淺談5G通信系統中流媒體的技術原理

劉麗萍

國家廣播電視總局203臺 內蒙古 呼和浩特市 010000

引 言

隨著互聯網的迅猛發展，智能化的電子產品已經成為生活中不可或缺的重要物品，而支撐通信設備智能化的網絡通訊系統成為最重要的環節。高帶寬、低時延、廣連接的5G技術標準網絡傳輸體系大幅度提升了網絡速度，被廣泛用于工業、新農業、金融、能源等各領域的發展中，其主要的可移動性優勢在互聯網服務中充分發揮，例如，5G全息成像、多媒體內容生產、直播業態、視頻點播、遠程教育等。5G技術在媒體行業應用中的新嘗試、新亮點也為生活提供了更多便利，同時不斷推動智能化的縱深發展。

隨著科技的發展，移動終端的電子設備快速更新，基于對不同信息的服務需求，其對數據的訪問需求量越來越高。在移動的終端設備中，特別是附帶多媒體業務時，呈現優質的視頻畫面和流暢的畫面傳輸等逐漸成為用戶的最基本要求。然而4G網絡因速度過慢、丟包漏包、流暢度欠佳等問題，逐漸不能滿足用戶的需求，現有網絡基礎架構不足以支撐新興業務模式。在此背景下，5G的通信網絡應運而生。與傳統網絡相比，5G網絡在速度上的大幅提升，將引起通信領域新一輪的變革。5G高速穩定低延時的特性滿足了未來大規模的產業進行信息傳遞、高速流量訪問需求，在百萬平方公里土地上實現10GB數量級的傳播速度。直播現場的4K高清圖像、隨處可見的高清大屏、視頻會議等，利用5G網絡飛速發展的視頻流媒體成為最具代表性的業務，伴隨著5G網絡的建設，網絡傳輸、內容分發架構、流媒體技術、視頻形態等在不斷演進，極大的提高了用戶高品質觀看體驗。

在媒體業務類型大幅增多的背景下，流媒體技術快速發展，尤其在網絡信息傳播中，以不可復制的優勢成為新一代信息通信技術演進升級的重要方向。傳統的流媒體技術主要是以分流的方式實現邊觀看邊下載的效果，其技術原理主要為RTP/RTCP協議。在實際的應用中由于數據量較大的原因，TCP協議在傳輸過程中無法滿足用戶的要求，而RTP數據傳輸協議為了提高實時性，基于UDP發送數據，UDP又因不可靠性而丟包嚴重。

在互聯網中，網絡的運用即大量的流量傳輸是依靠各種算法來維持穩定的傳送。TCP的算法協議在流量傳輸中使用最多，其兼容性優勢在流媒體中成為測評性能的標準，也是對算法影響的主要因素。在以往的協議算法中，用流量傳輸中的丟包量來計算網絡的擁堵情況，其中丟包中的一些錯誤的包，并不會對網絡擁堵造成影響，而我們就利用這個錯誤包的產生情況，來改進RTP/RTCP協議，從而達到更準確的流量傳輸數據要求。

在多媒體數據的傳輸過程中，RTP/RTCP規則的傳輸由RTP將數據傳輸到目的端，RTCP對數據傳輸的指令以及數據包的接收情況進行反饋。當接收到目的端的反饋時，非對稱的反饋數據會產生延遲，原因是在數據傳輸中發送的數據產生了延遲，導致RTP在發送數據時發生相應的延時效果，在本文中將對非對稱鏈路中的數據傳輸提出一些改進方法。

5G傳輸網絡帶來的流媒體技術的飛躍式發展主要體現在無線網絡環境下，在非對稱鏈路中的流量控制傳輸。在本次的研究過程中，以RTP/RTCP為標準進行流量傳輸控制，重點對流媒體數據傳輸的效率調節進行研究，同時對非對稱鏈路中流量傳輸的特征做出適當的調整。

1 實時流媒體傳輸協議

1.1 流媒體傳輸協議

所謂流媒體，是指采用流式傳輸的方式在互聯網播放的媒體格式。流媒體又稱流式媒體，是將普通多媒體，如音頻、視頻等，經過特殊編碼，使其成為在網絡中可以采用流式傳輸的連續時基媒體，將數據進行流水式分段傳輸到目標端口。通過流媒體技術實現邊播放邊下載，縮短了啟動時延，降低了系統的緩存容量，減少了視頻播放的等待時間，從而改善人們的視頻享受體驗。在流媒體的技術中有SIP、SDP、 RTSP、 RTP、 RTCP、RSVP等協議，具體的協議使用如圖1所示。

圖1 協議框圖

1.1.1 應用層

SIP由用戶代理、代理服務器、注冊服務器、重定向服務器等共同組成。主要將流媒體技術運用到單通話以及多通話的層面上。具體包括創建通話、修改通話以及終止通話等。例如騰訊會議的加入邀請。

SDP在應用層輔助RTSP和SIP工作，在正常的視頻會議中提供名稱、視頻的類型以及視頻的格式等。

RTSP是應用層的實時控制，在視頻播放的過程中，按用戶的需求進行播放、暫停等一系列工作。視頻控制命令是通過數據傳輸的RTP/RTCP協議進行雙方數據控制，即目的端口和源端口都可以控制視頻的進程。

1.1.2 傳輸層

在傳輸協議層，RTP主要負責數據的傳輸。在不間斷的數據傳輸過程中，接收端并不是按照順序進行數據接收，在完成接收之后，需要按照之前數據的排序情況來進行數據的重組。在數據實時傳輸中，RTCP不斷檢測數據的質量并實時糾錯，以避免大量數據出現堵塞，確保數據的分部傳輸。

1.1.3 網絡層

RSVP提供數據傳輸中的質量保證，在數據傳輸中預留一些需要的傳輸路徑，對實時的流量進行快速傳遞。在信息傳遞途中，建立了固定的流量傳輸狀態。RSVP的傳輸原理是將數據進行單方向的傳播，在數據的預留中僅能實現發送端預留發送端口、接收端預留接收端口的信息，也就是說預留的信息只能由單方向流量預留，在預留的數據中可以是單個發送也可以是多個發送。

1.2 RTP協議詳細介紹

RTP多用于各種在線的會議，包括音頻和視頻會議。在每個會議建立后都會有對應的端口、序列號。端口號有RTP、RTCP的協議報文。在傳輸中，RTP利用UDP協議完成數據的傳輸，傳輸數據依靠報文的端口號重新排序。在傳輸過程中，需要RTCP來保證數據的傳輸質量。

在多人會議中，為了實現多個客戶端同時接入且數據傳輸穩定性不受影響，引入了混合器。混合器對RTP協議中各種客戶端的數據進行匯總。在多個數據匯總之后，進行數據完成整合，同時產生新的RTP協議報文。在新的報文中，會改變之前多種格式的新媒體數據，使得多種格式的接收源能夠穩定接收數據。

每個報文格式中有固定的開頭，由12字節組成，在RTP協議中，CSRC的標識也在報文的頭部，需要混合器的協助完成，RTP報文格式如圖2所示。

圖2 RTP協議報文格式

1.3 RTCP協議

在上述敘述中，RTCP負責管理傳輸質量，在當前應用進程之間交換控制信息，主要是在每個不同的報文中將各種類型的信息發送到接收端（會議的參與者），其中包括傳輸中的數據包的丟包數量以及接收數量。在RTCP的報文中，有固定的開頭信息以及后面不同的32字節數據結構。報文可以分為下面五種類型，其具體格式如下。

（1）統計發送端的數據信息，大概有三個部分，后面的數據根據不同的類型長短不一，如圖3所示。

圖3 SR報文格式

（2）統計接收端的數據信息，報文格式幾乎與接收端的統計信息相同，主要的不同點是報文的常量201，當沒有數據傳輸時，信息同樣要放到RTCP的開頭端。

（3）SDES報文報告本端的描述性信息，包括頭部和0到多個報告塊，每個塊中包含描述源標識符的表項，如圖4所示。

圖4 SDES報文格式

（4）BYE：在會議結束時推出的各種標志提示，其報文格式如圖5所示。

圖5 BYE報文格式

（5）在新的應用軟件開發時，需要特定的開發測試策略，App報文格式是專門用于測試的，因此其不需要注冊，不能識別的App報文也可以丟棄，報文格式如圖6所示。

圖6 App報文格式

1.4 流媒體傳輸的擁塞控制策略

在數據流量傳輸過程中，RTP經行傳輸，RTCP保證其傳輸數據的質量。而不可避免的網絡擁塞可能會造成數據丟失、錯誤、延時等各種問題。

1.4.1 網絡擁塞問題

在信息交互過程中，當分組較多時，組網絡同時到達路由器，對于有著固定存儲空間的輸出端口，同時被幾個輸入數據流共同使用，當流量需求超過了路由可用資源，路由存儲達到一定程度，無法再滿足流量的順利傳輸，傳輸性能下降，這也就是出現數據包延時、丟包等現象的原因。主要分為以下幾種情況：

第一，路由的內存限制，當數據量超過路由RAM的限制范圍時，數據無法正常傳輸，具體的表現為數據延時、丟包等。

第二，在數據處理時，不同的性能配置對數據處理的速度不一樣。在數據資源需求量大的時候，數據無法快速處理，路由器會產生數據延時。

第三，在數據鏈路中，當低速鏈路輸入高速數據流時，也會造成數據堵塞，數據信息會產生延時。

1.4.2 流媒體傳輸的擁塞控制

當流媒體數據出現擁塞時，視頻播放或者視頻對話中的數據包不能及時傳輸，造成視頻或通話卡頓、過度延時，甚至數據中斷，嚴重影響視頻質量。為了合理的控制網絡擁塞，要根據實際的延時情況對網絡協議進行一些優化調整。流媒體的數據傳輸方式有排序的流式傳輸和實時流式傳輸，通過用戶的操作選擇后，按照視頻的進度調整數據的傳輸方式。

在多媒體的數據傳輸中，其流量大、實時性、連續性、延時低、低誤差的特點，勢必需要一種有效的擁塞控制來調整時間上的傳輸速率。在實際的網絡應用中，網絡的速度分地點和時間的變化，通過自適應的方式來調整網絡資源的利用率。

2 非對稱鏈路傳輸性能研究

在信息化時代，用戶端的流量需求遠遠大于互聯網的寬帶流量，非對稱的鏈路傳輸能夠及時反饋流媒體網絡協議中的不適應情況，其中TCP協議為主流的使用協議，也是具有反饋功能的網絡協議之一。

2.1 非對稱鏈路

在采用數據傳輸的諸多領域中，非對稱鏈路使用廣泛。例如，光纖網絡、衛星鏈路、數字電視信號以及網絡寬帶中，均利用非對稱鏈路達到有效的信息傳輸。在實際應用中，往往因為某些鏈路的不通，導致數據在正向傳播或者反向傳播時產生時延。

2.2 非對稱鏈路中提高TCP性能的策略

在反向鏈路的傳輸中，接收端的AK數據不能及時發送，導致在接下來的數據傳輸中效率變得較低，同時對后續數據產生影響，從而發生堵塞甚至丟包。為了解決在TCP協議傳輸中數據延時的問題，需要從最初的原始問題入手，主要是從主機端和路由器端來提高TCP的性能。

2.2.1 基于主機端修改提高TCP性能

從主機端方面考慮，主要從以下幾個方面修改TCP性能，ACK、大數據段、擁堵控制、發送速率的適應。

ACK調節：原理為降低ACK發送速率和頻率，減少其在鏈路上的占用，確保在接收方或者確認方能減少收入ACK的數據包。

使用大數據段：大數據包段，是在數據總容量不變的情況下，將數據進行大容量的打包，減少形成的數據包數量，達到降低發放次數的目的。

擁塞控制：發送方收到ACK擁堵的標識，并進行識別，同時判斷出在上行鏈路中有數據擁堵現象發生，進行自適應調整，減少ACK的數據。若上行鏈路沒有發生擁堵現象，則不會發送擁堵標識。

調節發送速率：通過修改發送方主機端的發送速率，提前設定發送數量的上限，在數據包的發送過程中，根據實際情況，將大的數據包按照預設的速率，分為相應的數據包個數，有序的進行傳輸。

2.2.2 基于路由器修改提高TCP性能

基于路由器修改來改進TCP的傳輸方案，主要是依靠多鏈路層和網絡層，改善傳輸路徑上的復雜性，具體如下：

第一，通過壓縮TCP的頭部內容的方式，降低ACK大小，以達到減少電路上的傳送數據包的效果。

第二，在下行鏈路中增加路由器、上行鏈路中刪除多余ACK數據包、挑選有用的ACK數據包，這種方法已經普遍存在于實際中的網絡使用。

第三，通過調節上行鏈路傳輸中的數據包，將ACK和傳輸數據的數量分組發送。主要原理為：合理調節每個數據包的發送順序，即循環調度或優先發送。這樣保證了上行鏈路的容量，同時也保證了下行鏈路的發送量和接收量。

3 展 望

在網絡信息化越來越發達的時代潮流中，5G網絡的出現為傳輸體系的發展注入了強心劑，依靠5G強有力的支持，流媒體技術的發展帶來了前所未有的突破。在本文中，通過分析5G網絡在多媒體傳輸協議中的優勢，重點探討了RTP和RTCP協議在無線環境和非對稱鏈路中傳輸性能的改善，并提出了如何提高在非對稱鏈路中傳輸的性能。

如圖7所示，未來隨著5G網絡在實際應用中的普及，萬物互聯、人機共生，5G分發體系下，各種場景各種設備都可能有內容的需求。流媒體技術在5G網絡的加持下，將會被應用到更廣闊的空間中，為用戶帶來最佳體驗的服務。傳播速度將是千兆般的接入，再也不用為內容延時煩惱。車聯網、物聯網，龐大的網絡體系提高各個場景中應用的服務，達到信息隨心至，萬物觸手及，實現人們的總體愿景。

圖7 5G總體愿景