淺析5G泛在低空應用下的視頻流媒體協議

劉牧洲 關 蕾 周 晶 仇劍書 于 希

中國聯通研究院 北京 100176

引言

低空空域是指真實高度一千米及以下的可飛行區域[1]。低空空域的使用和管理如同我國中高空空域一般，需要遵循嚴格的審批與報備流程[2]。低空經濟是以低空空域為依托，以通航產業為主導，涉及低空飛行、航空旅游、支線客運、通航服務、科研教育、跳傘、空中體育運動等眾多行業的經濟概念[3]。

低空經濟正式出現于今年年初由中共中央、國務院印發的《國家綜合立體交通網規劃綱要》中。該綱要指出“發展交通運輸平臺經濟、樞紐經濟、通道經濟、低空經濟”，其中低空經濟首次上升到國家規劃層面，堪稱意義重大。

無人機是低空應用中極具代表性的載體之一，其已在諸如農業植保、物流運輸、應急安防、能源巡檢、水域巡查、娛樂直播等行業場景中作為革新替代方案頻頻出現，并已逐步催生出“無人機+行業應用”的全新產業發展模式，有望為泛在低空市場經濟注入新活力。然而，在無人機結合典型行業應用的整體良好發展背景下，以測控、監管、數據閉塞等為首的舊有痛點問題也持續為其商用發展帶來不可忽視的負面影響，因此亟需通過技術創新予以解決。

第五代蜂窩通信技術(5G)具備了大帶寬、低延時、抗干擾、廣接入、多波束指向等鮮明特點，可天然賦予網聯化無人機包括高清實時數圖傳輸、遠程低時延控制、全生命周期監管、精準位置定位在內的四大實際應用級能力。

可以預見，5G網絡技術與無人機創新業務的融合，將有利于兩者互惠互哺式的共同發展。5G網絡技術憑借自身特性，可將無人機核心的測控及數據傳輸服務帶至全新高度上，并有助于無人機創新業務向垂直行業和特定場景進行滲透。相應地，無人機創新業務必將成為5G網絡技術應用的重要分支，為5G網絡未來發展注入新動能。

無人機應用數據可大致分為視頻和測控兩類。其中，視頻數據作為無人機行業應用的最主要價值之一，其能否可靠有效傳輸一直備受關注。在傳統無人機作業時，所采集的視頻數據通常是借助微波通信鏈路或存儲至SD卡中待任務完成后導出的方式。在5G網絡廣覆蓋的大環境下，無人機在視頻業務傳輸上的需求與日俱增。其中，實時視頻傳輸對于要求低至毫秒級的遠程控制技術將起到有利的輔助作用，因此對視頻傳輸的實時性也愈發嚴苛。由于5G網絡大帶寬特性，無人機對于實時視頻的清晰度要求已經達到了1080p以上。在5G通信鏈路串聯的網聯無人機體系中，傳統無人機存在的時效性差、傳輸質量低等固有問題已得到了明顯的改善。本文所論述的相關流媒體協議正是決定了在“互聯網公路”上以何種方式運輸的根本策略，流媒體技術水平的高低決定著整個過程中用戶體驗的好壞，其將最終確保視頻數據的流轉可以實現應用需求下的最理想效果[4]。

1 流媒體協議介紹與優劣淺析

流媒體是指在Internet/Intranet中使用流式傳輸技術的連續時基媒體，如：音頻、視頻或多媒體文件。流式媒體在播放前并不下載整個文件，只將開始部分內容存入內存，流式媒體的數據流隨時傳送隨時播放，只是在開始時有一些延遲。流媒體實現的關鍵技術就是流式傳輸。流媒體具有明顯的優點：由于不需要將全部數據下載，因此等待時間可以大大縮短；由于流文件往往小于原始文件的數據量，并且用戶也不需要將全部流文件下載到硬盤，從而節省了大量的磁盤空間；由于采用了實時傳輸協議，更加適合動畫、視音頻在網上的實時傳輸。

1.1 RTMP協議

RTMP(Real Time Messaging Protocol)是一種版權歸屬于Adobe公司、建立在TCP傳輸層協議之上、默認使用非公共端口1935的TCP/IP體系內的應用層協議[5]。通常，在終端與服務器側建立TCP鏈接完成后，RTMP協議會要求這兩端建立“握手式”的RTMP Connection鏈接，并在傳輸中將協議規定的基本數據單元消息拆分成若干可動態變更大小的消息塊，這些分割后的消息塊最終借助TCP鏈接通道進行傳輸，并在末端被按序拼接成流媒體數據，通過Flash插件進行播放。

RTMP在傳輸時延表現上要好于基于HTTP的流媒體協議，且其穩定性較為可靠，并有廣泛的實施基礎，國內多數平臺和編解碼設備均支持RTMP流格式。

然而，隨著Adobe公司停止更新Flash，以及越來越多的游覽器不再支持或棄用Flash，導致RTMP的泛用性開始逐步降低。基于TCP底層傳輸協議也會存在連接態較差時的緩存累積所造成的時延增加問題。此外，其所采用的非公用1935端口亦有難以通過防火墻的缺陷。在正式版本中，RTMP協議不能支持HEVC(H.265)/AV1等新一代視頻編碼標準。

如表1所示，RTMP協議也存在多個變種方案。

表1 RTMP協議的多個變種協議

1.2 RTSP協議

RTSP(Real Time Streaming Protocol)是一種全公開可建立在TCP或UDP(RTP)傳輸層協議之上的TCP/IP體系內的應用層協議。RTSP協議的工作原理是限定已構建的TCP握手鏈接或RTP(在TCP/IP體系內高于UDP傳輸層協議，但默認配合RTCP控制協議采用UDP傳輸)通道，交織傳送其保障信息與流媒體數據到服務器側。但因RTSP協議規定保障信息要與數據分至不同信道進行傳輸，其對實施的環境要求尤為苛刻。

1.3 HLS協議

HLS(HTTP Live Streaming)是由美國蘋果公司提出的一種基于HTTP的流媒體協議[6]。HLS協議的工作原理是將完整的流媒體數據分割成一些固定大小的片流以及可以索引下載這些片流的以m3u8為后綴的播放列表。在播放時，終端會率先下載m3u8后綴的播放列表信息，然后根據其中描述按序下載片流并播放。在直播時，由于m3u8播放列表信息會實時更新，因此終端需要重復獲取該列表并按照最新內容找到對應片流進行下載并播放。因此，在直播情況下，HLS協議所產生的時延要遠超其他非HTTP鏈接方式的流媒體協議。

基于此，美國蘋果公司在HLS協議基礎上提出了低時延版本的LHLS協議(Low-latency HLS)。該協議的最主要變化在于m3u8播放列表的更新部分會以單獨增量信息形式被下載，免除了HLS協議對m3u8播放列表的重復下載情況。另外，LHLS協議采取片流實時封裝形式，減少了HLS協議下片流完整封裝后才可按序下載所產生的時延，使得直播延時進一步被降低。

1.4 SRT協議

SRT(Secure Reliable Transport)是由跨國網絡視頻技術巨頭Haivision公司開發的一種新式開源流媒體協議，是一種新興的流媒體協議[7]。SRT協議的原理是基于UDP傳輸層協議，并加入ARQ、FEC等數據糾錯恢復機制，充分實現了穩定和快速的傳輸效果，并可進一步兼容對稱加密(AES-128/256)來實現數據安全。其中，SRT協議的ARQ機制為選擇性重傳方式，當網絡帶寬出現抖動，丟包率上升時，該機制才會被觸發，相較于TCP丟包恢復機制極大節省了帶寬資源。

此外，SRT協議規定每10毫秒就會向數據發送方報送RTT(數據往返時延)、新增數據、數據包接收率及可用緩沖區大小等信息，來幫助判斷連續兩個數據包的間隔是否突破時延設定限制，若超過該限定值，則從傳遞列表中將其舍棄。

在擁有諸多優點的同時，SRT協議由于其雙向點對點傳輸的特性，只適合于兩端間的高質量低時延數據交互，而不適用于針對大數量級終端做流媒體數據分發。

1.5 RIST協議

RIST(Reliable Internet Stream Transport)是一種面向公網數據丟包問題而被提出的通用性流媒體協議。該協議可支持雙向傳輸，但依舊延續了RTP傳輸協議的大部分特征，采用RTCP協議作為可靠傳輸的保障機制。因此，RIST協議的初始版本需要建立兩路信息通道，一條用以傳輸RTCP控制信息，另一條則傳輸媒體流數據。同時，由于RIST協議沿用RTP協議的傳輸方式，使用IP地址和端口作為會話，導致服務端要通過不斷增加端口數量才能匹配更多的客戶端，且RIST并未定義視頻流標識。

隨后，RIST協議進行了大改，在初期版本基礎上增加多路數據復用傳輸信道、DTLS加密、數據空包刪除、可支持高比特率高延遲場景等功能，增加了該協議的可用性，但卻不能兼容初始版本。

1.6 QUIC協議

QUIC(Quick UDP Internet Connection)是基于UDP傳輸層協議的流媒體協議，有別于TCP鏈接的三次握手，其通過建立單個RTT的低時延鏈接，且在此之后的連接可復用實現無RTT的數據可靠傳輸。在擁塞控制機制上，QUIC協議在TCP協議基礎上進行改進，可做到擁塞控制的靈活調整，并適用嚴格遞增的數據包序號代替字節序號和ACK確認機制，改善重傳歧義問題[8]。QUIC協議不似TCP協議那樣，在終端IP地址和端口變更的時候，可以完成連接遷移，而無需新建鏈接。此外，QUIC協議采用FEC機制來實現數據糾錯恢復，加強了數據傳輸的可靠性，但亦會對帶寬資源造成負擔。

1.7 WEBRTC協議

WEBRTC(Web Real Time Communications)是一種由美國谷歌公司研發的公開流媒體協議。該協議可分別采用TCP或UDP協議進行媒體流數據傳輸。但無論是哪種方式下的數據傳輸，WEBRTC協議都需要在發送端與接收端建立鏈接，并借助第三方信令服務器來進行數據交互。WEBRTC協議支持AV1/HEVC(H.265)等新一代視頻編碼標準[9]。

另需說明的是，WEBRTC協議的最大缺點在于其不支持多路并發媒體流數據至對端。

1.8 小結

依前所述，參照TCP/IP體系，可在傳輸層將所有流媒體協議分成基于TCP協議和基于UDP協議的兩大類別，并結合其在應用層控制策略的異同及獨有功能特點詳細區分。如表2所示，以下為相關流媒體協議的分類及特征簡述。

表2 主要流媒體協議分類及特征

2 泛在低空網絡環境及流媒體協議適用方案

在網聯無人機的系統架構中，網聯無人機的終端模組和地面控制需均通過5G網進行數據傳輸和控制指令傳輸，并通過云平臺服務器加載各類應用場景。如圖1所示，5G網絡需提供從無線網到核心網的整體網絡解決方案，以適配各種復雜應用場景的網絡實現。

圖1 網聯無人機系統架構

服務趨于多元化的泛在低空應用場景的5G蜂窩網絡可分為以下四種組建方案：1)公共網絡；2)專用網絡；3)地空同頻混合網絡；4)地空異頻混合網絡。但是，泛在低空環境下的5G網絡，通常會出現帶寬抖動，站點間信號頻繁切換等問題。因此除了區分不同的網絡環境，還需要對上述問題進行綜合考慮，提出與之相適應的流媒體方案。

在依托地面5G蜂窩網絡為泛低空應用提供接入和數據傳輸服務的公共網絡方案中，首要遵循以服務地面用戶及應用為主的原則，這就決定了所有地面基站設施的天線朝向優先針對地面做信號覆蓋。此方案能夠解決絕大多數的無人機行業應用訴求，實現其在低空300米以下的蜂窩接入，從而進行各類數據低時延可靠回傳。但在這種方案下，要著重考量無人機行業應用所占5G蜂窩帶寬資源的多少。綜前所述，宜采用以下優先級排序：SRT＞QUIC＞RIST＞WEBRTC＞其他。

在專用網絡方案中，因無需考慮5G蜂窩帶寬資源分配問題，所以采用基于UDP或TCP傳輸的流媒體協議各有利弊，難以給出確切的優先級排序。

地空同頻混合組網是指針對地面的蜂窩覆蓋與低空的蜂窩覆蓋采用相同頻段資源。在這樣的方案中，要首要解決地空間的信號互干擾問題，因此所選用的流媒體協議應以對帶寬資源影響較少為主，支持低時延穩定傳輸為次。宜采用的優先級排序與公共網絡方案中的結果類似。

地空異頻混合網絡，即地面使用現有公共蜂窩網絡信號進行覆蓋，而空中則使用頻率相異的專用蜂窩網絡信號建立通信區域。終端在這樣的環境中，將不可避免地頻繁進行網絡切換。由于網絡選擇計算復雜性高、網絡服務時間短、目標網絡擁塞等原因，導致切換延遲高、切換次數多和切換中斷，嚴重影響流媒體服務的質量和流暢度[10]。該方案下，需要考慮優先采用基于UDP傳輸的流媒體協議，并且要具有一定的自適應調整和抗干擾能力。優先級排序大致如下：SRT＞QUIC＞RIST＞WEBRTC＞其他。

基于以上研究，在中國聯通5G(安陽)泛在低空測試基地，依托地面移動網絡基礎設施搭建的5G測試環境進行了流媒體協議技術指標驗證工作，具體驗證方案如下：

①在拉流過程嘗試平臺側所支持的不同流媒體協議(QUIC/SRT/RIST/WebRTC/RTMP)；

②將視頻源數據通過HDMI接口傳輸到5G機載終端，由后者完成編碼壓縮(H.264)和輸出清晰度調整(4K-3840×2160/1080P-1920×1080)；

③將分別驗證經由安陽云服務器/阿里云服務器完成數據流轉，并在不同網絡連接方式下測試多組不同流媒體協議下的拉流效果，完成傳輸時延比對記錄。

驗證結果表明：

1)在傳輸同等4K清晰度視頻條件下，各流媒體協議時延基本符合上述研究結論。

2)在傳輸同等1080P清晰度視頻條件下，各流媒體協議時延基本符合上述研究結論。

3 結語

隨著我國低空環境的逐步開放，低空經濟活動的不斷多樣化和頻繁化，無人機應用市場有望迎來飛速增長。在這樣的背景下，視頻實時傳輸效果將成為衡量絕大多數5G網聯無人機應用價值的主要指標之一。選擇與5G網絡組建形式相適宜的流媒體協議，可有效保障實時流數據的可靠傳輸，實現最根本行業應用的需求。一言以蔽之，流媒體協議會是控制5G網絡下的泛在低空應用實現流媒體數據自傳輸到呈現的最有利抓手。