CN104486690A

CN104486690A - 一种基于tcp协议的移动视频传输优化方法

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Publication number: CN104486690A
Application number: CN201410827904.1A
Authority: CN
Inventors: 邢成文; 王飞; 杨彦宝; 费泽松; 匡镜明
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2014-12-25
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2034-12-25
Also published as: CN104486690B

Abstract

本发明涉及一种基于TCP协议的移动视频传输优化方法，属于无线通信技术领域；包括以下内容：1、判断无线链路丢包原因，根据不同丢包原因采用不同的TCP拥塞控制措施；2、对视频文件进行转码和分片，对不同码率视频分片定义不同等级，根据用户信道状态调度不同等级视频分片；3、在处理因网络链路误码导致的视频报文重传时，对于等级较低的分片直接进行重传，而对于等级较高的视频分片，如果其总的重传次数超过一定数量，基站将重新请求用户信道信息，并根据用户信道信息重新请求低等级视频分片；这三种框架的改变可以为用户提供更好的移动视频业务QoS。与现有移动视频业务相比，本发明方法对无线信道的多变性有更好的适应能力。

Description

一种基于TCP协议的移动视频传输优化方法

技术领域

本发明涉及一种视频传输方法，特别涉及一种基于TCP协议的移动视频传输优化方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着无线网络和移动设备的不断变革、发展，移动运营商提供的移动业务的范围不断扩大，服务质量越来越好。人们在享受各种移动业务带来的便利的同时，对移动业务的服务质量要求越来越高。在各种移动业务中，人们对移动视频业务有很高的消费需求。近年来，移动视频业务凭借自身优点取得了非常大的发展，并保持着一种很高的速率不断增长；在未来，移动视频业务将成为移动网络业务的主流。

无线网络环境和有线网络环境有很大的区别，无线网络的稳定性和信道状况要比有线网络差很多。无线网络环境具有误码率高、传输带宽低、移动性、信道环境变化快等特点。这使得在移动视频业务传输过程中考虑的传输环境因素不同于有线视频业务。原本为有线网络设计的TCP协议在无线网络环境中出现了许多不适应的问题，传统TCP协议在无线环境应用中主要有以下几个方面缺陷：

传统的TCP协议在无线网络环境应用中，通过检查移动端回送的TCP确认(ACK)来检测传输错误，而无法检测出导致传输错误的原因。TCP对所有的链路传输错误，均假设丢包的产生是由网络拥塞造成的。这种假设在有线网络环境中是成立的，但对无线网络环境来说却不适用。缺乏有效的链路传输错误处理措施，一旦链路检测出丢包，TCP便启动单一的拥塞控制处理措施，在重传丢包后，降低端到端的数据发送速率，确保链路拥塞得以解除。在无线网络环境中，如果链路丢包的原因是较高的链路误码或移动用户的基站切换，而非移动网络的链路拥塞，那么传统TCP的拥塞控制措施就不再适用，这种传统的拥塞控制措施必将造成吞吐量的下降及传输延时的增加。

在无线网络中，频带资源有限，每个移动终端分配到的频带带宽要比有线网络少很多，这使得TCP源端的数据发送速率要受到限制，TCP的拥塞控制窗口较小。在这种条件下，一旦链路中有数据包丢失，发送端将因接收不到足够多的用户回送确认而不能触发快速重传进程，只能通过超时机制来进行恢复，这种超时机制降低了频带的使用效率同时增加了传输延时。

在有线和无线两种网络中，TCP产生丢包的原因不相同：有线信道质量好，传输误码率比较低，丢包原因主要是由于链路拥塞；无线信道的误码率较高，链路误码是TCP丢包的主要原因。在视频传输优化中，将TCP丢包的原因加以区分，采用不同的拥塞处理措施非常有必要，它可以很大程度提高链路的吞吐量，保证移动视频业务的质量，提高用户的QoE。

ITU-T H.264版本对视频文件采用可分级的编码压缩机制，对同一视频源文件采用不同的压缩方法，产生不同码率的视频流文件。这些不同码率视频文件可以满足不同的用户需求。可分级的编码压缩机制为移动视频业务的发展提供了一个很好的方向，即不同信道条件的用户请求不同码率的视频文件，这对多变的无线网络环境具有很好的适应能力。

综上所述，无线网络中数据包的丢失及传输时延主要是由于无线链路的自身的特性所造成，如信道的不稳定性、外界噪声的直接干扰等。使传统的为有线网络设计的TCP协议在无线网络环境中缺乏适应能力，在无线数据传输过程中并不能取得很好的控制效果。

当传统的为有线网络设计的TCP协议在无线网络环境下不适用时，有必要对其进行改进，对不同的拥塞原因进行不同的拥塞控制处理，这对无线网络的视频业务的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是优化移动视频业务数据在无线网络环境中的传输效率，提出一种基于TCP协议的移动视频传输优化方法，改善现有TCP协议在无线网络应用中的工作效率，提高网络吞吐量、降低传输延时；在视频的画面质量、画面连续性及实时性三者间找到一种平衡，提高用户移动视频业务的QoE。

本发明的思想是判断无线链路丢包原因，根据不同丢包原因采用不同的TCP拥塞控制措施，提高TCP协议在无线网络中的传输效率；对视频文件进行转码和分片，对不同码率视频分片定义不同等级，根据用户信道状态调度不同等级视频分片；同时，在处理因网络链路误码导致的视频报文重传时，进行特殊重传处理。这三种框架的改变可以为用户提供更好的移动视频业务QoS。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种基于TCP协议的移动视频传输优化方法，包括以下步骤：

步骤一：网络服务器端对视频源文件进行转码、分片并对分片进行分级处理，得到视频分片描述文件；

视频分片描述文件包括视频分片序号、视频分片周期、视频分片大小、视频分片编码速率和视频分片等级等；该处理过程具体由以下步骤完成：

a.网络服务器对视频源文件进行转码，得到不同码率视频文件；

b.网络服务器对步骤a中得到视频文件进行分片，生成视频分片描述文件；视频分片描述文件包括视频分片序号、分片周期、分片大小、分片编码速率等内容；

c.网络服务器对视频分片进行测量，标记出视频分片的分级信息K，即视频分片等级，K大于等于1，小于等于5；

d.将视频分片等级K添加到视频分片描述文件中，得到完整视频分片描述信息；

步骤二：用户请求视频业务，向基站发送用户信道信息；

a.用户向服务器请求视频业务；

b.用户对信道状态进行计算，得到信道SINR值，向基站发送用户信道信息；用户信道信息包括用户信道带宽、信道SINR等内容；

步骤三：基站接收用户信道信息和网络服务器视频分片描述文件，确定用户视频业务调度的视频分片类型，即视频分片等级，并根据该类型向网络服务器端请求对应的分片后发给用户；

a.基站接收网络服务器发送的视频分片描述文件，解析出每个视频分片的等级K，形成视频分片等级表格；

b.基站根据用户信道信息及视频分片信息确定要调度的视频分片类型；

步骤四：基站判断链路丢包的产生原因，生成TCP协议拥塞控制措施信息，并确定丢失视频报文的重传机制；

a.基站判断链路丢包的产生原因；

1.基站计算当前N个报文端到端路径的平均往返时间RTT(Round Trip Time)值avertt及传输过程中测得的最小的RTT值minrtt；

2.计算期望吞吐量(expected)和实际吞吐量(actual)：

exp ected = \frac{cwnd}{\min rtt}

actual = \frac{cwnd}{avertt}

其中：cwnd为拥塞窗口大小

3.根据actural与expected吞吐量的比值ratio，将ratio与阈值M比较，判断链路丢包原因：

ratio = \frac{actual}{exp ected}

当ratio≥M时，链路丢包原因为链路误码；

当0＜ratio＜M时，链路丢包原因为链路拥塞；

当ratio＝0时，链路丢包原因为链路断开。

b.基站根据链路丢包原因确定TCP协议拥塞控制处理措施信息；

1.TCP协议拥塞控制措施包括链路误码传输处理、链路拥塞传输处理、链路断开传输处理；

2.当丢包原因为链路误码时，保持当前的发送窗口，保证网络的高链路利用率，即链路误码传输处理；当丢包原因为链路拥塞时，降低慢启动门限，减小拥塞窗口，即链路拥塞传输处理；当丢包原因为链路断开时，暂停发送数据，待链路恢复后，降低拥塞窗口后发送数据，即链路断开传输处理；

c.基站根据视频分片的等级K和丢包产生原因决定视频报文的重传机制；

1.链路丢包原因为链路拥塞及链路断开时，所有等级视频分片均进行重传；

2.链路丢包原因为链路误码时，等级较低的分片直接进行重传；

3.链路丢包原因为链路误码时，对于等级较高的视频分片，统计其总的重传次数T，如果T大于或等于阈值R_th，基站重新请求用户信道信息，并根据用户信道信息重新请求低等级视频分片；

步骤五：每个视频分片的请求调度过程，都由步骤二、三、四过程组成，视频业务结束后停止。

有益效果

本发明方法对无线信道的多变性有更好的适应能力。与现有移动视频业务相比，采用本发明方法后，用户视频业务的画面流畅性和实时性可以得到明显改善，这种改善在相对较差的用户信道状态中表现越加明显；同时，用户视频业务的画面质量可以满足相应用户需求。

附图说明

图1是视频传输控制协议MCP在传输层的架构示意图；

图2是视频传输控制协议MCP的头文件格式示意图；

图3是根据视频分片等级确定的视频报文的重传机制示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

下面以移动用户请求1分钟的视频为例对本发明方法进行说明。

步骤一、网络服务器对视频源文件进行处理

a.网络服务器对视频源文件进行转码，得到545Kbps、876Kbps、1800Kbps、3500Kbps、8500Kbps五种码率视频流；

b.对五种码率视频文件进行分片，视频每分片长度为5s，共分成12片，得到视频分片描述文件；

c.对视频分片进行分级处理，视频分片等级的定义与视频分片的编码速率相关，具体分级如下表：

表1 码率与分片等级对应关系

码率(kbps)	分片等级(1～5)
		545	1
876	2
		1800	3
3500	4
		8500	5

d.将视频分片分级信息添加到b的视频分片描述文件中；

步骤二、用户请求视频业务，向基站发送用户信道信息

用户检测下行公共参考信号，测得信道SINR为5dB；将信道带宽15kH和信道SINR 5dB信息发送至基站。

步骤三、基站确定用户视频业务需调度视频分片类型

基站根据用户信道带宽15kH及信道SINR 5dB结合其他信息计算出用户信道吞吐量2000kbps，查询视频分片等级表格确定调度视频分片序号5的等级为3。

步骤四、基站生成TCP协议拥塞控制措施信息，确定拥塞控制措施的选择及对丢失视频报文重传

a.视频分片序号5视频报文在链路传输中发生丢包，基站测得当前实际吞吐量为1700kbps，期望吞吐量为2100kbps；ratio＝1700/2100>M＝0.8，确定链路丢包产生原因为误码；

本发明中提出拥塞控制措施信息的一种，视频传输控制协议(media control protocol，MCP)，它在传输层TCP协议的上端，与TCP一起工作，形成一种MCP/TCP/IP的视频文件传输架构，如图1所示。

MCP的包头具体结构如图2所示：

MCP的包头长度为16bits，其中4bits用做预留；

1)VER：VER的长度为2bit，其含义是MCP版本的标号；

2)X：X的长度为1bit，当其为1时表示除标准包头外还有括展头文件；

3)M：M的长度为1bit，当其为1时标志着应用数据的结尾；

4)D：D的长度为2bits，其表示传输数据的类型，在MCP第一版本中仅考虑文本与媒体两种类型；

5)NET：NET的长度为3bits，用来区分传输信道类型(有线或者无线)，优化拥塞避免测量；

6)OPT：OPT的长度为3bits，它用来表示TCP拥塞的不同控制机制。

7)EXT：EXT的长度为4bits，它是MCP的预留空间。

基站生成拥塞控制措施信息：

MCP

0

1

0

1

0

1

0

1

0

b.基站解析MCP的OPT得到拥塞控制措施为链路误码传输处理，保持当前的发送窗口，保证网络的高链路利用率；

c.视频分片序号5的重传总次数为13大于阈值R_th＝10，重新请求用户SINR值为3dB，选择视频分片等级为2的分片进行视频分片序号5的重传，并告知用户抛弃原视频分片文件；

步骤五、剩余视频分片按步骤二、三、四完成传输。

在本实例中，根据用户信道状况选择合适视频分片类型进行调度，并进行合适的拥塞处理措施的选择，能够保证视频业务的流畅性及实时性。当用户信道状态发生变化导致传输效率将低时，根据重传机制调整调度方案，可以更好地适应无线信道不稳定的特点。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于TCP协议的移动视频传输优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、网络服务器端对视频源文件进行转码、分片，并对分片进行分级处理，得到视频分片描述文件，该视频分片描述文件中包含分片的分级信息；

步骤二、用户请求视频业务，向基站发送用户信道信息；

步骤三、基站接收用户信道信息和网络服务器视频分片描述文件，确定用户视频业务调度的视频分片类型，并根据该类型向网络服务器端请求对应的分片后发给用户；

步骤四、基站判断链路丢包的产生原因，生成TCP协议拥塞控制措施信息，确定丢失视频报文的重传措施；所述链路丢包的产生原因包括链路误码、链路拥塞和链路断开三种；所述TCP协议拥塞控制措施包括链路误码传输处理、链路拥塞传输处理、链路断开传输处理三种；

步骤五、每个视频分片的请求调度过程，都由步骤二、三、四过程组成，视频业务结束后停止。

2.根据权利要求1所述的一种基于TCP协议的移动视频传输优化方法，其特征在于：所述对分片进行分级可以通过将视频分片等级的定义与视频分片的编码速率进行对应。

3.根据权利要求2所述的一种基于TCP协议的移动视频传输优化方法，其特征在于：所述视频分片等级与视频分片的编码速率对应关系如下：

码率(kbps) 分片等级(1～5) 545 1 876 2 1800 3 3500 4 8500 5

4.根据权利要求1所述的一种基于TCP协议的移动视频传输优化方法，其特征在于：所述TCP协议拥塞控制措施信息为16位的MCP包头，由以下信息组成：

1)VER：VER的长度为2bit，其含义是MCP版本的标号；

3)M：M的长度为1bit，当其为1时标志着应用数据的结尾；

6)OPT：OPT的长度为3bits，它用来表示不同的TCP拥塞控制措施。

7)EXT：EXT的长度为4bits，它是MCP的预留空间。

5.根据权利要求1所述的一种基于TCP协议的移动视频传输优化方法，其特征在于：所述基站判断链路丢包的产生原因进一步可以通过以下步骤实现：

1.基站计算当前N个报文端到端路径的平均往返时间RTT值avertt及传输过程中测得的最小的RTT值minrtt；

2.计算期望吞吐量expected和实际吞吐量actual：

exp ected = \frac{cwnd}{\min rtt};

actual = \frac{cwnd}{avertt};

其中：cwnd为拥塞窗口大小；

ratio = \frac{actual}{expected};

当ratio≥M时，链路丢包原因为链路误码；

当0＜ratio＜M时，链路丢包原因为链路拥塞；

当ratio＝0时，链路丢包原因为链路断开。

6.根据权利要求5所述的一种基于TCP协议的移动视频传输优化方法，其特征在于：所述M＝0.8。

7.根据权利要求1所述的一种基于TCP协议的移动视频传输优化方法，其特征在于：所述生成TCP协议拥塞控制措施信息包括建立链路丢包原因与TCP协议拥塞控制措施之间的对应关系，具体内容如下：

当丢包原因为链路误码时，保持当前的发送窗口，保证网络的高链路利用率，即链路误码传输处理；当丢包原因为链路拥塞时，降低慢启动门限，减小拥塞窗口，即链路拥塞传输处理；当丢包原因为链路断开时，暂停发送数据，待链路恢复后，降低拥塞窗口后发送数据，即链路断开传输处理。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种eSRVCC切换参数设置的自适应优化方法，其特征在于：所述确定丢失视频报文的重传机制为根据视频分片的等级K和丢包产生原因进行确定，具体内容如下：

3.链路丢包原因为链路误码时，对于等级较高的视频分片，统计其总的重传次数T，如果T大于或等于阈值R_th，基站重新请求用户信道信息，并根据用户信道信息重新请求低等级视频分片。

9.根据权利要求8所述的一种eSRVCC切换参数设置的自适应优化方法，其特征在于：R_th＝10。