云通信系統(tǒng)在移動互聯(lián)網(wǎng)中應用場景之媒體自適應技術(shù)
來源：原創(chuàng) 時間：2018-04-29 瀏覽：0 次云通信系統(tǒng)在移動互聯(lián)網(wǎng)中應用，受到無線網(wǎng)絡環(huán)境的影響，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡帶寬低、時延、丟包和網(wǎng)絡抖動等問題，導致音視頻通話經(jīng)常出現(xiàn)卡頓、馬賽克，甚至中斷等情況，使云通信系統(tǒng)可用性下降，因此研究媒體自適應性技術(shù)，一方面使音視頻流媒體自適應網(wǎng)絡帶寬，另一方面采用智能抗丟包技術(shù)最大限度恢復媒體數(shù)據(jù)包。經(jīng)過試驗驗證，該技術(shù)在不穩(wěn)定傳輸環(huán)境下，音視頻通信的可用性顯著提高，并且在網(wǎng)絡丟包為20%或網(wǎng)絡抖動為1000ms時，音視頻通話也能清晰流暢。
近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代的來臨以及云計算技術(shù)的興起，統(tǒng)一通信開始與云計算融合，形成了云通信技術(shù)。云通信是一個PaaS（PlatformasaService，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(yè)及移動互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡與系統(tǒng)互聯(lián)，無線網(wǎng)絡傳輸容易受到干擾導致傳輸質(zhì)量下降，使得音視頻通話質(zhì)量下降。因此，為提高音視頻通話在云通信環(huán)境的抗干擾性能，需要研究云通信媒體自適應技術(shù)。首先，梳理云通信環(huán)境中存在的主要問題；其次，針對這些問題，優(yōu)化音視頻媒體編碼、解碼和傳輸策略，重點研究自適應網(wǎng)絡帶寬和智能抗丟包技術(shù)；最后，實現(xiàn)原型系統(tǒng)，搭建驗證環(huán)境，并通過實驗結(jié)果進行驗證。
影響通話質(zhì)量的主要因素音視頻通信是云通信的基本業(yè)務，影響音視頻通話質(zhì)量涉及通信網(wǎng)絡的主要因素包括：
?。?）帶寬
相對于有線傳輸網(wǎng)絡，3G/4G無線網(wǎng)絡帶寬有限，而音視頻通話需要傳輸流媒體數(shù)據(jù)，帶寬的大小直接影響流媒體傳輸質(zhì)量，從而影響音視頻通話質(zhì)量。
?。?）延時
數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中傳輸需要經(jīng)過眾多的網(wǎng)絡設備處理，必然產(chǎn)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(wǎng)絡抖動是指網(wǎng)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(wǎng)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(shù)據(jù)。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(zhì)量。
（4）丟包
網(wǎng)絡丟包在IP網(wǎng)絡中很常見，丟包率是丟失報文和實際發(fā)送報文的百分比。網(wǎng)絡丟包直接導致音視頻流媒體數(shù)據(jù)丟失，使視頻圖像卡頓、馬賽克，音頻斷續(xù)、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(zhì)量的主要網(wǎng)絡因素，尤其是在無線網(wǎng)絡環(huán)境更為明顯。
3媒體自適應技術(shù)
云通信本質(zhì)是VoIP通信，IP網(wǎng)絡采用盡力而為的方式，是為傳輸數(shù)據(jù)業(yè)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(zhì)量保障策略。因此，必須要解決視音頻數(shù)據(jù)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（ATransportProtocolforReal-TimeApplication，實時傳輸協(xié)議）來傳輸流媒體數(shù)據(jù)的，流媒體數(shù)據(jù)包括音頻數(shù)據(jù)流和視頻數(shù)據(jù)流，音視頻數(shù)據(jù)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(shù)針對云通信網(wǎng)絡的主要問題，從流媒體數(shù)據(jù)大小控制和編解碼自恢復等方面入手，包括自適應網(wǎng)絡帶寬技術(shù)和智能抗丟包技術(shù)。
3.1自適應網(wǎng)絡帶寬技術(shù)
自適應網(wǎng)絡帶寬技術(shù)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(wǎng)絡帶寬。當視頻通話占用帶寬高于當前網(wǎng)絡帶寬時，會引起數(shù)據(jù)堆積，使得網(wǎng)絡擁塞，加劇網(wǎng)絡丟包和網(wǎng)絡抖動，導致視頻通話卡頓或馬賽克越來越嚴重。自適應網(wǎng)絡帶寬技術(shù)通過動態(tài)控制視頻通話的流媒體數(shù)據(jù)量大小來避免網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡帶寬之下；當通話帶寬低于網(wǎng)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(wǎng)絡帶寬，直到視頻通話回到初始的分辨率、幀率和碼率。
自適應網(wǎng)絡帶寬技術(shù)主要包括兩個方面，一是網(wǎng)絡狀態(tài)信息獲取，二是根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)信息調(diào)整發(fā)送端的視頻編碼參數(shù)，包括碼率、幀率和分辨率。網(wǎng)絡狀態(tài)信息獲取主要是丟包率和網(wǎng)絡抖動信息獲取，丟包率可以從接收到的流媒體數(shù)據(jù)包中的RTCP（Real-timeControlProtocol，實時傳輸控制協(xié)議）數(shù)據(jù)報文，根據(jù)預期間隔收包數(shù)和實際間隔收包數(shù)計算獲得。網(wǎng)絡抖動也可以從RTCP報文中計算獲得。視頻編碼參數(shù)調(diào)整是根據(jù)獲取的網(wǎng)絡狀態(tài)信息調(diào)整發(fā)送端的視頻編碼參數(shù)，包括碼率、幀率和分辨率，緩解網(wǎng)絡擁塞或盡可能大地利用網(wǎng)絡資源以適應當前網(wǎng)絡的傳輸帶寬。在實現(xiàn)上，根據(jù)網(wǎng)絡丟包率和抖動設置一定的閥值，當閥值在某個區(qū)間變化時動態(tài)地依次調(diào)整幀率、碼率和分辨率，直到丟包和抖動緩解。
視頻編碼參數(shù)的頻繁動態(tài)調(diào)整會導致視頻圖像質(zhì)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(shù)調(diào)整的幅度需要根據(jù)大量的實驗結(jié)果進行設置。
會增大視頻通話帶寬，視頻通話質(zhì)量也會在一定程度上下降。
?。?）增加額外時延
丟包重傳ARQ技術(shù)雖然提高了視頻碼流的發(fā)送成功率，但同時也降低了視頻碼流發(fā)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(shù)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(shù)，對傳統(tǒng)抗丟包技術(shù)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：
?。?）智能傳輸校驗糾錯
智能傳輸校驗糾錯技術(shù)是在音視頻數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡傳輸時，針對某一時間片段的數(shù)據(jù)包，通過校驗算法生成傳輸校驗數(shù)據(jù)包，與校驗包一并傳輸?shù)浇邮斩?，網(wǎng)絡丟包時，根據(jù)校驗包和校驗算法恢復丟失的數(shù)據(jù)包。這種糾錯技術(shù)，在時間片段內(nèi)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(jù)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(shù)據(jù)。與前向糾錯FEC技術(shù)相比，該技術(shù)不需要額外生產(chǎn)冗余編碼幀，數(shù)據(jù)量大大減小，不會占用過多的網(wǎng)絡帶寬。
（2）智能跨段校驗糾錯
智能跨段校驗糾錯技術(shù)主要是在智能傳輸校驗糾錯技術(shù)的基礎上，實現(xiàn)恢復跨時間片段丟失的多個數(shù)據(jù)包。以單位時間片段的數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)，對連續(xù)多個時間片段基礎數(shù)據(jù)生成跨段校驗數(shù)據(jù)包。當某一時間片段數(shù)據(jù)完全丟失時，可以利用前后片段數(shù)據(jù)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(shù)利用傳輸校驗來最大限度地恢復丟失的數(shù)據(jù)，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(tǒng)的5%提高到20%。
本文分析了云通信系統(tǒng)網(wǎng)絡環(huán)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(wǎng)絡帶寬技術(shù)和智能抗丟包技術(shù)，并進行了試驗驗證，驗證結(jié)果顯示，采用媒體自適應性技術(shù)極大地提高了云通信音視頻通話可用性。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和云通信技術(shù)的發(fā)展，VoIP音視頻通信技術(shù)的高可用性問題越來越受到重視，是現(xiàn)階段及未來云通信技術(shù)研究的主要課題。毫無疑問，媒體自適應技術(shù)是提高云通信主要途徑之一。
