组播的可靠传输。

Description

无线域内视频组播的可靠性保障方法

技术领域

本发明涉及一种保障无线域内视频组播数据可靠传输的方法，具体地说，涉及一种通过对无线域内视频组播数据进行补偿及自适应调整视频组播数据发送速率保障无线域内视频组播数据可靠传输的方法。本发明属于计算机网络技术领域。

背景技术

目前，随着无线网络铺设范围的不断扩大，移动用户的数量不断增加，且移动用户对视频质量需求也与日俱增。当一个无线域内随着无线接入用户数量的增加，每个用户的可用带宽将难以满足视频业务的体验。视频组播凭借着其节省带宽的天然优势，能够解决不断增加的用户数量需求，但是，无法保障每个用户收到的视频可靠传输的问题。

组播是一点对多点的传输方式，能实现数据一次发送多个接收端同时接收，向有相同需求的接收端提供高效的传输，节省网络带宽，减轻服务器负载的优点，但是，组播在无线域实际应用时确实会出现传输不可靠的问题，例如数据丢包导致视频卡顿。因为无线信道是共享的传输介质，存在信道干扰和信道不稳定的固有问题，不可避免地信号会发生冲突从而导致数据传输异常，而且无线域内组播传输数据时在传输层和数据链路MAC层均没有ACK机制，视频组播丢包后缺乏重传机制，造成数据丢失。

随着无线视频业务需求的不断提高，这种视频组播数据传输不可靠的现象将更普遍，成为无线视频组播的发展瓶颈。

发明内容

为解决无线域内视频组播丢包后缺乏重传机制的问题，本发明的目的是提供一种无线域内视频组播的可靠性保障方法。该方法通过建立补偿通道，实现用户终端和服务器之间的信令交互和数据补偿，保证无线域内视频组播数据传输的完整性，提高用户体验；同时，该方法通过视频组播数据发送速率的自适应调整，降低丢包率，保证无线域内视频组播数据传输的流畅性，提高用户体验。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种无线域内视频组播的可靠性保障方法，它包括如下步骤：

S1：在组播服务器与每个视频组播用户终端之间分别建立一条独立的应用层视频补偿通道；

S2:存在视频丢包情况的用户终端向组播服务器发起TCP补偿请求；

S3：组播服务器响应补偿请求并通过补偿通道以单播方式回传补偿数据；

S4：产生视频丢包情况的用户将接收到的补偿数据与原有视频数据进行拼接形成完整的视频进行正常播放。

其中，所述补偿通道与组播内容分发通道是两条独立的通道；每个补偿信道均基于TCP传输协议进行数据传输；

数据包的格式为RTP数据包，在传统的RTP数据包头部后加上一个头部拓展，该头部拓展占8个字节，包括占2个字节的defined by profile字段、2个字节的length字段和4个字节的header extension字段；header extension字段填写全局标识ext_seq_num，全局标识ext_seq_num用于标记某一段视频数据在整个视频的相对时间位置；全局标识采用了序列号的形式，ext_seq_num取值范围为0-2³²；其他字段按照RTP协议规定填写。

其中，所述组播服务器包括内容分发服务器和补偿服务器；

所述内容分发服务器以直播的方式将某一视频源推送出去，实现一次发送多移动终端同时接收的目的；

所述补偿服务器与用户终端之间建立所述补偿通道，以单播方式向用户终端回传补偿数据；

所述补偿通道的建立方法为：

S1.1：内容分发服务器开启一个固定的TCP端口；

S1.2：用户终端向内容分发服务器的TCP端口发起TCP连接，在内容分发服务器上进行用户注册；

S1.3：完成用户注册后，内容分发服务器告知补偿服务器为上述用户终端分配补偿端口；

S1.4：内容分发服务器更新用户注册列表；

S1.5：补偿服务器根据内容分发服务器上的用户注册表制定分配补偿端口；

S1.6：内容分发服务器将补偿服务器的补偿端口告知用户终端；

S1.7：补偿服务器和用户终端之间建立一条基于TCP的应用层补偿通路。

其中，所述用户终端向组播服务器发起TCP补偿请求和所述补偿数据以单播方式回传的具体方法是：

S2.1：用户终端接收到组播视频数据包后，将数据写入其缓存模块；

S2.2：用户终端根据其缓存模块中的组播视频数据包的RTP包头上的全局标识，检查接收数据包的完整性，如果发现数据包丢失，用户终端通过补偿通道以TCP单播的方式向补充服务器发起补偿请求，上述的补偿请求内容包括用户终端某个时间段内所有丢失的数据包的全局标识号；

S3.1：补偿服务器接收到用户终端的补偿请求后，根据补偿请求的信息，在其补偿缓存模块中检索用户终端需要补偿的视频数据包；

S3.2：补偿服务器的补偿内容分发模块将检索到的视频数据包封装成字节流，通过补偿通道以单播的方式将补偿数据发送给用户终端。

其中，所述补偿数据和原有视频数据合并播放的方法为：

S4.1：用户终端接收到补偿数据后，将其切分成RTP封装形式的数据包，按照全局标识号从小到大的顺序，与用户终端缓存模块中本周期内先前接收到的视频数据包进行拼接，形成完整的视频文件；

S4.2：用户终端将拼接完成的视频文件写入文件系统供播放器正常播放。

本发明无线域内视频组播的可靠性保障方法还包括匹配组播用户的接收能力自适应调整组播服务器内容发送速率，所述组播服务器内容发送速率v_i+1为：

其中，v_i+1表示本周期内容分发速率，v_i表示上一周期内容分发速率；参数A、B表示丢包率阈值，B≥A；S表示视频码率；L表示每个数据包中视频数据的长度；α为衰减因子，α∈(0,1]；β为慢增长因子，γ为快增长因子，γ,β∈(1,+∞)，其中γ>β。

所述参数A的计算方法为：

所述参数B的计算方法为：

其中，参数a表示一般丢包率参考值，b表示严重丢包率参考值；

MTU指以太网协议中数据链路层中数据帧的最大传输单位。

本发明的优点在于：

1)本发明通过在用户终端与服务器之间建立补偿通道的方法，以单播手段为用户终端重传丢失的数据包，确保用户终端接收的视频数据完整性。当用户终端接收的视频数据不完整时，先由视频用户终端发起补偿请求，再由组播服务器以单播补偿的方式重传丢失的数据，实现组播数据的可靠传输。这种被动补偿机制可以避免采用服务器主动补偿而产生的数据冗余现象，同时保证无线域内，组播流媒体传输的可靠性，提高用户体验。

2)本发明通过自适应调整视频组播数据的发送速率，匹配组播用户的接收能力，降低用户丢包率，保证无线域内视频组播数据传输的流畅性，提高用户体验。

3)本发明与传统的通过改变基于底层传输协议实现的组播数据重传方案相比，本发明是一种应用层传输协议，是面向应用层的，可以根据视频应用的需求做出相应的修改，兼容各种无线域的底层传输技术，具有业务针对性强和灵活性强的优点。

附图说明

图1为本发明无线域内视频组播可靠性保障方法流程图；

图2为本发明无线域内视频组播可靠性保障系统架构图；

图3为本发明无线域内视频组播可靠性保障系统信令交互流程图；

图4为本发明单用户组播补偿示意图；

图5为本发明多用户组播补偿示意图；

图6为本发明RTP数据包头部定义示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述，显然描述的具体实施方式仅是本发明一部分的实施方式，而不是全部的具体实施方式。基于本发明的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他具体实施方式们都属于本发明保护的范围。

图1为本发明无线域内视频组播可靠性保障方法流程图，图2为本发明无线域内视频组播可靠性保障系统架构图，如图1、图2所示，本发明公开的无线域内视频组播可靠性保障方法包括如下步骤：

S1：在组播服务器与每个视频组播用户终端之间分别建立一条独立的应用层视频补偿通道；

S2:存在视频丢包情况的用户向组播服务器发起TCP补偿请求；

S3：组播服务器响应补偿请求并通过补偿通道以单播方式回传补偿数据；

S4：产生视频丢包情况的用户将接收到的补偿数据与原有视频数据进行拼接形成完整的视频进行正常播放。

如图2、图3所示，无线域内视频组播可靠性保障系统包括组播服务器、网络和用户终端。用户终端通过无线网络和无线接入点进行连接；无线接入点与交换机通过有线方式连接；交换机通过有线方式与组播服务器相连。所述组播服务器可以包括内容分发服务器和补偿服务器，内容分发服务器以直播的方式将某一视频源推送出去，实现一次发送多移动终端同时接收的目的，同时保证终端接收到的视频能够完整流畅地播放。当存在用户终端接收到的视频数据丢包的情况时，补偿服务器通过与用户终端之间的补偿通道，以单播方式向用户终端回传补偿数据。

所述内容分发服务器包括：用户注册模块、文件系统、缓冲模块、内容分发模块。所述补偿服务器包括：端口分配策略模块、补偿缓存模块、补偿内容分发模块。所述用户终端包括用户注册模块、文件系统、缓存模块、内容接收模块。

图3为本发明无线域内视频组播可靠性保障系统信令交互流程图。如图1-图3所示，其中以一个用户终端从注册到接收组播视频数据再到完成数据补偿的过程为例，说明系统信令交互流程，具体为：

S1.1：内容分发服务器开启一个固定的TCP端口；

S1.2：用户终端向内容分发服务器的TCP端口发起TCP连接，在内容分发服务器上进行用户注册；

S1.3：完成用户注册后，内容分发服务器告知补偿服务器为上述用户终端分配补偿端口；

S1.4：内容分发服务器更新用户注册列表；

S1.5：补偿服务器根据内容分发服务器上的用户注册表制定分配补偿端口；

S1.6：内容分发服务器将补偿服务器的补偿端口告知用户终端；

S1.7：补偿服务器和用户终端之间建立一条基于TCP的应用层补偿通路；

S1.8：内容分发服务器从其文件系统中读取视频文件，经过可拓展的带全局标识的RTP协议封装后，将RTP数据包写入内容分发服务器的缓存模块；

S1.9.：将内容分发服务器的缓存模块中的RTP数据包拷贝到补偿服务器的补偿缓存模块；

S1.10.：内容分发服务器的内容分发模块从其缓存模块中读取缓存文件，然后组播发送上述缓存的视频数据；

S2.1：用户终端接收到组播视频数据包后，将数据写入其缓存模块；

S2.2：用户终端根据其缓存模块中的组播视频数据包的RTP包头上的全局标识，检查接收数据包的完整性，如果发现数据包丢失，用户终端通过补偿通道以TCP单播的方式向补充服务器发起补偿请求，上述的补偿请求内容包括用户终端某个时间段内所有丢失的数据包的全局标识号；

S3.1：补偿服务器接收到用户终端的补偿请求后，根据补偿请求的信息，在其补偿缓存模块中检索用户终端需要补偿的视频数据包；

S3.2：补偿服务器的补偿内容分发模块将检索到的视频数据包封装成字节流，通过补偿通道以单播的方式将补偿数据发送给用户终端；

S4.1：用户终端接收到补偿数据后，将其切分成RTP封装形式的数据包，按照全局标识号从小到大的顺序，与用户终端缓存模块中本周期内先前接收到的视频数据包进行拼接，形成完整的视频文件；

S4.2：用户终端将拼接完成的视频文件写入文件系统供播放器正常播放。

图4为本发明单用户组播补偿具体实施方式示意图，图5为本发明多用户组播补偿具体实施方式示意图。以Wi-Fi网络为例，组播服务器通过网络以组播或者单播补偿的方式将视频数据传送给用户终端。具体地说，组播服务器拥有两类传输通道：组播内容分发通道和单播补偿通道。

上述组播内容分发的具体要求如下：

1、如图4所示，内容分发服务器开启一个组播端口以启动服务器的组播服务，同时用户终端需要开启一个相同的组播端口以启动用户终端的组播服务。

2、如图5所示，如果后续有其他更多用户终端需要加入组播服务的话，同样地，这些用户终端也需要开启一个与内容分发服务器相同的组播端口以启动自身终端的组播服务。

上述单播补偿的具体要求如下：

1、如图4所示，内容分发服服务器开启一个TCP端口，将其命名为PORT_CONTROL；用户终端通过PORT_CONTROL端口通信在内容分发服务器上完成用户注册工作，如图5所示，如果后续有其他更多终端加入组播服务的话，同样地，每个终端通过PORT_CONTROL端口通信在内容分发服务器上完成用户注册工作。

2、如图4和图5所示，补偿服务器会为每个用户终端额外分配一个TCP端口，将其命名为PORT_COMPENSATE_X(X是一个可变的参数，与用户终端在内容分发服务器注册的先后顺序有关，如图4所示，PORT_COMPENSATE_1、PORT_COMPENSATE_2和PORT_COMPENSATE_3等)，用户终端都可以通过属于自身的PORT_COMPENSATE_X端口和服务器实现单播补偿。

上述的组播内容分发通道和单播补偿通道并存的优点是：一方面利用组播的方式实现视频的直播，另一方面以一种组播被动补偿机制确保视频传输的可靠性、完整性，保证在Wi-Fi网络环境下用户终端能完整接收到组播服务器推送的直播视频。这样既优化无线域内的网络情况、提高视频的传输效率和减少网络拥塞，又满足用户观看体验。

为降低组播的视频数据的丢包率，保证传输更流畅，本发明还公开了一种视频组播数据发送速率自适应调整方法，调整组播服务器的内容发送速率，匹配组播用户的接收能力，降低用户丢包率，其自适应调整方法如下：

假设组播服务器内容分发速率为v个数据包/s，视频码率为Sbit/s，每个视频数据包中有效数据长度为Lbit，α为衰减因子，β为慢增长因子，γ为快增长因子，则组播服务器内容分发速率v_i为：

其中，v_i+1表示本周期内容分发速率，v_i表示上一周期内容分发速率；参数A、B表示丢包率阈值，B≥A；S表示视频码率；L表示每个数据包中视频数据的长度；α为衰减因子，α∈(0,1]；β为慢增长因子，γ为快增长因子，γ,β∈(1,+∞)，其中γ>β。

所述的视频组播的发送速率自适应方法，所述参数A的计算方法如下:

参数B的方法如下：

其中，参数a表示一般丢包率参考值，b表示严重丢包率参考值。MTU为以太网协议中数据链路层中数据帧的最大传输单位，所述MTU大小为1500字节。在视频传输中，根据丢包率的大小对数据包传输的评价如下：0-1％的丢包率是好的，1％-2.5％的丢包率是可接受的，2.5％-5％的丢包率是差的。在实施例中a取值为1，b取值为5。

在其他传输条件不变的情况下传输的视频数据包越小，数据包在传输中关键帧丢失的概率越大，所以为了减少数据包在传输中关键帧丢失的概率，要求数据包尽可能大，使L≈MTU×8。如果在特殊的实施例中，数据包被要求划分得更小，那么a和b的取值要相应变小，这样A和B的值随之变小，系统的视频丢包率能被限制在较低水平，降低所述小数据包在传输中关键帧丢失的概率，保证视频可观看度。

需要说明的是，上述计算A和B的公式中的参数a和参数b选择仅为举例，而非对本申请的限制，任何对于所述组播视频，根据该视频数据包大小，计算A和B的实现方式(如上述参数a和参数b的不同选择)，均应包含在本申请的保护范围内。

图6为本发明在进行组播视频信息补偿和组播视频信息发送速率自适应调整时使用的RTP数据包的包头定义图。为了方便数据包的统计和检测，在RTP数据包头部后加上一个头部拓展，该头部拓展占8个字节，包括占2个字节的defined by profile字段、2个字节的length字段和4个字节的header extension字段。如图6所示，在拓展头部的headerextension字段填写全局标识ext_seq_num，全局标识ext_seq_num用于标记某一段视频数据在整个视频的相对时间位置。上述全局标识采用了序列号的形式，ext_seq_num取值范围为0-2³²。其他字段按照RTP协议规定填写。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无线域内视频组播的可靠性保障方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1：在组播服务器与每个视频组播用户终端之间分别建立一条独立的应用层视频补偿通道；

所述组播服务器包括内容分发服务器和补偿服务器；所述内容分发服务器以直播的方式将某一视频源推送出去，实现一次发送多移动终端同时接收的目的；所述补偿服务器与用户终端之间建立所述补偿通道，以单播方式向用户终端回传补偿数据；

所述补偿通道的建立方法为：

S1.1：内容分发服务器开启一个固定的TCP端口；

S1.2：用户终端向内容分发服务器的TCP端口发起TCP连接，在内容分发服务器上进行用户注册；

S1.3：完成用户注册后，内容分发服务器告知补偿服务器为上述用户终端分配补偿端口；

S1.4：内容分发服务器更新用户注册列表；

S1.5：补偿服务器根据内容分发服务器上的用户注册表制定分配补偿端口；

S1.6：内容分发服务器将补偿服务器的补偿端口告知用户终端；

S1.7：补偿服务器和用户终端之间建立一条基于TCP的应用层补偿通路；

S2:存在视频丢包情况的用户终端向组播服务器发起TCP补偿请求；

S3：组播服务器响应补偿请求并通过补偿通道以单播方式回传补偿数据；

S4：产生视频丢包情况的用户将接收到的补偿数据与原有视频数据进行拼接形成完整的视频进行正常播放。

2.根据权利要求1所述的无线域内视频组播的可靠性保障方法，其特征在于：所述补偿通道与组播内容分发通道是两条独立的通道；每个补偿信道均基于TCP传输协议进行数据传输；

数据包的格式为RTP数据包，在传统的RTP数据包头部后加上一个头部拓展，该头部拓展占8个字节，包括占2个字节的defined by profile字段、2个字节的length字段和4个字节的header extension字段；header extension字段填写全局标识ext_seq_num，全局标识ext_seq_num用于标记某一段视频数据在整个视频的相对时间位置；全局标识采用了序列号的形式，ext_seq_num取值范围为0-2³²；其他字段按照RTP协议规定填写。

3.根据权利要求2所述的无线域内视频组播的可靠性保障方法，其特征在于：所述用户终端向组播服务器发起TCP补偿请求和所述补偿数据以单播方式回传的具体方法是：

S2.1：用户终端接收到组播视频数据包后，将数据写入其缓存模块；

S2.2：用户终端根据其缓存模块中的组播视频数据包的RTP包头上的全局标识，检查接收数据包的完整性，如果发现数据包丢失，用户终端通过补偿通道以TCP单播的方式向补充服务器发起补偿请求，上述的补偿请求内容包括用户终端某个时间段内所有丢失的数据包的全局标识号；

S3.1：补偿服务器接收到用户终端的补偿请求后，根据补偿请求的信息，在其补偿缓存模块中检索用户终端需要补偿的视频数据包；

S3.2：补偿服务器的补偿内容分发模块将检索到的视频数据包封装成字节流，通过补偿通道以单播的方式将补偿数据发送给用户终端。

4.根据权利要求3所述的无线域内视频组播的可靠性保障方法，其特征在于：所述补偿数据和原有视频数据合并播放的方法为：

S4.1：用户终端接收到补偿数据后，将其切分成RTP封装形式的数据包，按照全局标识号从小到大的顺序，与用户终端缓存模块中本周期内先前接收到的视频数据包进行拼接，形成完整的视频文件；

S4.2：用户终端将拼接完成的视频文件写入文件系统供播放器正常播放。

5.根据权利要求1-4之一所述的无线域内视频组播的可靠性保障方法，其特征在于：它还包括匹配组播用户的接收能力自适应调整组播服务器内容发送速率，所述组播服务器内容发送速率v_i+1为：

其中，v_i+1表示本周期内容分发速率，v_i表示上一周期内容分发速率；参数A、B表示丢包率阈值，B≥A；S表示视频码率；L表示每个数据包中视频数据的长度；α为衰减因子，α∈(0,1]；β为慢增长因子，γ为快增长因子，γ,β∈(1,+∞)，其中γ>β。

6.根据权利要求5所述的无线域内视频组播的可靠性保障方法，其特征在于：所述参数A的计算方法为：

所述参数B的计算方法为：

其中，参数a表示一般丢包率参考值，b表示严重丢包率参考值；

MTU指以太网协议中数据链路层中数据帧的最大传输单位。

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