浅谈5G通信系统中流媒体的技术原理

刘丽萍

国家广播电视总局203台 内蒙古 呼和浩特市 010000

引 言

随着互联网的迅猛发展，智能化的电子产品已经成为生活中不可或缺的重要物品，而支撑通信设备智能化的网络通讯系统成为最重要的环节。高带宽、低时延、广连接的5G技术标准网络传输体系大幅度提升了网络速度，被广泛用于工业、新农业、金融、能源等各领域的发展中，其主要的可移动性优势在互联网服务中充分发挥，例如，5G全息成像、多媒体内容生产、直播业态、视频点播、远程教育等。5G技术在媒体行业应用中的新尝试、新亮点也为生活提供了更多便利，同时不断推动智能化的纵深发展。

随着科技的发展，移动终端的电子设备快速更新，基于对不同信息的服务需求，其对数据的访问需求量越来越高。在移动的终端设备中，特别是附带多媒体业务时，呈现优质的视频画面和流畅的画面传输等逐渐成为用户的最基本要求。然而4G网络因速度过慢、丢包漏包、流畅度欠佳等问题，逐渐不能满足用户的需求，现有网络基础架构不足以支撑新兴业务模式。在此背景下，5G的通信网络应运而生。与传统网络相比，5G网络在速度上的大幅提升，将引起通信领域新一轮的变革。5G高速稳定低延时的特性满足了未来大规模的产业进行信息传递、高速流量访问需求，在百万平方公里土地上实现10GB数量级的传播速度。直播现场的4K高清图像、随处可见的高清大屏、视频会议等，利用5G网络飞速发展的视频流媒体成为最具代表性的业务，伴随着5G网络的建设，网络传输、内容分发架构、流媒体技术、视频形态等在不断演进，极大的提高了用户高品质观看体验。

在媒体业务类型大幅增多的背景下，流媒体技术快速发展，尤其在网络信息传播中，以不可复制的优势成为新一代信息通信技术演进升级的重要方向。传统的流媒体技术主要是以分流的方式实现边观看边下载的效果，其技术原理主要为RTP/RTCP协议。在实际的应用中由于数据量较大的原因，TCP协议在传输过程中无法满足用户的要求，而RTP数据传输协议为了提高实时性，基于UDP发送数据，UDP又因不可靠性而丢包严重。

在互联网中，网络的运用即大量的流量传输是依靠各种算法来维持稳定的传送。TCP的算法协议在流量传输中使用最多，其兼容性优势在流媒体中成为测评性能的标准，也是对算法影响的主要因素。在以往的协议算法中，用流量传输中的丢包量来计算网络的拥堵情况，其中丢包中的一些错误的包，并不会对网络拥堵造成影响，而我们就利用这个错误包的产生情况，来改进RTP/RTCP协议，从而达到更准确的流量传输数据要求。

在多媒体数据的传输过程中，RTP/RTCP规则的传输由RTP将数据传输到目的端，RTCP对数据传输的指令以及数据包的接收情况进行反馈。当接收到目的端的反馈时，非对称的反馈数据会产生延迟，原因是在数据传输中发送的数据产生了延迟，导致RTP在发送数据时发生相应的延时效果，在本文中将对非对称链路中的数据传输提出一些改进方法。

5G传输网络带来的流媒体技术的飞跃式发展主要体现在无线网络环境下，在非对称链路中的流量控制传输。在本次的研究过程中，以RTP/RTCP为标准进行流量传输控制，重点对流媒体数据传输的效率调节进行研究，同时对非对称链路中流量传输的特征做出适当的调整。

1 实时流媒体传输协议

1.1 流媒体传输协议

所谓流媒体，是指采用流式传输的方式在互联网播放的媒体格式。流媒体又称流式媒体，是将普通多媒体，如音频、视频等，经过特殊编码，使其成为在网络中可以采用流式传输的连续时基媒体，将数据进行流水式分段传输到目标端口。通过流媒体技术实现边播放边下载，缩短了启动时延，降低了系统的缓存容量，减少了视频播放的等待时间，从而改善人们的视频享受体验。在流媒体的技术中有SIP、SDP、 RTSP、 RTP、 RTCP、RSVP等协议，具体的协议使用如图1所示。

图1 协议框图

1.1.1 应用层

SIP由用户代理、代理服务器、注册服务器、重定向服务器等共同组成。主要将流媒体技术运用到单通话以及多通话的层面上。具体包括创建通话、修改通话以及终止通话等。例如腾讯会议的加入邀请。

SDP在应用层辅助RTSP和SIP工作，在正常的视频会议中提供名称、视频的类型以及视频的格式等。

RTSP是应用层的实时控制，在视频播放的过程中，按用户的需求进行播放、暂停等一系列工作。视频控制命令是通过数据传输的RTP/RTCP协议进行双方数据控制，即目的端口和源端口都可以控制视频的进程。

1.1.2 传输层

在传输协议层，RTP主要负责数据的传输。在不间断的数据传输过程中，接收端并不是按照顺序进行数据接收，在完成接收之后，需要按照之前数据的排序情况来进行数据的重组。在数据实时传输中，RTCP不断检测数据的质量并实时纠错，以避免大量数据出现堵塞，确保数据的分部传输。

1.1.3 网络层

RSVP提供数据传输中的质量保证，在数据传输中预留一些需要的传输路径，对实时的流量进行快速传递。在信息传递途中，建立了固定的流量传输状态。RSVP的传输原理是将数据进行单方向的传播，在数据的预留中仅能实现发送端预留发送端口、接收端预留接收端口的信息，也就是说预留的信息只能由单方向流量预留，在预留的数据中可以是单个发送也可以是多个发送。

1.2 RTP协议详细介绍

RTP多用于各种在线的会议，包括音频和视频会议。在每个会议建立后都会有对应的端口、序列号。端口号有RTP、RTCP的协议报文。在传输中，RTP利用UDP协议完成数据的传输，传输数据依靠报文的端口号重新排序。在传输过程中，需要RTCP来保证数据的传输质量。

在多人会议中，为了实现多个客户端同时接入且数据传输稳定性不受影响，引入了混合器。混合器对RTP协议中各种客户端的数据进行汇总。在多个数据汇总之后，进行数据完成整合，同时产生新的RTP协议报文。在新的报文中，会改变之前多种格式的新媒体数据，使得多种格式的接收源能够稳定接收数据。

每个报文格式中有固定的开头，由12字节组成，在RTP协议中，CSRC的标识也在报文的头部，需要混合器的协助完成，RTP报文格式如图2所示。

图2 RTP协议报文格式

1.3 RTCP协议

在上述叙述中，RTCP负责管理传输质量，在当前应用进程之间交换控制信息，主要是在每个不同的报文中将各种类型的信息发送到接收端（会议的参与者），其中包括传输中的数据包的丢包数量以及接收数量。在RTCP的报文中，有固定的开头信息以及后面不同的32字节数据结构。报文可以分为下面五种类型，其具体格式如下。

（1）统计发送端的数据信息，大概有三个部分，后面的数据根据不同的类型长短不一，如图3所示。

图3 SR报文格式

（2）统计接收端的数据信息，报文格式几乎与接收端的统计信息相同，主要的不同点是报文的常量201，当没有数据传输时，信息同样要放到RTCP的开头端。

（3）SDES报文报告本端的描述性信息，包括头部和0到多个报告块，每个块中包含描述源标识符的表项，如图4所示。

图4 SDES报文格式

（4）BYE：在会议结束时推出的各种标志提示，其报文格式如图5所示。

图5 BYE报文格式

（5）在新的应用软件开发时，需要特定的开发测试策略，App报文格式是专门用于测试的，因此其不需要注册，不能识别的App报文也可以丢弃，报文格式如图6所示。

图6 App报文格式

1.4 流媒体传输的拥塞控制策略

在数据流量传输过程中，RTP经行传输，RTCP保证其传输数据的质量。而不可避免的网络拥塞可能会造成数据丢失、错误、延时等各种问题。

1.4.1 网络拥塞问题

在信息交互过程中，当分组较多时，组网络同时到达路由器，对于有着固定存储空间的输出端口，同时被几个输入数据流共同使用，当流量需求超过了路由可用资源，路由存储达到一定程度，无法再满足流量的顺利传输，传输性能下降，这也就是出现数据包延时、丢包等现象的原因。主要分为以下几种情况：

第一，路由的内存限制，当数据量超过路由RAM的限制范围时，数据无法正常传输，具体的表现为数据延时、丢包等。

第二，在数据处理时，不同的性能配置对数据处理的速度不一样。在数据资源需求量大的时候，数据无法快速处理，路由器会产生数据延时。

第三，在数据链路中，当低速链路输入高速数据流时，也会造成数据堵塞，数据信息会产生延时。

1.4.2 流媒体传输的拥塞控制

当流媒体数据出现拥塞时，视频播放或者视频对话中的数据包不能及时传输，造成视频或通话卡顿、过度延时，甚至数据中断，严重影响视频质量。为了合理的控制网络拥塞，要根据实际的延时情况对网络协议进行一些优化调整。流媒体的数据传输方式有排序的流式传输和实时流式传输，通过用户的操作选择后，按照视频的进度调整数据的传输方式。

在多媒体的数据传输中，其流量大、实时性、连续性、延时低、低误差的特点，势必需要一种有效的拥塞控制来调整时间上的传输速率。在实际的网络应用中，网络的速度分地点和时间的变化，通过自适应的方式来调整网络资源的利用率。

2 非对称链路传输性能研究

在信息化时代，用户端的流量需求远远大于互联网的宽带流量，非对称的链路传输能够及时反馈流媒体网络协议中的不适应情况，其中TCP协议为主流的使用协议，也是具有反馈功能的网络协议之一。

2.1 非对称链路

在采用数据传输的诸多领域中，非对称链路使用广泛。例如，光纤网络、卫星链路、数字电视信号以及网络宽带中，均利用非对称链路达到有效的信息传输。在实际应用中，往往因为某些链路的不通，导致数据在正向传播或者反向传播时产生时延。

2.2 非对称链路中提高TCP性能的策略

在反向链路的传输中，接收端的AK数据不能及时发送，导致在接下来的数据传输中效率变得较低，同时对后续数据产生影响，从而发生堵塞甚至丢包。为了解决在TCP协议传输中数据延时的问题，需要从最初的原始问题入手，主要是从主机端和路由器端来提高TCP的性能。

2.2.1 基于主机端修改提高TCP性能

从主机端方面考虑，主要从以下几个方面修改TCP性能，ACK、大数据段、拥堵控制、发送速率的适应。

ACK调节：原理为降低ACK发送速率和频率，减少其在链路上的占用，确保在接收方或者确认方能减少收入ACK的数据包。

使用大数据段：大数据包段，是在数据总容量不变的情况下，将数据进行大容量的打包，减少形成的数据包数量，达到降低发放次数的目的。

拥塞控制：发送方收到ACK拥堵的标识，并进行识别，同时判断出在上行链路中有数据拥堵现象发生，进行自适应调整，减少ACK的数据。若上行链路没有发生拥堵现象，则不会发送拥堵标识。

调节发送速率：通过修改发送方主机端的发送速率，提前设定发送数量的上限，在数据包的发送过程中，根据实际情况，将大的数据包按照预设的速率，分为相应的数据包个数，有序的进行传输。

2.2.2 基于路由器修改提高TCP性能

基于路由器修改来改进TCP的传输方案，主要是依靠多链路层和网络层，改善传输路径上的复杂性，具体如下：

第一，通过压缩TCP的头部内容的方式，降低ACK大小，以达到减少电路上的传送数据包的效果。

第二，在下行链路中增加路由器、上行链路中删除多余ACK数据包、挑选有用的ACK数据包，这种方法已经普遍存在于实际中的网络使用。

第三，通过调节上行链路传输中的数据包，将ACK和传输数据的数量分组发送。主要原理为：合理调节每个数据包的发送顺序，即循环调度或优先发送。这样保证了上行链路的容量，同时也保证了下行链路的发送量和接收量。

3 展 望

在网络信息化越来越发达的时代潮流中，5G网络的出现为传输体系的发展注入了强心剂，依靠5G强有力的支持，流媒体技术的发展带来了前所未有的突破。在本文中，通过分析5G网络在多媒体传输协议中的优势，重点探讨了RTP和RTCP协议在无线环境和非对称链路中传输性能的改善，并提出了如何提高在非对称链路中传输的性能。

如图7所示，未来随着5G网络在实际应用中的普及，万物互联、人机共生，5G分发体系下，各种场景各种设备都可能有内容的需求。流媒体技术在5G网络的加持下，将会被应用到更广阔的空间中，为用户带来最佳体验的服务。传播速度将是千兆般的接入，再也不用为内容延时烦恼。车联网、物联网，庞大的网络体系提高各个场景中应用的服务，达到信息随心至，万物触手及，实现人们的总体愿景。

图7 5G总体愿景