基于云通信的媒體自適應技術

郭水平，李慶

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

基于云通信的媒體自適應技術

郭水平，李慶

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

云通信系統在移動互聯網中應用，受到無線網絡環境的影響，容易出現網絡帶寬低、時延、丟包和網絡抖動等問題，導致音視頻通話經常出現卡頓、馬賽克，甚至中斷等情況，使云通信系統可用性下降，因此研究媒體自適應性技術，一方面使音視頻流媒體自適應網絡帶寬，另一方面采用智能抗丟包技術最大限度恢復媒體數據包。經過試驗驗證，該技術在不穩定傳輸環境下，音視頻通信的可用性顯著提高，并且在網絡丟包為20%或網絡抖動為1000 ms時，音視頻通話也能清晰流暢。

云通信 媒體自適應 抗丟包 抗抖動

1 引言

近年來，隨著移動互聯網時代的來臨以及云計算技術的興起，統一通信開始與云計算融合，形成了云通信技術。云通信是一個PaaS（Platform as a Service，平臺即服務）通信平臺，通過將復雜的通信功能封裝成SDK和API接口，為企業及移動互聯網用戶提供即時通信、音頻、視頻、會議、呼叫中心、短信、流量等通信能力及服務。

云通信面向的用戶群體很大一部分是移動用戶，通過3G/4G無線網絡與系統互聯，無線網絡傳輸容易受到干擾導致傳輸質量下降，使得音視頻通話質量下降。因此，為提高音視頻通話在云通信環境的抗干擾性能，需要研究云通信媒體自適應技術。首先，梳理云通信環境中存在的主要問題；其次，針對這些問題，優化音視頻媒體編碼、解碼和傳輸策略，重點研究自適應網絡帶寬和智能抗丟包技術；最后，實現原型系統，搭建驗證環境，并通過實驗結果進行驗證。

2 影響通話質量的主要因素

音視頻通信是云通信的基本業務，影響音視頻通話質量涉及通信網絡的主要因素包括：

（1）帶寬

相對于有線傳輸網絡，3G/4G無線網絡帶寬有限，而音視頻通話需要傳輸流媒體數據，帶寬的大小直接影響流媒體傳輸質量，從而影響音視頻通話質量。

（2）延時

數據包在網絡中傳輸需要經過眾多的網絡設備處理，必然產生延時。然而，音視頻通話實時性要求很高，當延時超過一定程度，用戶會立即感到有滯后，甚至明顯感覺到停頓，影響主觀體驗。

（3）抖動

網絡抖動是指網絡時延忽大忽小的程度，也就是說流媒體到達用戶終端時忽快忽慢。對于無線網絡，由于受到基站故障、弱覆蓋、無線干擾、重疊覆蓋等因素影響，抖動不可避免。當抖動較大時，流媒體無法按時到達用戶終端解碼器，解碼器要么進行長時間緩存，要么丟棄后面的媒體數據。緩存引起延時增大，丟棄則引起主觀丟包，都會影響影視頻通話質量。

（4）丟包

網絡丟包在IP網絡中很常見，丟包率是丟失報文和實際發送報文的百分比。網絡丟包直接導致音視頻流媒體數據丟失，使視頻圖像卡頓、馬賽克，音頻斷續、失真等，嚴重時導致音視頻通話中斷。

以上是影響音視頻通話質量的主要網絡因素，尤其是在無線網絡環境更為明顯。

3 媒體自適應技術

云通信本質是VoIP通信，IP網絡采用盡力而為的方式，是為傳輸數據業務而設計的，并沒有為傳輸高實時性的音視頻流媒體提供更多的服務質量保障策略。因此，必須要解決視音頻數據實時傳輸過程中的延時、抖動和丟包等問題。VoIP音視頻通話是采用RTP（A Transport Protocol for Real-Time Application，實時傳輸協議）來傳輸流媒體數據的，流媒體數據包括音頻數據流和視頻數據流，音視頻數據流采用標準的媒體編解碼算法獲得。因此，媒體自適應性技術針對云通信網絡的主要問題，從流媒體數據大小控制和編解碼自恢復等方面入手，包括自適應網絡帶寬技術和智能抗丟包技術。

3.1 自適應網絡帶寬技術

自適應網絡帶寬技術是指視頻分辨率、幀率和編碼速率（簡稱“碼率”，即視頻編碼采樣速率）自適應當前網絡帶寬。當視頻通話占用帶寬高于當前網絡帶寬時，會引起數據堆積，使得網絡擁塞，加劇網絡丟包和網絡抖動，導致視頻通話卡頓或馬賽克越來越嚴重。自適應網絡帶寬技術通過動態控制視頻通話的流媒體數據量大小來避免網絡擁塞，減緩丟包等情況，使得視頻通話保持流暢。當通話帶寬高于網絡帶寬一定的閥值時，適當降低碼率、幀率和分辨率，使得通話帶寬降低到網絡帶寬之下；當通話帶寬低于網絡帶寬一定的閥值時，提高分辨率、幀率和碼率，使得通話帶寬接近網絡帶寬，直到視頻通話回到初始的分辨率、幀率和碼率。自適應帶寬原理如圖1所示：

圖 1 自適應帶寬原理

自適應網絡帶寬技術主要包括兩個方面，一是網絡狀態信息獲取，二是根據網絡狀態信息調整發送端的視頻編碼參數，包括碼率、幀率和分辨率。網絡狀態信息獲取主要是丟包率和網絡抖動信息獲取，丟包率可以從接收到的流媒體數據包中的RTCP（Real-time Control Protocol，實時傳輸控制協議）數據報文，根據預期間隔收包數和實際間隔收包數計算獲得。網絡抖動也可以從RTCP報文中計算獲得。視頻編碼參數調整是根據獲取的網絡狀態信息調整發送端的視頻編碼參數，包括碼率、幀率和分辨率，緩解網絡擁塞或盡可能大地利用網絡資源以適應當前網絡的傳輸帶寬。在實現上，根據網絡丟包率和抖動設置一定的閥值，當閥值在某個區間變化時動態地依次調整幀率、碼率和分辨率，直到丟包和抖動緩解。實現原理的結構框圖如圖2所示：

圖2 自適應碼率控制原理圖

視頻編碼參數的頻繁動態調整會導致視頻圖像質量時高時低，帶來不好的用戶體驗。在實際應用中，丟包率和抖動越界閥值和視頻編碼參數調整的幅度需要根據大量的實驗結果進行設置。

3.2 智能抗丟包技術

業績通常采用ARQ（Automatic Repeat Request，丟包重傳）、FEC（Forward Error Correction，前向糾錯）、PLC（Packet Loss Concealment，丟包隱藏算法）技術來提高音視頻網絡傳輸抗丟包性能。這種抗丟包技術存在以下缺點：

（1）抗丟包性能有限

一般丟包率小于5%時，視頻通話效果可以得到很好的恢復；超過5%，效果不理想。

（2）增加冗余數據

前向糾錯FEC技術要求在編碼時增加冗余編碼數據，解碼時根據冗余數據恢復丟失的碼流，這樣必然會增大視頻通話帶寬，視頻通話質量也會在一定程度上下降。

（3）增加額外時延

丟包重傳ARQ技術雖然提高了視頻碼流的發送成功率，但同時也降低了視頻碼流發送的實時性，增加了時延，加劇時延抖動。而且，當大范圍丟包時，丟包重傳技術對視頻通話效果沒有幫助。

基于以上缺點，本文提出智能抗丟包技術，對傳統抗丟包技術進行改進，主要包括智能傳輸校驗糾錯和智能跨段校驗糾錯：

（1）智能傳輸校驗糾錯

智能傳輸校驗糾錯技術是在音視頻數據包網絡傳輸時，針對某一時間片段的數據包，通過校驗算法生成傳輸校驗數據包，與校驗包一并傳輸到接收端，網絡丟包時，根據校驗包和校驗算法恢復丟失的數據包。這種糾錯技術，在時間片段內丟失一兩個包時能全部恢復，大于兩個丟包時也能恢復到90%左右。而且，根據不同的丟包率可以智能適配不同的校驗算法，最大限度地恢復丟包數據。

與前向糾錯FEC技術相比，該技術不需要額外生產冗余編碼幀，數據量大大減小，不會占用過多的網絡帶寬。

（2）智能跨段校驗糾錯

智能跨段校驗糾錯技術主要是在智能傳輸校驗糾錯技術的基礎上，實現恢復跨時間片段丟失的多個數據包。以單位時間片段的數據作為基礎數據，對連續多個時間片段基礎數據生成跨段校驗數據包。當某一時間片段數據完全丟失時，可以利用前后片段數據和校驗包及相應算法進行部分恢復。

綜上所述，智能抗丟包技術利用傳輸校驗來最大限度地恢復丟失的數據，帶寬額外開銷小，抗丟包范圍更大。音視頻通話的抗丟包性一般可以從傳統的5%提高到20%。

4 試驗驗證

試驗驗證的重點是驗證視頻通話采用媒體自適應技術前后對比情況。搭建試驗驗證環境時，需要模擬云通信系統的軟交換設備1臺、手持終端2臺、無線網絡模擬器1臺、Wi-Fi路由器1臺，如圖3所示。通過無線網絡模擬器模擬不同帶寬、丟包和抖動情況。

圖3 驗證環境示意圖

首先，驗證不同網絡帶寬情況，設置視頻編解碼H.264，初始視頻分辨率為720P，初始幀率為30幀，初始帶寬限制為2 Mbit/s。測試結果如表1所示。

經過驗證，在一定的網絡惡化條件下，自適應網絡帶寬可以解決視頻卡頓和馬賽克的情況，網絡惡劣時，視頻的清晰度會有一定的下降，但依然流暢。

其次，驗證抗網絡丟包視頻通話情況，設置視頻編解碼H.264，初始視頻分辨率為720P，初始幀率為20幀，帶寬限制為2 Mbit/s，在不同丟包率條件下的測試結果如表2所示。

經過驗證，采用抗丟包技術，丟包20%時，視頻通話依然流暢。

最后，驗證抗網絡抖動視頻通話情況，設置視頻編解碼H.264，初始視頻分辨率為720P，初始幀率為20幀，帶寬限制為2 Mbit/s，在不同網絡抖動條件下的測試結果如表3所示。

表1 自適應網絡帶寬測試結果

表2 抗網絡丟包測試結果

表3 抗網絡抖動測試結果

經過驗證，采用抗丟包技術，網絡抖動1 000 ms時，視頻通話依然流暢。

5 結束語

本文分析了云通信系統網絡環境特點及影響音視頻通信可用性的主要問題，針對這些問題，提出了媒體自適應性解決方案，包括自適應網絡帶寬技術和智能抗丟包技術，并進行了試驗驗證，驗證結果顯示，采用媒體自適應性技術極大地提高了云通信音視頻通話可用性。

隨著移動互聯網和云通信技術的發展，VoIP音視頻通信技術的高可用性問題越來越受到重視，是現階段及未來云通信技術研究的主要課題。毫無疑問，媒體自適應技術是提高云通信主要途徑之一。

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Media Adaptation Technology Based on Cloud Communications

GUO Shuiping, LI Qing
(China Electronics Technology Group Corporation NO.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

Affected by the wireless network environment, the applications of cloud communication systems in the mobile Internet are prone to the low network bandwidth, delay, packet loss and jitter. The resulting slowness, mosaic and interruption of voice and video calls lead to the degradation of cloud communication systems. Therefore, the media adaptation technology was investigated to make voice and video fl ow media adapt to the network bandwidth and recover media packets using the smart anti packet loss technique to the maximum extent. Experiments veri fi ed that the technique guarantees the high availability of voice and video communications in the environment of the unstable transmission, and the voice and video calls are clear and fl uent in the case of 20% of packet loss ratio or 1000 ms of jitter.

cloud communications media adaptation anti packet loss anti-jitter

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.21.008

TP915.6

A

1006-1010(2017)21-0037-05

郭水平,李慶. 基于云通信的媒體自適應技術[J]. 移動通信, 2017,41(21): 37-41.

2017-05-11

黃耿東 huanggengdong@mbcom.cn

郭水平：碩士畢業于華南理工大學，現任職于中國電子科技集團公司第七研究所，主要研究方向為融合通信系統、云通信系統。

李慶：碩士畢業于中山大學，現任職于中國電子科技集團公司第七研究所，主要研究方向為網絡通信系統。