动态自适应流媒体技术在专网手机电视业务中的应用
作者：王天瑜
来源：《声屏世界》 2017年第13期
      摘要：本文首先对动态自适应流媒体的概念和使用情况进行介绍，然后引出几类主流HAS技术，并对专网手机电视技术框架和业务流程进行描述，最后对在专网手机电视中使用的一些自适应流媒体关键技术进行分析。
      关键词：动态自适应 HAS 内容切片 多码率化 专网手机电视
     
      4G网络的发展和大批移动应用的涌现以及移动智能终端的普及，为移动互联网视听节目服务（包括专网手机电视）发展提供了良好的环境和条件。但因为移动网络的固有特点，例如多径干扰、信号衰减等，用户在体验专网手机电视业务时往往会出现画面卡顿、切换时间等待过长、画面出现静帧马赛克等问题，困扰着移动互联网视听业务的发展。动态自适应流媒体技术正是为解决这一问题应运而生的，目前该技术已逐渐走向成熟和商业化。
      众所周知，传统的流媒体技术是把连续的影像和声音信息经过压缩处理后上传到网站服务器，由视频服务器向用户终端顺序或实时地传送各个压缩包，让用户一边下载一边观看、收听，而不要等整个压缩文件下载到自己的计算机上才可以观看的网络传输技术。但这种传输方式也存在问题，即不能够适应网络环境，动态调整传输码率，导致出现传输码率与网络状态、终端负载不相匹配的情况。而动态自适应流媒体技术区别于传统流媒体技术的地方就在于可动态调整服务器所发送的视频资源码率，改善流媒体传输质量，提高用户体验度。
    动态自适应流媒体技术介绍
      流媒体传输技术自诞生以来，先后出现了以下几种工作模式:
      一、传统的实时流式传输（Real-time streaming transport）。传统的实时流式传输主要的工作场景为现场直播，比如演唱会、大型比赛等对实时传播要求较高的大型活动。在这种情况下，实时流式传输好比在线转码服务，通过铺设在活动现场的直播设备，自动将音视频转码在网络上进行传播，所使用的协议包括实时流（RTSP）协议等，即为实时流式传输。这种实时流式传输对带宽要求较高，且无法控制码率，一旦传输的带宽与网络实时传输码率不相适应，传输画面就会出现卡顿、丢帧等情况，影响用户观感。在工作流程上，该工作方式是一种始终在线式的方式，在整个过程中，该工作方式是独占这一带宽和连接的。主要特点一是码率由服务器端确定，服务器端无法主动匹配终端承载情
况；二是终端必须有足够大的缓存空间，因为该方式无法即时播放，必须在下载一定的缓存之后才能正常播出。
      二、序流式传输（Progressive streaming transport）。顺序流式传输主要使用于观看相对时间较短、画面质量较高、单位时间内码率较大的短视频资料如片花、电影介绍、微视频等。在观看这类型的视频文件时，由于文件时间较短，用户不需要大跨度的进行跳播，实时观看已下载的内容即可。这种流媒体方式不需要额外增加服务器和编码系统等软硬件资源，采用操作系统自带的HTTP协议即可进行传输，投资较小，适合大多数小成本流媒体服务商使用。但由于这种流媒体方式无法进行缓存，只能是下载多少播放多少，这样做也是为了保证画面质量，所以最终用户在观看节目之前必须有一段时间等待下载。用户体验感觉相对其他方式较差。
      三、动态自适应流媒体传输。传统的实时流式传输和顺序流式传输都有不完善的地方，而动态自适应流媒体技术是一种结合了实时流式传输和顺序流式传输的分发传输技术。自适应流媒体传输与其他两种方式不同之处在于它对传输文件流进行切片分割。在此基础上，根据不同的网络环境和终端运行状态，以不同的码率流媒体进行传输。为保证技术的通用性，它借鉴顺序流式传输方式，使用基于HTTP的协议进行网络传输。基于HTTP协议的动态自适应流媒体技术称为HAS，即HTTP Adaptive Streaming。
      HAS技术的最大特点就是对数据传输流进行切片分割，在HAS传输系统中，需要处理并传输的数据最小颗粒度是切片，切片与切片之间时间跨度一致，但每个切片之间相对独立，类似于计算机的多线程处理，这对服务器的硬件资源要求较高。主要需要的软硬件资源包括编码服务器及WEB服务器，其中，编码器负责对多线程文件进行同步切片编码，处理后的文件在HTTP Web服务器中进行存储管理，当终端用户发起访问请求时，WEB服务器端首先检测网络状态，然后向终端用户发送能够匹配当前网络状态的码率文件。当前主流的HAS技术有Apple的HLS、Adobe的HDS和MPEG的DASH，下面以HLS为例详细介绍动态自适应流媒体技术的工作原理：
      HLS技术原理是当用户向多媒体运行中心发起业务请求链接后，多媒体运行中心的WEB服务器首先对网络状态进行检测，然后将文件以适合的码率进行传输。这种码率也不是一成不变的，客户端可以根据网络状态的实时变化情况在不同码率的数据流中进行动态选择，保证传输的最优化。HLS系统主要由三部分构成，分别为流媒体处理切片、分发传输及终端用户。流媒体处理切片部分主要对原始输入的音视频文件进行多种码率的编码处理，以适应多种网络环境的需要，然后以MPEG-2的编码方式封装成TS传输流传输给切片服务器。切片服务器对编码后的音视频数据流进行相同时间跨度的切片，每个切片都有一个唯一的索引文件名。用户通过索引文件名就可以进行下载、跳播和文件无缝拼接，最终组成完整的音视频文件。分发服务部分主要包括一台请求响应服务器，它的功能类似于网关服务器，实时响应不同用户的文件访问请求，然后在切片服务器中进行检索，并将检索后的文件通过
HTTP协议向用户端传输。终端用户主要根据需求及具体网络状态向服务器端发起文件访问请求，并且接收返回的音视频文件，同时在终端设备上对返回的视频流进行拼接，使用户看到连续的视频流播放结果。HLS流媒体系统架构如图1所示。
    基于动态自适应流媒体技术的专网手机电视业务实现方式
      专网手机电视业务是指基于移动互联网，采用移动流媒体技术，在移动互联网上进行传输，向用户提供下行广播流媒体信号。它使用的频率仍为移动通信系统所在频率，典型技术包括MBMS、BCMCS等。
      一、业务模式。目前，通过动态自适应流媒体技术，专网手机电视可向用户提供的主要是两种典型业务。一是直播业务。直播业务一般应用场景为现场直播，比如演唱会、大型比赛等对实时传播要求较高的大型活动。在这种情况下，直播好比在线转码服务，通过设置在活动现场的直播设备，自动将音视频转码在网络上进行传播，使用的协议包括实时流（RTSP）协议等。二是点播业务。点播业务一般是指将某些音视频节目通过不同码率预先进行编码，然后存储在CDN服务器等设备上，终端用户在设备上通过EPG节目信息进行选择并播放。
      二、业务流程。目前，在IPTV、互联网电视机等新兴业务中，一个显著的趋势就是内容为王，谁掌握了丰富的内容，谁能制作出高质量的产品，谁就能占领市场。专网手机电视业务也符合这一特点，
所以该业务的主要流程就是内容制作、计费、传输分发、播放的流程。
      （一）内容制作。专网手机电视内容的制作与电台、电视台等传统媒体有较大区别，专网手机电视属于移动多媒体业务，它制作特点主要体现在该类型的媒体是流媒体文件，内容的制作是对流媒体文件的制作。所以在内容制作过程中，要符合流媒体文件的一些特点，运用多种的码率以适应多种不同的传输环境。它包括在线编码直播与离线编码下载两种方式。
      （二）计费。计费与分发传输系统环节包括两方面内容，计费方面类似于CAS/SMS系统，主要是对用户进行身份确认、划款及用户管理等内容，需要与银行、运营商等多个方面进行关联，这部分的安全级别最高。
      （三）传输分发。在传输分发环节，主要是对在线和离线流媒体内容资源进行管理，并根据用户订阅要求进行分发传输，经常需要部署数据库服务器、CDN服务器等，在服务出口端，还需要对接电信运营商，通过出口网关进行传输，是整个移动多媒体系统中投资最大的一个环节。
      （四）播放。专网手机电视的播放终端现阶段主要包括手机及平板电脑等，用户可以根据网络环境和经济情况有选择的通过WIFI、GPRS网络等不同方式在线或下载欣赏流媒体内容。
      从上述分析可以看出，虽然专网手机电视无线接收的天然属性非常容易受到无线环境的影响，当
接收信号是来自不同方向的发射信号矢量的叠加时，会产生多径效应。如果信号的延时扩展大于发送信号的符号周期时，信号将产生频率选择性衰落和码间串扰，导致接收信号质量下降。但动态自适应流媒体技术的使用，有效地提升了用户的收看体验，为专网手机电视业务的发展提供了技术保障。
    动态自适应流媒体关键技术
      一、文件切片策略。原始音视频文件经过编码器编码后成为TS传输流，因此对文件的切片主要是对TS传输流的切片，TS传输流可以进行截取和分割，每一部分都能独立进行传输和播放。每个切片的时间跨度一致。同时，在切片过程中利用时间切片技术类似于文件的索引目录，保证用户端依据目录就可以顺序进行播放，保证文件的连续性。流媒体文件的切片时长确定需要考虑的因素主要有两个方面：一是切片时间较长。产生的问题主要会导致切换速度较慢，不能及时响应网络状态的变化情况。当网络状态变差时，画面会出现静帧、马赛克等播放卡顿，在网络状态迅速改善的情况下，不会及时向用户传输高码率的音视频节目，客户端不能在第一时间获得最佳的用户体验。二是切片时间较短。可以更快的适应网络状态的变化，能够更及时的做出响应，适合高速铁路、动车、地铁等移动频繁的场合使用，但这种较短的切片时长会导致估计网络带宽状态不够精确。
      二、媒体多码化率。实现同一个音视频文件多种码率是通过对视音频文件以不同分辨率、不同帧率、不同量化编码来实现的。在同一网络中网络状态动态变化时，可以在保障音视频节目分辨率相同的情况下动态选择量化参数低的版本，不会降低用户的观看效果。
      三、自适应算法。动态自适应流媒体技术的主要特点是可以有效地匹配网络状态，针对相同的音视频文件流媒体服务器会预先进行多个不同码率的编码，而且可以根据网络环境的变化实时动态地进行不同码率之间无缝切换。另一方面，作为终端用户也可以根据自身情况主动选择不同码率的节目进行播放。
    结语
      动态自适应流媒体技术能够适应网络带宽的变化，保证用户流畅的视频体验。通过将动态自适应流媒体技术应用到专网手机电视业务中，能根据网络变化情况动态调整视频质量级别，有效提升专网手机电视用户的体验质量。对于应对三网融合，互联网电视等技术的发展同样具有重要的作用。
    (作者单位：国家新闻出版广电总局监管中心)

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