一種針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的流媒體實(shí)驗(yàn)床構(gòu)建方案

高子航

【摘要】? ? 由于5G存在大帶寬、高可靠、低時(shí)延、密集連接等諸多顯著特性，對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與應(yīng)用進(jìn)行性能評(píng)測時(shí)，通常需分析諸多指標(biāo)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。而目前針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)床構(gòu)建方式單一，測試鏈路速率低且端主機(jī)平臺(tái)受限，難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的精準(zhǔn)評(píng)測。流媒體作為5G生態(tài)下的典型應(yīng)用，因此針對(duì)此類場景，設(shè)計(jì)了一種面向5G環(huán)境的流媒體實(shí)驗(yàn)床。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)床可為5G流媒體業(yè)務(wù)提供有效的網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境，且能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的準(zhǔn)確評(píng)估。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G? ? 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)床? ? 流媒體

引言

隨著第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)的不斷發(fā)展，新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用服務(wù)也隨之層出不窮[1]。因此，如何對(duì)5G技術(shù)下的新型協(xié)議和應(yīng)用進(jìn)行準(zhǔn)確有效地評(píng)測，是目前通信領(lǐng)域亟待解決的一個(gè)問題[2]。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)測方式主要以實(shí)測和仿真兩種環(huán)境進(jìn)行[3]。其中基于實(shí)測環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)評(píng)測，在5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接密集的特性下，實(shí)驗(yàn)代價(jià)昂貴且難以重現(xiàn)，不利于測試數(shù)據(jù)的后續(xù)分析;而基于仿真環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)評(píng)測，由于測試條件過于理想化，通常不能準(zhǔn)確反映網(wǎng)絡(luò)實(shí)際性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果缺乏一定信服度。

文獻(xiàn)[4]構(gòu)建了車載自組網(wǎng)（vehicular Ad-Hoc network，VANET）下的5G流媒體系統(tǒng)，并通過ndnsim模塊對(duì)流媒體緩存和轉(zhuǎn)發(fā)策略進(jìn)行仿真，但其測試環(huán)境僅限于特定框架，流量控制方式不具備多樣性。

文獻(xiàn)[5]利用滑模控制（Sliding Mode Control， SMC）實(shí)現(xiàn)一種P2P-TV流媒體節(jié)點(diǎn)上行速率控制算法，可在流媒體業(yè)務(wù)運(yùn)行期間維持系統(tǒng)資源的公平利用，但未針對(duì)該模型進(jìn)行全鏈路監(jiān)測，不利于后期的快速測試與實(shí)地部署。

針對(duì)目前5G流媒體系統(tǒng)測試不便等問題，通過綜合考慮實(shí)測和仿真兩類網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)測方式的不足，設(shè)計(jì)了一種面向5G環(huán)境的流媒體實(shí)驗(yàn)床。該方案通過搭載至Linux操作系統(tǒng)的端主機(jī)，構(gòu)建有效的5G流媒體業(yè)務(wù)測試環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)流媒體業(yè)務(wù)下對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的準(zhǔn)確評(píng)估。通過在一定鏈路速率下對(duì)系統(tǒng)終端進(jìn)行測試，可驗(yàn)證本方案在真實(shí)環(huán)境中正確可行，且能夠?qū)崿F(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的流量控制。

一、5G流媒體實(shí)驗(yàn)床架構(gòu)

5G流媒體實(shí)驗(yàn)床架構(gòu)由視頻采集編碼模塊、流媒體服務(wù)器模塊和流媒體客戶端模塊三部分組成。其中由視頻采集編碼模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)視頻流的獲取和處理，可在運(yùn)行功能上分為兩部分，分別為視頻流接入和H.264編碼。5G流媒體實(shí)驗(yàn)床整體架構(gòu)如圖1所示。

視頻采集編碼模塊中的兩部分分別占用單獨(dú)線程進(jìn)行處理，因此可保證在獲取視頻流之后，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)圖像進(jìn)行H.264編碼，并將處理結(jié)果（圖像數(shù)據(jù)）存入臨時(shí)緩沖區(qū)。通過對(duì)視頻流的原始圖像信息進(jìn)行采集，采集到的每一幀圖像都會(huì)被編碼器進(jìn)行H.264編碼處理。編碼器通過調(diào)用編碼函數(shù)后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到臨時(shí)緩沖區(qū)中等待流媒體服務(wù)器模塊調(diào)用。

流媒體服務(wù)器模塊可通過指針調(diào)用臨時(shí)緩沖區(qū)中的編碼數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)成功接收時(shí)，該模塊首先對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)通過后將H.264數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，采用實(shí)時(shí)流媒體協(xié)議（RTSP， Real Time Stream Protocol）將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)封裝成實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTP， Realtime Transport Potocol）數(shù)據(jù)包[6]，同時(shí)將控制信息以實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議（RTCP， Realtime Transport Control Potocol）進(jìn)行封裝。RTSP協(xié)議棧架構(gòu)如圖2所示。

流媒體客戶端模塊可向流媒體服務(wù)器模塊發(fā)送Options請(qǐng)求報(bào)文，并等待流媒體服務(wù)器響應(yīng)。流媒體服務(wù)器對(duì)此報(bào)文進(jìn)行響應(yīng)后，客戶端會(huì)向服務(wù)器端發(fā)送Describe請(qǐng)求報(bào)文和Setup請(qǐng)求報(bào)文。當(dāng)服務(wù)器接收這些報(bào)文，可成功建立服務(wù)器與客戶端之間的連接，同時(shí)客戶端可對(duì)服務(wù)器進(jìn)行推送。一旦連接建立成功，客戶端就能夠向服務(wù)器發(fā)送Play請(qǐng)求，請(qǐng)求服務(wù)器對(duì)客戶端進(jìn)行RTSP數(shù)據(jù)推送。在對(duì)該請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)后，服務(wù)器便會(huì)進(jìn)行RTP和RTCP的推送。推送完成后，客戶端和服務(wù)器通過Turndown報(bào)文結(jié)束連接。

二、仿真實(shí)驗(yàn)及分析

本研究共設(shè)置3個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)h1、h2、h3，1個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)server，1個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)router，1個(gè)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)switch，以及一個(gè)代理節(jié)點(diǎn)proxy。其中h1負(fù)責(zé)對(duì)server進(jìn)行推流，而h2和h3則對(duì)server發(fā)送Play請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)視頻流的訂閱。5G流媒體實(shí)驗(yàn)床的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，h1節(jié)點(diǎn)已成功將視頻流推送至server節(jié)點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像進(jìn)行H.264編碼，完成臨時(shí)緩沖區(qū)的存儲(chǔ)。隨后可觀察到h2與h3節(jié)點(diǎn)已成功訂閱h1推送至服務(wù)器的視頻流，并保證RTSP單流的吞吐量穩(wěn)定在384kb/s左右，主機(jī)節(jié)點(diǎn)吞吐量統(tǒng)計(jì)以及實(shí)時(shí)播放顯示如圖4與圖5所示。

三、結(jié)束語

本研究基于RTSP應(yīng)用協(xié)議，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的流媒體實(shí)驗(yàn)床。該方案通過搭載至Linux操作系統(tǒng)的端主機(jī)，構(gòu)建有效的5G流媒體業(yè)務(wù)測試環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)流媒體業(yè)務(wù)下對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的準(zhǔn)確評(píng)估。通過在一定鏈路速率下對(duì)系統(tǒng)終端進(jìn)行測試，可驗(yàn)證本方案在真實(shí)環(huán)境中正確可行，且能夠?qū)崿F(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的流量控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)床可為5G流媒體業(yè)務(wù)提供有效的網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境，且能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的準(zhǔn)確評(píng)估。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[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] 楊芫， 徐明偉， 陳浩. 5G/后5G部署對(duì)互聯(lián)網(wǎng)主干影響的分析與建模[J]. 通信學(xué)報(bào)， 2019， 40（8）： 36-44.

[3] 蘇成龍， 金光， 張超. 多系統(tǒng)高速網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)床構(gòu)建與檢測技術(shù)研究[J]. 無線通信技術(shù)， 2016， 25（1）： 32-36.

[4] 曹騰飛， 江翠麗， 劉志強(qiáng)， 等. 基于信息中心5G車聯(lián)網(wǎng)中社會(huì)感知的流媒體緩存與轉(zhuǎn)發(fā)策略[J]. 電信科學(xué)， 2019， 35（12）： 90-98.

[5] 尹鳳杰， 楊暉， 張穎. P2P-TV 流媒體系統(tǒng)魯棒自適應(yīng)速率控制算法及仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2019， 31（1）： 120-125.

[6] 王超，王昊京. 基于RTSP服務(wù)器的望遠(yuǎn)鏡流媒體實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程， 2020（05）： 143-145.