一种控制网络数字电视节目组播发送速率的方法.pdf

本发明是一种组播环境下网络数字电视节目发送速率控制方法。本发明提出一种新的网络自适应的适用于Internet DTV服务器的组播发送速率控制方法。具体做法是先使用TFMCC探测出具有TCP友好特性的网络带宽，然后基于缓冲区的数据占有情况动态地计算出可以保证缓冲区不溢出的发送速率上、下界，最后将网络可用带宽和发送缓冲区中的数据占有率情况相结合，实现一种能根据网络状况自适应的速率控制算法。本方法具有如下优点1.根据网络状况自适应调节发送速率，能对拥塞做出反应；2.流发送速率具有良好的平滑性，适于传输多媒体流；3在组播环境中，能够可靠的抑制反馈内爆。

1、  一种控制网络数字电视节目数据组播发送速率的方法，其特征在于先使用TFMCC探测出具有TCP友好特性的网络带宽，然后基于缓冲区的数据占有情况动态地计算出可以保证缓冲区不溢出的发送速率上、下界，最后将网络可用带宽和发送缓冲区中的数据占有率情况相结合，根据网络状况实现自适应的发送速率控制。

2、  根据权利要求1所述的方法，其特征在于使用TFMCC探测出具有TCP友好特性的网络可用带宽的算式如下：
T TCP = s RTT × ( 2 p 3 + ( 12 3 p 8 ) p ( 1 + 32 p 2 ) ) - - - ( 1 ) ]]>
其中，T_TCP是由指定接收方计算出的被期待的发送数据流，p是稳态的丢失事件率，RTT是往返时间，s是分组大小。

3、  根据权利要求2所述的方法，其特征在于丢失事件率p的计算如下：
(1)通过历史信息计算每个丢失事件的丢失事件间间隔；
(2)如果没有丢失事件，则丢失率为0；
(3)计算平均丢失间隔；
(4)计算平均丢失间隔的倒数，得到丢失事件率。

4、  根据权利要求2所述的方法，其特征在于往返时间RTT测量分两部分：
(1)当发送方数据包携带有接收方自身的ID标识时，RTT＝ts_Bow-ts_r，其中ts_now表示数据分组到达接收方的时刻，ts_r表示反映在数据分组中的接收方报告时戳，计算得出的RTT根据历史信息进行平滑；
(2)否则，进行单向调整，在步骤(1)中计算RTT的同时，计算接收方到发送方的时间；此时，计算出发送方到接收方的时间；两者之和就是需要的RTT估计。

5、  根据权利要求1所述的方法，其特征在于根据缓冲区的数据占有情况动态地计算保证缓冲区不溢出的发送速率上、下界，采用下述分段幂函数：


其中，V为输入发送缓冲区的数据速率，B为发送缓冲区的长度，b为当前的发送端缓冲区占有率，发送方间隔性传输数据，ΔT为传输间，Xmax为发送速率上界，Xmin为发送速率下界，0＜br_ef1＜0.1，0.3＜b_ref2＜0.5，0.7＜b_ref3＜1，r为可调参数。

6、  根据权利要求5所述的方法，其特征在于各参数取值为：V＝512kBps，Δt＝5ms，B＝4Mbytes，b_ref1＝0.05，b_ref2＝0.40，b_ref3＝0.75，γ＝0.7。

7、  根据权利要求1所述的方法，其特征在于将网络可用带宽和发送缓冲区中的数据占有率情况相结合，根据网络状况实现自适应的发送速率控制的算式如下：
如果X_min＜T_TCP×Δt＜X_max，
则X＝T_TCP×Δt，
否则，如果T_TCP×Δt≥X_max.
则X＝X_max.
否则，X＝X_min.

一种控制网络数字电视节目组播发送速率的方法
技术领域
本发明属于网络流媒体速率控制技术领域，具体涉及一种具有网络自适应特性的网络数字电视节目组播发送速率控制方法。
背景技术
目前，网络多媒体技术的不断发展使得在Internet上收看实时视频流成为可能。互联网上的媒体流化是指将媒体内容通过网络传送至客户端，并且媒体所采用的编码技术使得媒体的下载和播放可以同时进行。流媒体的传输质量与网络端到端传输的可用带宽、传输延迟和数据包的丢失率等密切相关。由于流媒体的主要特性在于“边下载边播放”，因此，它具有很强的时间敏感性，传输的延迟和抖动都会影响其服务质量。由于目前的Internet之提供“尽力而为“的服务机制，不能保证端到端的服务质量，因此，数据源需要适应网络的实际状况来调整其输出速率，尽量减少其在网络中的丢包率，高效的利用网络，从而使得客户端获得协定的服务质量。与普通的数据传输比较起来，流媒体的传输控制具有更大的难度。
根据不同的应用需求，流媒体的传输可以划分为两类：单点对单点的单播传输和单点对多点的组播传输。以IP组播方式传输流化媒体，存在着数据包丢失、乱序、可变带宽、可变时延等许多问题。由于IP组播是基于UDP传送数据流的，如果不对组播的流量进行控制，将对网络产生不利影响：1当流量超过网络传输能力时，导致网络拥塞崩溃；2和其它自适应流进行不公平竞争。Internet的稳定性和可靠性主要是依靠其端到端的拥塞控制。这种机制的有效性依赖于两个基本的假设：即所有(或者几乎所有)的流都采用了拥塞控制机制；并且要求这些流采用的机制是同质的或者大体上相同即在相似的环境下按可比条件(丢包率、RTT)不会占用比TCP流更多的带宽，也即是TCP友好的(TCP-FRIENDLY)流。为使IP网保持稳定可靠，在IP网上传输的非TCP流应该具有TCP友好性。
在多媒体数据业务的应用中，组播数据流采用了多种拥塞控制策略，有TCP友好的拥塞控制算法，也有非TCP友好的拥塞控制算法。目前，对于一般数据流的基于端系统的组播拥塞控制策略，主要有两大类算法：在源节点端采用基于速率的拥塞处理机制和基于窗口的控制策略。
1、基于传输速率的控制策略
根据反馈信息动态的调节传输速率，保持源节点以低于设定值的恒定速率向网络发出数据流，或保持数据发送的平均速率低于设定值，同时增加第二个参数，对突发数据流进行控制，从而达到TCP友好。算法根据TCP吞吐量模型动态地、平滑地调整发送速率，较好的适用于持续的多媒体流。它的重点放在速率调整机制上，以保证和TCP流或其他流进行公平竞争。
2基于窗口的组播控制策略
在单播中将未确认的数据包的总长度控制在设定的窗口容量以下，对于组播，窗口的含义以及控制策略的实施将变得非常复杂。在一个源节点对多个接收者的组播中，源节点的发送速率是相同的，而不同的接收者其窗口的容量却是不同的。为避免发生不必要的资源节点浪费，得到尽可能好的传输效果，每个接收者的窗口容量要分别设定。因此，控制算法最好对每个接收方未确认的数据包数量分别进行监视和控制，其复杂度随着接收者数量的增加呈线性增长。
基于MPEG-2地数字电视(DTV)应用越来越普遍，成为目前信息技术和媒体产业的一个热点。MPEG-2定义了两种数据多路复合格式：传送流(Transport Stream：TS)和节目流(Program Stream：PS)。用于数字电视的主要是TS格式。MPEG-2系统部分定义的TS流格式，TS流是由一系列TS包组成的数据流，每包有188个字节，其中包含包头和负载，用于运载MPEG-2视频和音频数据。DTV数据率一般为4～6Mbps，由于数据量较大，又有实时性的要求，因此对网络传输的要求较高。在实际的网络中，TS并不是直接打成IP包传输的，而是通过合适的传输协议打包后传输的。由于TCP需要较多的开销，故不太适合传输实时数据。在流式传输的实现中，一般用RTP(Real Time Protocol)/UDP(UserDaragram Protocol)来传输实时多媒体数据。
TS通常是变比特流(Variable Bit Rate：VBR)视频流，在相同时间里编码比特率与帧结构和视频内容有关。如果不采用合适的速率控制算法而直接将数据发送到网络上，必然造成网络流量的上下波动，增加数据丢失的可能性。因为视频编码本身的一些基本压缩技术，如MPEG-1/2/4标准中的变字长编码和时域预测等，即使一个比特的误码或者丢失，也会影响到其所在的帧甚至紧接着的数帧，导致视频图像中大片错误，造成主观视觉质量严重下降。因此，采用合理的发送速率控制策略，充分利用网络的带宽，尽可能平滑地将数据发送到网络上去，减少数据丢失是流媒体应用中一个关键的问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能自适应网络状况来控制网络数据电视节目数据组播发送速率的方法，使流的发送具有良好的平滑性，从而提高播放质量。
本发明提出的控制网络数字电视节目数据组播发送速率的方法，具体步骤是先使用TFMCC探测出具有TCP友好特性的网络带宽，然后基于缓冲区的数据占有情况动态地计算出可以保证缓冲区不溢出的发送速率上、下界，最后将网络可用带宽和发送缓冲区中的数据占有率情况相结合，实现一种能根据网络状况自适应的速率控制算法。其模块图如图1所示，下面分别详述各部分的具体内容。
1、基于TFMCC的网络带宽探测机制
基于单速率的TCP友好组播拥塞控制协议(TCP-Friendly Multicast Congestion Control：TFMCC)是一种基于基于传输速率的组播速率控制算法。在Internet环境中，当检测到网络发生拥塞时，组播发送方将根据最差接收者提出的发送速率来发送数据，并随时根据网络状况来调节发送速率，这样的拥塞控制实现起来相对简单，保证了TCP友好性。采用该方法，可以计算出网络期望的最优发送速率T_TCP，计算公式如下
T TCP = s RTT × ( 2 p 3 + ( 12 3 p 8 ) p ( 1 + 32 p 2 ) ) - - - - ( 1 ) ]]>
其中，T_TCP是接收方期待的发送数据流，p是稳态的丢失事件率，RTT(ROUND-TRIPTIME)是数据分组在网络中的往返时间，s是分组大小。在(1)式中，参数RTT和p是起决定性作用的，分组丢失率p的计算应该在接收端进行；而参数RTT既可以在接收端计算，也可以在发送端进行计算。丢失事件率p的计算如下
(1)通过历史信息计算每个丢失事件的丢失事件间间隔。对于每个丢失事件，计算其包含的丢失包的个数，即为其丢失事件间间隔。
(2)如果没有丢失事件，则丢失率为0。
(3)计算平均丢失间隔。为了照顾变化的平滑以及对网络状况突然变化反映的敏捷性，采取加权平均。
(4)计算丢失事件率，即为平均丢失间隔的倒数。
RTT测量分两部分：
(1)当发送方数据包携带有接收方自身的ID标识时，有足够的参数计算RTT，公式为：RTT＝ts_now-ts_r。其中tsz_now表示数据分组到达接收方的时刻，ts_r表示反映在数据分组中的接收方报告时戳，计算得出的RTT还要根据历史信息进行平滑。
(2)否则，必须进行单向调整，也就是说，RTT测量分两个方向，在不同时段内做。在前述步骤1中计算RTT的同时，计算接收方到发送方的时间。此时，可以计算出发送方到接收方的时间。两者之和就是需要的RTT估计。
为避免组播引起的网络内爆，并不是所有的接收方都可以发送反馈报告。在每个反馈周期中，只有那些计算速率X_r低于当前反馈抑制速率X_supp的，或者其RTT大于当前发送分组中R_max域的接收者才可以发送反馈报告。反馈周期为6倍的R_max。每个反馈周期开始的时候，反馈抑制速率被设为可能的最大值。在反馈周期过程中，反馈抑制速率逐渐减小，所以越来越多的反馈被抑制。当本周期当前速率最低报告者CLR(CurrentLimiting Reporter：CLR)的反馈到达发送方的时候，X_supp就减小到X_supp＝(1-g)×X_r。g是决定反馈抑制速率程度的计算因子。这里采用g＝0.1。
为了使接收者能够抑制自己的反馈，发送方的抑制速率必须在接收到反馈的时候不断进行更新。该抑制速率通过数据包携带或发送单独的拥塞控制包方式被及时传递到接收方那里。经过T时间后，如果接收到非CLR反馈，那么反馈周期就结束了。否则，反馈周期当非CLR反馈经过2T的时间才到达接收方，反馈周期这才结束。反馈周期计数增1，抑制速率重新设为最大值。
接收方通过对发送方的数据包中最新反馈周期ID与当前ID比较，看是否是新的反馈周期到达。需要考虑回绕的情况。在反馈周期开始的时候，要保存抑制速率。对于CLR，每RTT时间发送一个反馈，没有任何抑制；对于非CLR的反馈，采取相应的反馈机制，以防止内爆。
(a)在新反馈周期开始时，为每个接收方产生一个随机的反馈发送延时。
(b)当前接收方的速率大于等于抑制速率或者抑制速率小于等于抑制速率或者RTT大于等于max_rtt时，取消反馈包的发送
如果新的反馈周期来临，取消所有老的、未发出去的反馈包
TFMCC实现步骤如下：
(1)每个接收方都测量分组丢失率p。
(2)接收方测量或估计它对于发送方的RTT。
(3)接收方根据p和RTT，计算出它可以接受的传输速率T_TCP。
(4)接收方发送T_TCP给发送方。
(5)反馈抑制机制用来在确定从最慢接收者发送来的反馈报告已经到达发送方时阻止反馈内爆。
(6)发送方按照反馈信息调节发送方速率。
2控制网络数字电视节目组播发送速率的方法
Internet DT中的媒体流具有实时性的特点，因此适用于Internet DTV流媒体的组播速率控制机制必须要满足以下两个目标：(1)根据网络状况自适应调节发送速率，能对拥塞做出反应。(2)由于流的实时性，必须在一定的时间延迟内将媒体流发出去，确保发送方缓冲区不上溢，接收方能够实时的播放节目。
(1)问题的分析
我们可以利用一个简单的模型来分析问题。如图2所示：
在一定的时间粒度以及足够大的缓冲区容量下，服务器端发送缓冲区的输入速率可以假设是匀速的，速率为V。Output端的写出速率和input端具有同样的性质。我们也假设其为恒速，速率为V(相当于MPEG2 TS流的码率)。网络通道的带宽是不恒定的，会受到其他流量的干扰以及通道自身的带宽波动。我们可以计算出适合网络通道带宽需求以及拥塞限制的最佳传输速率，记为T_TCP。设服务器端发送缓冲区以及客户端接收的长度为B，当前的send buffer占有率为b。发送方间隔性传输数据，传输间隔记为ΔT。在send端计算当前最佳发送速率，首先必须考虑的限制条件是保证发送缓冲区不上溢和下溢，即满足0＜b＜1。因为发送方的发送间隔为Δt，所以必须发送缓冲区在ΔT时间内不溢出，X为我们所要解的满足要求的ΔT时间内需要发送的数据量，即满足：
0 < b + V × Δt - X B < 1 ]]>
0 < b - X B < 1 ]]>
在实现过程中，为了保证缓冲区不溢出的可靠性，选取两个阈值b_ref1(下阈值)、b_ref2(上阈值)。改变条件0＜b＜1为b_ref1＜b＜b_ref2。则
b ref 1 < b + V × Δt - X B < b ref 2 ]]>
b ref 1 < b - X B < b ref 2 ]]>
可以得到满足buffer不溢出的X为：
                      V×Δt-B×(b_ref2-b)＜X＜V×Δt-B×(b_ref1-b)
                             B×(b-b_ref2)＜X＜B×(b-b_ref1)
由此可确定X的取值范围为：        X_min＝V×Δt-B×(b_ref2-b)
                                        X_max＝B×(b-b_ref1)
(2)改进的网络自适应网络数字电视流组播发送速率控制方法
可以看到，前述的X_min以及X_max相对于b的一阶导数为B，所以对缓冲区的X_min以及X_max变化太过敏感，缓冲区的微弱变化都会造成发送速率比较大的波动，显然不利于mpeg媒体流的传输以及网络带宽的合理利用。因此，本发明采取一个分段幂函数来描述X_min以及X_max。在分段函数中采用幂函数来逼近X_min以及X_max的取值，是因为幂函数在具有简单性的同时，能获得较高的平滑性。选用的分段函数如下


其中，b_ref1(0＜b_ref1＜0.1)、b_ref2(0.3＜b_ref2＜0.5)、b_ref3(0.7＜b_ref3＜1)、γ为可调节的参数。通过这两个分段函数，可以在保证缓冲区不溢出的条件下，获得较好的速率平滑。图3是这两个函数的图形。这里采取的参数为：V＝512kBps，Δt＝5ms，B＝4Mbytes，b_ref1＝0.05，b_ref2＝0.40，b_ref3＝0.75，γ＝0.7。
确定了发送速率的取值范围以后，就可以结合基于TFMCC机制得到的T_TCP来确定适宜的发送流量X。具体算法如下：
                     如果X_min＜T_TCP×Δt＜X_max
                          X＝T_TCP×Δt
                     否则，如果T_TCP×Δt≥X_max
                          X＝X_max，
                     否则
                          X＝X_min。
附图说明
图1为本发明方法的模块图示。
图2为本发明方法的模型图示。
图3为缓冲区在Δt时间内发送速率的最大值Xmax和最小值Xmin的幂函数图示。
图4为本发明方法得到的速率曲线和直接由TFMCC计算出的速率曲线图示。
图5为本发明方法得到的速率曲线和Ts流本身的码率曲线图示。
图6为本发明方法得到的发送缓冲击占有情况图示。
图中标号：1为发送端，2为组播发送，3为网络，4为网络接收，5为拥塞监控，6为速度反馈，7为拥塞监控，8为发送速率监控，9为解码播放，10为服务器，11为网络通道，12为客户端接收缓冲区。
具体实施方式
根据上述原理，我们在基于纯软件实现的网络电视系统(电视台在服务器端实现，电视机在客户PC中实现)中使用了该方法，并在实际网络环境中进行了测试。设置参数分别为：V＝512kBps，Δt＝5ms，B＝4Mbytes，b_ref1＝0.05，b_ref2＝0.40，b_ref3＝0.75，γ＝0.7。有关部分实现流程如下。
服务器端：
(a)初始时，还没有任何反馈信息，T_TCP为0，根据缓冲区占有率b结合式(2)(3)计算出X_min和X_max，此时，取发送速率X＝X_min；同时按照TFMCC初始化数据包中的有关域。按照计算出的速率发送数据包。
(b)当接收到来自客户端的反馈信息后，
(i)立即处理反馈信息包，记录其到达服务器端的时刻，取出其中的T_TCP，并按照TFMCC的机制对某些反馈信息作回应处理，将回应信息写入即将发送的数据包的有关域中；
(ii)根据其中的T_TCP，同样参照缓冲区占有率b结合式(2)(3)计算出X_min和X_max。
                               如果X_min＜T_TCP×Δt＜X_max
                                    X＝T_TCP×Δt
                               否则，如果T_TCP×Δt≥X_max
                                    X＝X_max，
                               否则
                                    X＝X_min。
按照求得的速率X来发送数据。
(c)重复执行(b)，直到全部节目流发送完。
客户端：
(a)初始化处理。
(b)收到服务器端发出的数据包后，按照TFMCCC机制检查数据包的丢失情况，建立丢包纪录，进行RTT的测量，将有效数据提供解码使用。
(c)根据反馈抑制机制，判断自己是否能够发送反馈信息，如果能，则发送反馈信息；否则，取消反馈。
(d)重复执行(b)(c)，直至接收完全部数据。
测试结果曲线如图4、图5、图6所示。其中，图4对比了由本方法得出的速率曲线BufRate和直接由TFMCC计算出的速率曲线，可以看到，BufRate平滑了TFMCC的过度的抖动，同时，在网络拥塞时，速率也有一定的降低。图5对比了由本方法得出的速率曲线BufRate和TS流本身的码率曲线，可以看出，BufRate比TS速率更具有网络带宽的自适应特性。图6给出了由本方法得到的发送缓冲区占有情况，可以看出，服务器端发送缓冲区没有溢出情况。因此，使用本方法可以保证发送缓冲区既不会上溢也不会下溢，并且能够根据网络拥塞状况进行适当的速率调节，提高了网络电视节目流的传输质量。