黃澤武 韓桂魯 李雙全

摘要：帶寬貴、時(shí)延大和誤碼率高是流媒體在衛(wèi)星鏈路傳輸中亟待解決的三大問(wèn)題。針對(duì)帶寬貴的問(wèn)題，提出將傳輸鏈路根據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行分段并分別采用傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）協(xié)議，使得帶寬占用與在線(xiàn)客戶(hù)端數(shù)量無(wú)關(guān)，極大地提高衛(wèi)星帶寬利用率；針對(duì)時(shí)延大的問(wèn)題，提出將獲取流媒體的觸發(fā)機(jī)制采用終端主動(dòng)拉取并加入過(guò)濾機(jī)制，在協(xié)議改造前提下使得已經(jīng)存在媒體流只需要解碼時(shí)延而不需拉流時(shí)延，從而極大地縮減時(shí)延；針對(duì)誤碼高的問(wèn)題，采用在流媒體源端進(jìn)行冗余編碼的前向糾錯(cuò)（FEC）方法，有效提高流媒體終端解碼的成功率，從而提升流媒體應(yīng)用的用戶(hù)友好度。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星傳輸；流媒體；UDP；FEC

隨著第4代移動(dòng)通信（4G）技術(shù)的普及移動(dòng)手持設(shè)備性能的飛速提升，流媒體服務(wù)如遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制、視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程教育、視頻點(diǎn)播、網(wǎng)絡(luò)直播等也得到高速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)：截至2017年6月，中國(guó)網(wǎng)絡(luò)視頻用戶(hù)規(guī)模達(dá)5.65億，較2016年底增加2 026萬(wàn)人，增長(zhǎng)率為3.7%；網(wǎng)絡(luò)視頻用戶(hù)使用率為75.2%[1]。

流媒體業(yè)務(wù)成為運(yùn)營(yíng)商繼語(yǔ)音、短信和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)之后的第4種基本業(yè)務(wù)。所謂流媒體就是指采用流式傳輸技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)實(shí)時(shí)播放的媒體格式，如實(shí)時(shí)音視頻或多媒體文件。流媒體技術(shù)就是把連續(xù)的音視頻信息經(jīng)過(guò)壓縮處理后放上網(wǎng)站服務(wù)器，由流媒體服務(wù)器向用戶(hù)順序或?qū)崟r(shí)地傳送各個(gè)壓縮包，讓用戶(hù)一邊下載一邊觀看、收聽(tīng)，而不需要等整個(gè)壓縮文件下載到自己的計(jì)算機(jī)上才可以觀看的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)[2]。目前，流媒體服務(wù)主要基于客戶(hù)端/服務(wù)器（C/S）架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其架構(gòu)圖如圖1所示。

然而，因?yàn)楦甙旱慕ㄔO(shè)成本導(dǎo)致地球表面依然有很多沒(méi)有被蜂窩移動(dòng)信號(hào)覆蓋，比如大海、沙漠、高山、邊緣地帶等。衛(wèi)星通信因其自身特點(diǎn)使其成為一種重要的移動(dòng)通信的補(bǔ)充手段。具體而言，衛(wèi)星傳輸鏈路具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）覆蓋范圍廣。對(duì)地面的情況如高山海洋等不敏感，可以在業(yè)務(wù)量比較稀少的地區(qū)提供大范圍的覆蓋，在覆蓋區(qū)內(nèi)的任意點(diǎn)均可以進(jìn)行通信，而且成本與距離無(wú)關(guān)[3]。

（2）通信質(zhì)量好。衛(wèi)星通信中電磁波主要在大氣層以外傳播，電波傳播非常穩(wěn)定。雖然在大氣層內(nèi)的傳播會(huì)受到天氣的影響，但仍然是一種可靠性很高的通信系統(tǒng)。

（3）成本低廉。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星端、地面站、用戶(hù)端3部分組成，除衛(wèi)星固有成本外，只需要建設(shè)地面站，而無(wú)需其他的地面施工，因此衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度快、成本低，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也相對(duì)低。

由于衛(wèi)星信道具有與地面信道不同的一些特點(diǎn)，導(dǎo)致基于衛(wèi)星傳輸?shù)牧髅襟w應(yīng)用發(fā)展非常緩慢。具體而言，基于衛(wèi)星傳輸?shù)牧髅襟w應(yīng)用主要有以下問(wèn)題：

（1）低帶寬、高費(fèi)用。衛(wèi)星頻譜是寶貴的有限資源，因此價(jià)格昂貴，例如：Ku波段的頻率范圍是12.4～18 GHz，衛(wèi)星發(fā)射機(jī)只有54 Mbit/s帶寬，且費(fèi)用高昂。然而，流媒體因自己特點(diǎn)導(dǎo)致對(duì)帶寬占用較大，例如：采取H264編碼、1 920×1 080分辨率和24幀/秒的視頻傳輸需要的帶寬為256 kbit/s，此視頻僅傳輸成本約20萬(wàn)元人民幣。

（2）較長(zhǎng)的通信延時(shí)。衛(wèi)星傳輸距離遠(yuǎn)且通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波傳輸導(dǎo)致通信延時(shí)較大，例如：典型的衛(wèi)星通信延時(shí)在540 ms 左右，傳輸控制協(xié)議（TCP）3次握手的延時(shí)可達(dá)到1.5 s，此性能對(duì)于實(shí)時(shí)多媒體系統(tǒng)是無(wú)法接受的。

（3）高誤碼率。衛(wèi)星采取無(wú)線(xiàn)電波傳輸，其受環(huán)境、天氣、太陽(yáng)活動(dòng)等各方面影響較大，從而導(dǎo)致實(shí)際的衛(wèi)星通信中有較高的誤碼，由此對(duì)多媒體應(yīng)用的用戶(hù)體驗(yàn)極為不利，而如果采取TCP進(jìn)行重傳會(huì)降低TCP的發(fā)送窗口，從而會(huì)引起傳輸?shù)膸捓寐氏陆礫4]。

一般來(lái)說(shuō)，流媒體應(yīng)用對(duì)于數(shù)據(jù)流暢度要求大于數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，也就是說(shuō)用戶(hù)對(duì)于流媒體卡頓忍耐度小于數(shù)據(jù)花屏或者清晰度下降。針對(duì)流媒體應(yīng)用特點(diǎn)和衛(wèi)星傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，文中我們提出一種基于一種TCP疊加用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）混合分段傳輸優(yōu)化組合技術(shù)方案，以滿(mǎn)足衛(wèi)星傳輸流媒體應(yīng)用。

1 適合基于衛(wèi)星傳輸?shù)?/p>

流媒體系統(tǒng)架構(gòu)

基于衛(wèi)星傳輸?shù)牧髅襟w系統(tǒng)的傳輸有2部分：一部分與傳統(tǒng)流媒體系統(tǒng)相同，均基于固網(wǎng)傳輸；另一部分是基于衛(wèi)星反射廣播傳輸。衛(wèi)星鏈路的傳輸層不適合采用面向連接的協(xié)議，因此我們提出了一種TCP疊加UDP混合分段傳輸方式的基于衛(wèi)星通信的流媒體系統(tǒng)，其架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2中重要部分的功能描述具體如下：

（1）實(shí)時(shí)多媒體源對(duì)多媒體進(jìn)行采集、編碼、壓縮、音視頻混合等操作形成原始實(shí)時(shí)流媒體，然后將實(shí)時(shí)流媒體源與直播流媒體服務(wù)器采用傳輸層TCP協(xié)議建立連接，并且將原始實(shí)時(shí)流媒體推送到直播流媒體服務(wù)器之上。

（2）因衛(wèi)星傳輸中誤碼率較高，故直播流媒體服務(wù)器在接收實(shí)時(shí)多媒體流之后，采用前向糾錯(cuò)碼（FEC）算法對(duì)實(shí)時(shí)流重新編碼；然后對(duì)實(shí)時(shí)多媒體流轉(zhuǎn)碼、加密；同時(shí)，可將編碼后的實(shí)時(shí)多媒體流轉(zhuǎn)存到點(diǎn)播多媒體服務(wù)器形成多媒體文件。

（3）因衛(wèi)星帶寬較昂貴，為避免無(wú)用戶(hù)觀看的流占用帶寬，本流媒體系統(tǒng)故采用終端觸發(fā)媒體流下發(fā)的機(jī)制；終端采用TCP協(xié)議與直播流媒體服務(wù)器和點(diǎn)播多媒體服務(wù)器建立連接，如果衛(wèi)星空口上沒(méi)有待拉取的媒體流，則反向代理服務(wù)器向媒體流服務(wù)器拉取相應(yīng)的媒體流；如果衛(wèi)星空口上已經(jīng)存在待拉取的流，否則終端直接從衛(wèi)星空口接受廣播數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼即可。

（4）多媒體服務(wù)器（包括直播和點(diǎn)播）與反向代理服務(wù)器建立TCP連接，將相應(yīng)的流推送到反向代理服務(wù)器；反向代理服務(wù)器將接收到的流進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，去除TCP包頭并添加UDP包頭，然后轉(zhuǎn)發(fā)到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器繼而將媒體流推送到衛(wèi)星上，衛(wèi)星采用下行廣播的方式將流媒體流下發(fā)到各個(gè)地面接收器。

（5）終端通過(guò)UDP協(xié)議接收與反向代理服務(wù)器協(xié)商好的組播組接收多媒體流，然后對(duì)多媒體流進(jìn)行緩沖、解密、音視頻解碼、FCE糾錯(cuò)、渲染、呈現(xiàn)等處理。

綜上所述，本系統(tǒng)具有如下幾個(gè)重大改進(jìn)點(diǎn)：

（1）大幅度縮減帶寬占用。假設(shè)一路多媒體流占用256 kbit/s帶寬，如果有1 000路視頻且同時(shí)有1萬(wàn)觀眾觀看，新系統(tǒng)的帶寬占用只有傳統(tǒng)流媒體系統(tǒng)帶寬的0.01%（因傳統(tǒng)流媒體系統(tǒng)將占用2.560 Tbit/s帶寬，而采用本文系統(tǒng)將只占用256 Mbit/s）。從上述結(jié)果看：本系統(tǒng)占用的帶寬只與流媒體源的數(shù)量有關(guān)，而與終端用戶(hù)的數(shù)量無(wú)關(guān)。

（2）傳統(tǒng)流媒體系統(tǒng)與本系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接。因本系統(tǒng)也有基于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)傳輸鏈路，使得本系統(tǒng)可以與傳統(tǒng)流媒體系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接。具體而言，從終端用戶(hù)角度看，可以無(wú)感知地接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和微蜂窩網(wǎng)絡(luò)并無(wú)縫切換。從系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者角度看，其使用方法和與傳統(tǒng)流媒體系統(tǒng)沒(méi)有區(qū)別，可實(shí)現(xiàn)平滑對(duì)接和部署。

（3）大幅度減少時(shí)延問(wèn)題。在本系統(tǒng)拉流時(shí)，反向代理服務(wù)器會(huì)判斷媒體是否已經(jīng)下發(fā)，所以本系統(tǒng)的時(shí)延只在流媒體首次拉取時(shí)發(fā)生。對(duì)于已經(jīng)下發(fā)的流媒體，新用戶(hù)拉取時(shí)是從衛(wèi)星終端拉取而不需要從流媒體服務(wù)器拉取，從而大大縮短延時(shí)，從而大幅提升用戶(hù)體驗(yàn)。

（4）有效部分解決誤碼問(wèn)題。本系統(tǒng)采用FEC算法進(jìn)行解決，因?yàn)閭鬏敂?shù)據(jù)有冗余導(dǎo)致對(duì)帶寬略有損失，但這樣避免終端經(jīng)常出現(xiàn)的花屏，從而有效提升用戶(hù)體驗(yàn)。

2 適合基于衛(wèi)星傳輸?shù)?/p>

流媒體系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

為了使本系統(tǒng)充分利用衛(wèi)星傳輸特點(diǎn)，我們做了大量創(chuàng)新，本節(jié)著重講解衛(wèi)星傳輸在流媒體應(yīng)用的相關(guān)部分。將圖2的反向代理至終端部分，細(xì)化即為圖3。

如圖3所示，衛(wèi)星鏈路傳輸主要包括反向代理服務(wù)、基帶處理單元、衛(wèi)星地面轉(zhuǎn)發(fā)器、通信衛(wèi)星、衛(wèi)星地面接收器、衛(wèi)星信號(hào)分發(fā)器及終端設(shè)備。反向代理與基帶單元在同一個(gè)層二網(wǎng)絡(luò)中，且一般部署在運(yùn)營(yíng)商的機(jī)房中且只有內(nèi)網(wǎng)IP，因此需要一般通過(guò)機(jī)房的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）機(jī)制與公網(wǎng)進(jìn)行通信。衛(wèi)星接收機(jī)只需要在通信衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)即可，且不限制數(shù)量，此設(shè)備負(fù)責(zé)接受/發(fā)送衛(wèi)星鏈路數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸協(xié)議解析轉(zhuǎn)換。

為了更加清晰描述上述各設(shè)備在流媒體系統(tǒng)中發(fā)揮作用，下面我們實(shí)例化手機(jī)端從流媒體服務(wù)器中下拉多媒體流的過(guò)程，如圖4所示。

針對(duì)圖4，需要特別說(shuō)明2點(diǎn)。

（1）關(guān)于多路媒體流。反向代理收到拉取的流媒體數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)包中包頭去掉，重新封裝UDP包頭。此時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給基帶單元協(xié)商好的固定IP和特定組播組發(fā)送。由于有多路流，為了避免多路流相互影響，端口就是一個(gè)范圍，并且反向代理服務(wù)器向基帶單元轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)選擇一個(gè)未使用的端口即可，并將組播組詳情通知到分發(fā)器和終端，這樣分發(fā)器和終端才從對(duì)應(yīng)的組播組分發(fā)和接收數(shù)據(jù)。

（2）關(guān)于節(jié)省帶寬，主要采取3種方法：首先，因?yàn)樾l(wèi)星鏈路具有廣播特性，當(dāng)一個(gè)流媒體被終端拉取后，除此終端對(duì)應(yīng)的分發(fā)器能接受到此流數(shù)據(jù)外，處于衛(wèi)星覆蓋范圍的所有的分發(fā)器都可以接受到媒體流數(shù)據(jù)，那當(dāng)其他分發(fā)器下的終端拉取此媒體流時(shí)，不需要再拉取流從而節(jié)省帶寬，如果沒(méi)有請(qǐng)求此媒體流，那么分發(fā)器可以直接拋棄此媒體流數(shù)據(jù)；其次，對(duì)于已經(jīng)被終端拉取的多媒體流，如果同一個(gè)分發(fā)器下的其他終端也需要獲取相同的多媒體流，此時(shí)其將請(qǐng)求流ID發(fā)送給分發(fā)器，分發(fā)器將相應(yīng)的流復(fù)制一份給此終端，不再需要從流媒體服務(wù)器上拉取，這樣也解決大部分用戶(hù)的流媒體延時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，提示用戶(hù)體驗(yàn)友好度；最后，反向代理將拉流情況進(jìn)行記錄，當(dāng)某一路所有的用戶(hù)都沒(méi)有查看時(shí)，反向代理服務(wù)器主動(dòng)斷掉從流媒體服務(wù)器獲取媒體流數(shù)據(jù)，這樣既可避免衛(wèi)星帶寬的占用，又可以節(jié)省Internet的帶寬。

3 試驗(yàn)結(jié)果

關(guān)于文章提出的基于衛(wèi)星鏈路的流媒體系統(tǒng)的測(cè)試，針對(duì)上文中提到的衛(wèi)星傳輸?shù)膸捹F、時(shí)延大、誤碼高的3個(gè)問(wèn)題，我們主要從帶寬占用、用戶(hù)延時(shí)2個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試。

針對(duì)帶寬占比測(cè)試，我們采用一路媒體源，因?yàn)榛谛l(wèi)星鏈路，故視頻參數(shù)設(shè)置較低，通用影像傳輸格式的攝像頭的比特率為64 kbit/s。終端采用2種模式：使用傳統(tǒng)方案即基于TCP模式；使用本文所提方案。主要關(guān)注點(diǎn)是隨著終端的增加（從100個(gè)用戶(hù)增加到1 000個(gè)用戶(hù)），衛(wèi)星空口帶寬的占用情況，其具體的測(cè)試結(jié)果如5所示。

從圖5來(lái)看：本文所提的系統(tǒng)架構(gòu)的衛(wèi)星帶寬占用至于流媒體源大小有關(guān)，與用戶(hù)數(shù)無(wú)關(guān)；而傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)不但與流媒體源大小有關(guān)，而且與用戶(hù)數(shù)成直線(xiàn)關(guān)系。

關(guān)于用戶(hù)時(shí)延測(cè)試，本文系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要在于已經(jīng)下發(fā)流的用戶(hù)接入情況。針對(duì)時(shí)延測(cè)試，主要有2種場(chǎng)景：觀看當(dāng)前無(wú)人觀看的實(shí)時(shí)流；觀看當(dāng)前已經(jīng)有人觀看的實(shí)時(shí)流。終端采用2種模式：使用傳統(tǒng)方案即基于TCP模式；使用本文所提方案。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

從圖6來(lái)看，對(duì)于流媒體第1次下發(fā)，2種統(tǒng)架構(gòu)時(shí)延基本持平；而對(duì)于已經(jīng)下發(fā)的流，其他用戶(hù)再次請(qǐng)求此多媒體流時(shí)，其延時(shí)急劇降低，幾乎為常量，究其原因是分發(fā)器組播的設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星作為移動(dòng)通信的有效補(bǔ)充手段，有著部署便利和運(yùn)維成本低等優(yōu)勢(shì)，但帶寬貴、時(shí)延大、誤碼高等問(wèn)題影響基于衛(wèi)星鏈路的多媒體應(yīng)用。通過(guò)協(xié)議改造、架構(gòu)優(yōu)化、冗余糾錯(cuò)等相關(guān)手段，可以提高衛(wèi)星傳輸?shù)男阅?，改善衛(wèi)星作為多媒體特別是流媒體的媒介功能，對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的擴(kuò)展至關(guān)重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] CNNIC.第40次中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告[R].北京：中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心， 2017

[2] 吳莉莉，劉益成. 流媒體技術(shù)及應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2002， （1）： 39-41

[3] 劉旭東，王罡，馬杏池，等.衛(wèi)星通信技術(shù)[M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2000

[4] 車(chē)晴，王京玲. 數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)[M]. 北京：北京廣播學(xué)院出版社， 2000