一种针对5G网络环境的流媒体实验床构建方案

高子航

【摘要】    由于5G存在大带宽、高可靠、低时延、密集连接等诸多显著特性，对5G网络协议与应用进行性能评测时，通常需分析诸多指标对网络性能的影响。而目前针对5G网络实验床构建方式单一，测试链路速率低且端主机平台受限，难以实现网络性能的精准评测。流媒体作为5G生态下的典型应用，因此针对此类场景，设计了一种面向5G环境的流媒体实验床。实验结果表明，该实验床可为5G流媒体业务提供有效的网络测试环境，且能够实现网络性能的准确评估。

【关键词】    5G    网络实验床    流媒体

引言

随着第五代移动通信（5G）技术的不断发展，新的网络协议和应用服务也随之层出不穷[1]。因此，如何对5G技术下的新型协议和应用进行准确有效地评测，是目前通信领域亟待解决的一个问题[2]。传统网络性能评测方式主要以实测和仿真两种环境进行[3]。其中基于实测环境的网络评测，在5G网络节点连接密集的特性下，实验代价昂贵且难以重现，不利于测试数据的后续分析;而基于仿真环境的网络评测，由于测试条件过于理想化，通常不能准确反映网络实际性能，实验结果缺乏一定信服度。

文献[4]构建了车载自组网（vehicular Ad-Hoc network，VANET）下的5G流媒体系统，并通过ndnsim模块对流媒体缓存和转发策略进行仿真，但其测试环境仅限于特定框架，流量控制方式不具备多样性。

文献[5]利用滑模控制（Sliding Mode Control， SMC）实现一种P2P-TV流媒体节点上行速率控制算法，可在流媒体业务运行期间维持系统资源的公平利用，但未针对该模型进行全链路监测，不利于后期的快速测试与实地部署。

针对目前5G流媒体系统测试不便等问题，通过综合考虑实测和仿真两类网络性能评测方式的不足，设计了一种面向5G环境的流媒体实验床。该方案通过搭载至Linux操作系统的端主机，构建有效的5G流媒体业务测试环境，最终实现流媒体业务下对网络性能的准确评估。通过在一定链路速率下对系统终端进行测试，可验证本方案在真实环境中正确可行，且能够实现5G网络的流量控制。

一、5G流媒体实验床架构

5G流媒体实验床架构由视频采集编码模块、流媒体服务器模块和流媒体客户端模块三部分组成。其中由视频采集编码模块主要负责对视频流的获取和处理，可在运行功能上分为两部分，分别为视频流接入和H.264编码。5G流媒体实验床整体架构如图1所示。

视频采集编码模块中的两部分分别占用单独线程进行处理，因此可保证在获取视频流之后，能够实时对图像进行H.264编码，并将处理结果（图像数据）存入临时缓冲区。通过对视频流的原始图像信息进行采集，采集到的每一帧图像都会被编码器进行H.264编码处理。编码器通过调用编码函数后，将数据存储到临时缓冲区中等待流媒体服务器模块调用。

流媒体服务器模块可通过指针调用临时缓冲区中的编码数据。当数据成功接收时，该模块首先对数据格式进行检验，检验通过后将H.264数据进行格式转换，采用實时流媒体协议（RTSP， Real Time Stream Protocol）将转换数据封装成实时传输协议（RTP， Realtime Transport Potocol）数据包[6]，同时将控制信息以实时传输控制协议（RTCP， Realtime Transport Control Potocol）进行封装。RTSP协议栈架构如图2所示。

流媒体客户端模块可向流媒体服务器模块发送Options请求报文，并等待流媒体服务器响应。流媒体服务器对此报文进行响应后，客户端会向服务器端发送Describe请求报文和Setup请求报文。当服务器接收这些报文，可成功建立服务器与客户端之间的连接，同时客户端可对服务器进行推送。一旦连接建立成功，客户端就能够向服务器发送Play请求，请求服务器对客户端进行RTSP数据推送。在对该请求进行响应后，服务器便会进行RTP和RTCP的推送。推送完成后，客户端和服务器通过Turndown报文结束连接。

二、仿真实验及分析

本研究共设置3个主机节点h1、h2、h3，1个服务器节点server，1个路由器节点router，1个交换机节点switch，以及一个代理节点proxy。其中h1负责对server进行推流，而h2和h3则对server发送Play请求，实现视频流的订阅。5G流媒体实验床的网络拓扑如图3所示。

根据实验结果可知，h1节点已成功将视频流推送至server节点，同时实现对图像进行H.264编码，完成临时缓冲区的存储。随后可观察到h2与h3节点已成功订阅h1推送至服务器的视频流，并保证RTSP单流的吞吐量稳定在384kb/s左右，主机节点吞吐量统计以及实时播放显示如图4与图5所示。

三、结束语

本研究基于RTSP应用协议，设计实现了一种针对5G网络环境的流媒体实验床。该方案通过搭载至Linux操作系统的端主机，构建有效的5G流媒体业务测试环境，最终实现流媒体业务下对网络性能的准确评估。通过在一定链路速率下对系统终端进行测试，可验证本方案在真实环境中正确可行，且能够实现5G网络的流量控制。实验结果表明，该实验床可为5G流媒体业务提供有效的网络测试环境，且能够实现网络性能的准确评估。

参  考  文  献

[1] Agiwal M， Roy A， Saxena N. Next generation 5G wireless networks： A comprehensive survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2016， 18（3）： 1617-1655.

[2] 杨芫， 徐明伟， 陈浩. 5G/后5G部署对互联网主干影响的分析与建模[J]. 通信学报， 2019， 40（8）： 36-44.

[3] 苏成龙， 金光， 张超. 多系统高速网络实验床构建与检测技术研究[J]. 无线通信技术， 2016， 25（1）： 32-36.

[4] 曹腾飞， 江翠丽， 刘志强， 等. 基于信息中心5G车联网中社会感知的流媒体缓存与转发策略[J]. 电信科学， 2019， 35（12）： 90-98.

[5] 尹凤杰， 杨晖， 张颖. P2P-TV 流媒体系统鲁棒自适应速率控制算法及仿真[J]. 系统仿真学报， 2019， 31（1）： 120-125.

[6] 王超，王昊京. 基于RTSP服务器的望远镜流媒体实时传输系统的设计[J]. 电子技术与软件工程， 2020（05）： 143-145.