清鹤自适应网络带宽的流媒体传送技术描述

2005/04/04

　　就象解决一个城市的交通问题，解决流媒体系统的QoS问题一般有两条路子：一条路是在路上做文章；另一条路是在流媒体系统本身做文章。前一段时间炒的火热的ISDN技术、ATM技术以及未来的IPv6等网络协议属于前一种办法，但是，截至目前为止，ISDN与ATM并没有成为网络技术的主流，TCP/IP仍然是事实上的标准。在流媒体系统本身做文章也有深入探讨，主要是从电子学与计算机科学的角度出发的，如各种编码技术、各种压缩技术等，这条路子似乎也走到了尽头，流媒体系统的核心与瓶颈问题并没有很好的解决。

　　但如果换一个角度，从控制论的思想出发，将会发现更进一层的突破。为了克服网络状况不确定所造成的影响，视频服务器必须自适应地调整发送策略来保证视频服务的质量和实时性。正是从控制论的角度，我公司深入探讨了自适应网络带宽的实时流媒体传送问题，发明并实现了一套简单易用、效果很好的实时流媒体传送方案：自适应网络带宽的流媒体传送技术，其中利用了自适应控制技术、模糊控制技术、反馈与前馈控制技术等先进的控制技术。图2中的自适应调度和调节器是本公司的核心技术之一。本技术属国际首创。严格的理论证明和技术测试说明本方案效果很好，非常便于实现。同时，根据我们的方案实现的原型系统在清华大学校园网上经过测试，效果非常理想。本公司生产的自适应调度和调节器适用于目前通用的任何编码方式和网络，所以可以作为OEM插件提供给其他的流媒体厂商。

图3 采用该技术的视频点播系统测试结果

　　图3给出了在剧烈的带宽变化情况下，应用该技术的视频点播系统所达到的性能。在图3中，（a）表示所使用的带宽情况；（b）表示客户端得到的视频播放质量；（c）和（d）分别表示在播放过程中接收缓冲区和发送缓冲区中的数据量情况。对比图3（a）（b）可以看出，在网络带宽剧烈变化的情况下，视频播放质量的变化很平缓。由图3（c）知，接收方缓冲区没有发生上溢或下溢，这表明客户始终能享受到连续的视频播放，没有出现播放卡壳；也没有出现因为缓冲区上溢而丢失从网络传过来的数据。图3（d）则表明发送缓冲区始终在80k字节左右，没有发生下溢，说明数据发送模块始终有数据可发，即网络带宽得到了充分利用。

具体而言，与国际上已有的流媒体传输技术相比，我们的技术具有以下优点：

　　（1）该技术能使流媒体服务器自动适应网络状况实时传送流媒体数据。即使在剧烈变化的网络环境下，采用该技术仍能保证客户享受到连续的、平稳的、最高质量的视频服务。
　　（2）该技术不需估计网络带宽，避免了网络带宽估计不准带来的性能大幅下降。
　　（3）该技术实现了质量自适应系统与网络系统的解耦，从而使得技术中的质量自适应系统能在任何已有网络环境下工作，极大地降低了技术推广的难度。
　　（4）该技术能很好地屏蔽网络带宽的短时间尺度波动对视频播放质量的影响。由于拥塞控制的作用，网络带宽的短时间尺度波动常常比较大，如果直接按照网络实时带宽进行视频质量调节，必然会造成视频质量抖动剧烈，极大影响播放效果。
　　（5） 该技术极大地简化了参数的调节难度。在该技术方案中，参数可以根据严格的理论推导给出一个范围，而且需要调节的参数量很少。

　　该技术方案完全有别于RealNetworks的真实流（Sure Streaming）和Microsoft的智能流（Intelligent Streaming）。这两种解决方案其实是在与用户建立连接的初始，检测用户的网络带宽资源状况以及连接数目的多少，以此来判断，发送文件大小最适合的流媒体文件。而在用户观看流媒体文件的2-3个小时过程中，网络状况和带宽资源其实一直在变化的，可能不断有新的用户连接上来，并发数不断在变化，但系统无力实时调整，结果在用户端还是会时常出现图像卡壳、抖动和停停放放的情况，服务质量仍然无法保证。而我们实时自适应流媒体传输技术，是始终对文件大小和发送速率进行动态调整的，并且是实时准确计算网络资源和用户端缓冲区的状况，进行精确调整，保证终端用户播放的流畅和清晰，且不耗费任何系统资源。

上海清鹤公司供稿 CTI论坛编辑