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1、實(shí)時(shí)流媒體是下一代網(wǎng)絡(luò)的主要傳輸對(duì)象,將極大地影響人們?nèi)粘I?。使用TCP傳輸實(shí)時(shí)流媒體具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況反應(yīng)迅速、TCP友好、易于為防火墻所接受、便于實(shí)現(xiàn)與維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也存在著發(fā)送速率無(wú)法自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)可用帶寬的波動(dòng)、TCP重傳易增加媒體包的延時(shí)抖動(dòng)和亂序等問(wèn)題,這些都大幅降低了實(shí)時(shí)流媒體的服務(wù)質(zhì)量。為解決上述問(wèn)題,本文從TCP實(shí)時(shí)流媒體傳輸性能分析、延時(shí)預(yù)測(cè)模型、自適應(yīng)傳輸策略及其應(yīng)用等方面開(kāi)展研究,取得的創(chuàng)新型研究成果如下。
2、 (1)TCP實(shí)時(shí)流媒體傳輸具有可接受播放性能的條件通過(guò)深入分析TCP實(shí)時(shí)流媒體傳輸過(guò)程,指出使用TCP在Internet上傳輸實(shí)時(shí)音頻時(shí),具有可接受播放性能的條件:TCP最大報(bào)文段的大小應(yīng)設(shè)置為單個(gè)語(yǔ)音幀的大小,但這將使得TCP的傳輸效率非常低下,不適用于Internet應(yīng)用。指出實(shí)時(shí)視頻傳輸具有可接受播放性能的條件:視頻幀的發(fā)送延時(shí)應(yīng)小于播放緩沖延時(shí)與網(wǎng)絡(luò)往返延時(shí)一半的差值。模擬結(jié)果表明了所指出條件的合理性。 (2)影響TC
3、P實(shí)時(shí)視頻端到端延時(shí)的關(guān)鍵因素通過(guò)推導(dǎo)和模擬實(shí)驗(yàn)剖析了實(shí)時(shí)視頻的端到端延時(shí),指出等待延時(shí)是實(shí)時(shí)視頻端到端延時(shí)的主要構(gòu)成,發(fā)送延時(shí)則是影響端到端延時(shí)的關(guān)鍵因素,提出可以通過(guò)減少等待延時(shí)和減少發(fā)送延時(shí)的方式,來(lái)減少視頻幀端到端延時(shí)抖動(dòng)。由于發(fā)送延時(shí)由TCP協(xié)議棧管理,應(yīng)用程序無(wú)法對(duì)其進(jìn)行控制,提出了一種對(duì)發(fā)送延時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)判斷的方法:預(yù)測(cè)視頻幀的發(fā)送延時(shí),若發(fā)送延時(shí)不滿足實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)臈l件,則選擇性丟棄該視頻幀,從而確保了所有被傳輸?shù)囊曨l幀都
4、具有較小的發(fā)送延時(shí)。模擬結(jié)果表明使用該方法可以有效減少實(shí)時(shí)視頻的端到端延時(shí)。 (3)兩種實(shí)時(shí)視頻發(fā)送延時(shí)預(yù)測(cè)模型針對(duì)Internet上兩種使用最為廣泛的路由器丟包機(jī)制,即尾部丟包(DropTail)和隨機(jī)早期丟包(RED)機(jī)制,分別建立了兩種實(shí)時(shí)視頻發(fā)送延時(shí)預(yù)測(cè)模型。 1)分階隨機(jī)預(yù)測(cè)模型。從微觀角度分別考慮視頻幀在傳輸過(guò)程中處于TCP各個(gè)階段的概率,特別是DropTail機(jī)制下易出現(xiàn)的慢開(kāi)始和RTO階段,以幀大小、丟包
5、率、擁塞窗口大小、網(wǎng)絡(luò)往返時(shí)間和TCP初始重傳計(jì)時(shí)器時(shí)間作為輸入?yún)?shù),以視頻幀發(fā)送延時(shí)的期望值作為預(yù)測(cè)值。 2)遞階式馬爾科夫預(yù)測(cè)模型。從宏觀角度將RED機(jī)制下整個(gè)傳輸過(guò)程的擁塞窗口變化作為一個(gè)離散時(shí)間離散狀態(tài)的馬爾科夫鏈;設(shè)計(jì)了一個(gè)遞階式馬爾科夫預(yù)測(cè)算法,算法以窗口大小、網(wǎng)絡(luò)往返時(shí)延和丟包率作為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣函數(shù)的輸入?yún)?shù),以擁塞窗口大小作為增益矩陣函數(shù)的輸入?yún)?shù),以各個(gè)狀態(tài)擁塞窗口大小之和大于等于視頻幀大小為遞階結(jié)束條件,對(duì)視
6、頻幀發(fā)送延時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)。 模擬結(jié)果表明兩種模型的預(yù)測(cè)精度符合要求,預(yù)測(cè)值可以被用于視頻幀的預(yù)測(cè)判斷方法中。 (4)兩種實(shí)時(shí)視頻自適應(yīng)傳輸策略從減少等待延時(shí)和發(fā)送延時(shí)入手,建立了兩種實(shí)時(shí)視頻自適應(yīng)傳輸策略: 1)基于多緩沖區(qū)調(diào)度的自適應(yīng)策略。設(shè)計(jì)了一個(gè)多緩沖區(qū)調(diào)度模型,通過(guò)建立一個(gè)具有延時(shí)級(jí)別的應(yīng)用層發(fā)送緩沖區(qū),對(duì)實(shí)時(shí)視頻幀在該緩沖區(qū)、TCP發(fā)送緩沖區(qū)和播放緩沖區(qū)之間進(jìn)行調(diào)度,使用基于緩沖區(qū)延時(shí)級(jí)別的選擇性丟棄視頻幀
7、的方法,將所有視頻幀的等待延時(shí)減少為最大僅為編碼延時(shí)的兩倍,同時(shí)根據(jù)丟棄率的變化對(duì)視頻幀率和播放緩沖大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。 2)基于發(fā)送延時(shí)預(yù)測(cè)模型的自適應(yīng)策略。在視頻幀被發(fā)送以前,首先利用發(fā)送延時(shí)預(yù)測(cè)模型對(duì)發(fā)送延時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè),然后使用預(yù)測(cè)判斷的方法,對(duì)達(dá)不到可接受播放性能的視頻幀進(jìn)行選擇性丟棄,確保了所有被傳輸?shù)囊曨l幀都具有較小的發(fā)送延時(shí),并將所有視頻幀的等待延時(shí)減少為最大僅為編碼延時(shí)的一倍,同時(shí)以丟棄率為約束條件對(duì)視頻幀率和播放緩
8、沖大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。 模擬結(jié)果表明,與直接使用TCP或UDP傳輸相比,兩類自適應(yīng)策略都能夠大幅度減少端到端延時(shí)抖動(dòng),并使得發(fā)送速率自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況,有效避免關(guān)鍵幀的丟失?;诎l(fā)送延時(shí)預(yù)測(cè)模型的策略在減少端到端延時(shí)上具有更好的性能,但要求預(yù)知瓶頸路由器的丟包機(jī)制。 (5)自適應(yīng)傳輸策略在基于3G的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)采用自適應(yīng)傳輸策略,利用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法、IO完成端口、原始套接字和TCP防火墻穿透等技術(shù),設(shè)計(jì)并實(shí)
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