李峰

（中央廣播電視總臺(tái)技術(shù)局通信運(yùn)行部 北京市 100000）

1 概述

傳統(tǒng)視頻會(huì)議系統(tǒng)在基于企業(yè)內(nèi)部專線傳輸時(shí)，由于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)帶寬高、線路穩(wěn)定性高，使得會(huì)議音視頻質(zhì)量能夠得到有效保證，目前市場(chǎng)主流產(chǎn)品技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)4K 分辨率的編解碼傳輸。而在公共網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，由于網(wǎng)絡(luò)具有不穩(wěn)定性，使得音視頻效果無法保證，甚至出現(xiàn)會(huì)議中斷的可能性。這一問題必須得到有效解決，否則會(huì)嚴(yán)重限制視頻會(huì)議的應(yīng)用與發(fā)展，目前已經(jīng)有很多技術(shù)手段來改善這一問題，使得會(huì)議能夠正常進(jìn)行并盡可能提高音視頻傳輸質(zhì)量。

2 主流網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性技術(shù)

由于公共網(wǎng)絡(luò)的帶寬一般具有不穩(wěn)定性，例如公共場(chǎng)所Wi-Fi和4G 移動(dòng)信號(hào)，隨著Wi-Fi 熱點(diǎn)或移動(dòng)基站覆蓋范圍內(nèi)接入人數(shù)的升高而網(wǎng)速變慢甚至中斷，網(wǎng)絡(luò)傳輸出現(xiàn)丟包、延時(shí)或抖動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致視頻會(huì)議出現(xiàn)聲音斷斷續(xù)續(xù)、聲畫不同步、視頻卡頓、馬賽克等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)影響會(huì)議正常進(jìn)行甚至?xí)h中斷。

視頻會(huì)議系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性就是評(píng)估系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不穩(wěn)定的情況下，實(shí)現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定和高質(zhì)量音視頻傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力。包括抗丟包處理機(jī)制、提高視頻編碼效率、動(dòng)態(tài)帶寬調(diào)整、公共網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等。

在基于IP 網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，由于視頻會(huì)議為交互類應(yīng)用，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求很高，傳輸層TCP 協(xié)議由于強(qiáng)調(diào)可靠性，不保證實(shí)時(shí)性，所以適合信令數(shù)據(jù)的傳輸，但是不適合用來傳輸視頻會(huì)議媒體流數(shù)據(jù)。UDP協(xié)議，是無連接的傳輸層協(xié)議,優(yōu)點(diǎn)是延遲小、數(shù)據(jù)傳輸效率高，適合用來傳輸媒體流數(shù)據(jù)，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，可以容忍部分丟包。但是缺點(diǎn)也隨之而來，在網(wǎng)絡(luò)狀況不好時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟包和亂序的情況。RTP 協(xié)議（實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）基于UDP 協(xié)議并配合RTCP 協(xié)議以保證傳輸質(zhì)量，相對(duì)于UDP 協(xié)議，RTP 協(xié)議能夠在保證實(shí)時(shí)性的前提下，相對(duì)提高傳輸?shù)目煽啃?，但仍然存在丟包、亂序、抖動(dòng)等問題，需要再通過其他補(bǔ)償機(jī)制來改善這一問題。

2.1 丟包恢復(fù)機(jī)制

網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失，可結(jié)合前向糾錯(cuò)（FEC）、丟包重傳（ARQ）等機(jī)制來恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)包內(nèi)容。

2.1.1 FEC（前向糾錯(cuò)）機(jī)制

前向糾錯(cuò)編碼，是一種在數(shù)據(jù)編碼過程中增加冗余信息的編碼方法，通過發(fā)送冗余數(shù)據(jù)包，使得接收端在丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)包的情況下，無需發(fā)送端重傳數(shù)據(jù)包，即可通過冗余數(shù)據(jù)包自動(dòng)恢復(fù)丟失的內(nèi)容。編碼中冗余包數(shù)量越多，抗丟包能力越強(qiáng)，但隨之而來的問題是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)帶寬占用越大，所以應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬情況來合理選擇冗余倍數(shù)。

在視頻會(huì)議應(yīng)用中，音頻內(nèi)容的重要性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于視頻內(nèi)容。所以在網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的情況下，要放棄在對(duì)視頻數(shù)據(jù)包編碼時(shí)加入前向糾錯(cuò)機(jī)制，僅開啟音頻數(shù)據(jù)包的前向糾錯(cuò)機(jī)制，從而達(dá)到在占用較小網(wǎng)絡(luò)帶寬的情況下，顯著提高音頻媒體流的抗丟包能力。

2.1.2 ARQ 處理機(jī)制

自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ）是一種數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤控制方法，通過重發(fā)數(shù)據(jù)包來補(bǔ)償之前丟失的數(shù)據(jù)包，而這會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)開銷、增加傳輸時(shí)延。類似于TCP 協(xié)議的自動(dòng)重傳機(jī)制對(duì)于網(wǎng)絡(luò)帶寬占用太大，是不可行的，可能會(huì)更加降低音視頻質(zhì)量。但是利用自動(dòng)重傳機(jī)制的核心思想，通過對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的重傳，通過增加較少帶寬開銷和時(shí)延來換取更高的音視頻質(zhì)量，則是非常好的一種策略。

如何來確定何為關(guān)鍵數(shù)據(jù)，前文提到通過FEC 機(jī)制來提高音頻傳輸質(zhì)量，但是FEC 機(jī)制并不能適應(yīng)所有丟包的情況，當(dāng)丟包率過高時(shí)，F(xiàn)EC 機(jī)制也無法恢復(fù)丟失的音頻數(shù)據(jù)包，此時(shí)可將無法恢復(fù)的音頻數(shù)據(jù)包定義為關(guān)鍵數(shù)據(jù)，通過關(guān)鍵數(shù)據(jù)包重傳來解決這一問題。

視頻數(shù)據(jù)在傳輸過程中也會(huì)存在一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，可以利用自動(dòng)重傳機(jī)制來提高視頻質(zhì)量。視頻編碼一般基于H.264 協(xié)議，在H.264協(xié)議里定義了三種幀，I 幀為完整編碼幀，P 幀是只包含與之前I 幀差異部分的編碼幀，B 幀是參考前后幀進(jìn)行編碼的幀。其中I 幀起到最為關(guān)鍵的作用，在傳輸過程中，當(dāng)丟包率過高，完整編碼幀I幀數(shù)據(jù)包大量丟失，P 幀和B 幀無法通過參考幀編碼，會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間花屏現(xiàn)象，這時(shí)，需要通過ARQ 請(qǐng)求遠(yuǎn)端即時(shí)重發(fā)完整編碼I 幀，接收端在接收到I 幀后，刷新顯示后，花屏現(xiàn)象可立刻得到解決，從而提高視頻傳輸質(zhì)量。

2.2 丟包隱藏處理（PLC）機(jī)制

在音頻數(shù)據(jù)的傳輸過程中，如果對(duì)于丟失數(shù)據(jù)包不能通過丟包恢復(fù)機(jī)制進(jìn)行恢復(fù)，聲音就會(huì)斷斷續(xù)續(xù)，不流暢。這時(shí)需要進(jìn)行丟包隱藏處理，在一定程度上提高了音頻質(zhì)量。

PLC 機(jī)制的原理是通過當(dāng)前丟包前后的冗余信息來恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)傳輸中丟失的數(shù)據(jù)包。目前丟包隱藏方法主要有插入技術(shù)、基音波形替代技術(shù)等。

其中插入技術(shù)是指用一種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)包來替換丟失的數(shù)據(jù)包，常用的PLC 算法有插入包括：靜音插入、噪聲插入、包重復(fù)插入。這類方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但隱藏效果不是很大。

語音編碼算法主要分為波形編碼技術(shù)(如G.711)和參數(shù)編碼技術(shù)（如G.728），波形編碼抗丟包能力要高于參數(shù)編碼，當(dāng)出現(xiàn)丟包時(shí)，波形編碼通過恢復(fù)波形即可?；舨ㄐ翁娲夹g(shù)，是利用聽覺掩蔽效應(yīng)（在多種聲音存在的環(huán)境中，人耳僅對(duì)其中最高的聲音反應(yīng)敏感，其他相對(duì)微弱的聲音反應(yīng)不敏感），進(jìn)行丟包隱藏?；粼谡w語音中響度最高，通過檢測(cè)語音中基音的波形，用鄰近基音波形，填補(bǔ)波形丟失缺口，這種方法在丟包率不是很高的情況下能夠起到一定的隱藏效果。

2.3 抖動(dòng)消除機(jī)制

網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)是用來描述數(shù)據(jù)包最大延遲與最小延遲的時(shí)間差，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量越好，抖動(dòng)越小，而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，則會(huì)加劇網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間不一致，出現(xiàn)數(shù)據(jù)包亂序或重復(fù)，視頻會(huì)議中會(huì)出現(xiàn)畫面和聲音的卡頓。

通常采用緩沖技術(shù)來消除網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，基本原理是通過在接收方建立一個(gè)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)包到達(dá)接收端時(shí)首先在緩沖區(qū)暫存等待，等到數(shù)據(jù)包都到達(dá)緩存后再進(jìn)行播放，以此來消除抖動(dòng)。

2.4 提高編碼效率

由于公共網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性，盡量減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的依賴，是一種更為有效的方法，在視頻會(huì)議媒體流中，視頻數(shù)據(jù)占據(jù)了絕大多數(shù)帶寬資源，所以使用更為高效的視頻編碼算法是能夠大幅降低帶寬依賴的主要方法。

目前視頻會(huì)議的主流分辨率為720P、1080P、4K，主流的視頻編碼算法為H.264、H.265。采用H.264 編碼后的數(shù)據(jù)量只有MPEG4 的1/3，采用H.265 只有H.264 的50%，由于更先進(jìn)的視頻編碼算法，對(duì)于硬件設(shè)備的性能也要求較高，目前移動(dòng)終端均能實(shí)現(xiàn)H.264 編解碼，部分高端產(chǎn)品也能夠支持H.265 協(xié)議。

2.5 動(dòng)態(tài)帶寬適應(yīng)

動(dòng)態(tài)帶寬適應(yīng)是為了實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)帶寬條件下，在保證音視頻流暢的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)最佳音視頻效果。系統(tǒng)在視頻會(huì)議過程中實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)丟包情況，當(dāng)丟包率超過一定閾值時(shí)，自動(dòng)降低傳輸速度，以降低丟包率，保證音視頻傳輸流暢。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)情況好轉(zhuǎn)時(shí)，再自動(dòng)升高傳輸速率，在保證流暢的情況下提高音視頻質(zhì)量。

2.5.1 自動(dòng)升降速

在視頻會(huì)議呼叫建立時(shí)，系統(tǒng)會(huì)要求選擇呼叫帶寬，例如以2M 速率進(jìn)行呼叫。引入自動(dòng)升降速機(jī)制后，系統(tǒng)會(huì)在2M 以下，根據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)帶寬情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)傳輸速率以保證音視頻流暢傳輸。當(dāng)帶寬降低或升高時(shí)，動(dòng)態(tài)降低或升高畫質(zhì)和音質(zhì)。自動(dòng)升降速原理如圖1 所示。

圖1：自動(dòng)升降速原理

2.5.2 視頻轉(zhuǎn)音頻

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬非常差時(shí),判斷標(biāo)準(zhǔn)建議是低于128Kbps，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)條件已無法承載視頻內(nèi)容的穩(wěn)定傳輸，由于音頻內(nèi)容相對(duì)于視頻內(nèi)容更加重要，為優(yōu)先保障音頻流的傳輸，可將視頻會(huì)議自動(dòng)轉(zhuǎn)為音頻會(huì)議，通過放棄視頻內(nèi)容，保證會(huì)議的連續(xù)。

2.6 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境優(yōu)化

2.6.1 客戶端側(cè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境優(yōu)化

在同時(shí)存在Wi-Fi、4G、5G、專線等多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)，需要在會(huì)議前，分別測(cè)試各種網(wǎng)絡(luò)的帶寬、丟包、抖動(dòng)、延遲等參數(shù)，選擇穩(wěn)定性最高的鏈路進(jìn)行會(huì)議。判斷原則是在優(yōu)先保證帶寬的基礎(chǔ)上，選擇丟包率最小的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，其次考慮選擇抖動(dòng)、延遲等數(shù)據(jù)較好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2.6.2 服務(wù)端側(cè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境優(yōu)化

當(dāng)面向公共網(wǎng)絡(luò)提供接入服務(wù)時(shí)，由于終端接入并發(fā)數(shù)量可能較大，要保證服務(wù)端網(wǎng)絡(luò)出口帶寬的充足，做好服務(wù)器負(fù)載均衡，避免在服務(wù)端產(chǎn)生瓶頸影響會(huì)議效果。

3 網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展

網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性技術(shù)歸根結(jié)底，是對(duì)目前網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)不足的一種補(bǔ)償性技術(shù)，而隨著未來新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，將使得網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和穩(wěn)定性越來越高。

3.1 IPV6的發(fā)展

IPv6 是英文“Internet Protocol Version 6”（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6 版）的縮寫，是新一代IP 協(xié)議，用于替代IPv4 協(xié)議。IPv6 具備海量地址空間，解決了多種設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的障礙。我國(guó)不斷在推動(dòng)IPv6的全面部署和大規(guī)模商用。

IPv6 相對(duì)于IPv4，路由表更小。用一條記錄（Entry）表示一片子網(wǎng)，從而大幅減小路由表長(zhǎng)度，提高了路由器轉(zhuǎn)發(fā)速度。

IPv6 對(duì)于多媒體應(yīng)用提供良好的服務(wù)質(zhì)量（QoS，Quality of Service）控制，通過在IPv6 包頭使用“Flow Label”標(biāo)識(shí)媒體流包，供路由器識(shí)別，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)先處理。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，可以保證媒體流穩(wěn)定傳輸，對(duì)于多媒體應(yīng)用的重要性不言而喻。

3.2 路由器技術(shù)的發(fā)展

路由器是連接因特網(wǎng)中各局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的中樞設(shè)備。路由器的處理速度是目前網(wǎng)絡(luò)通信的主要瓶頸之一，其穩(wěn)定性與可靠性直接影響網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)馁|(zhì)量。未來不論是骨干網(wǎng)核心路由器，還是家庭用接入路由器，都將向更高的處理速度發(fā)展，整體互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸能力將不斷增強(qiáng)。

3.3 5G的發(fā)展

第五代移動(dòng)通信技術(shù)是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸相對(duì)于4G，能夠減少延遲、提高網(wǎng)絡(luò)帶寬。目前我國(guó)5G 已經(jīng)開始大規(guī)模商用，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，個(gè)人移動(dòng)終端基于5G 網(wǎng)絡(luò)接入視頻會(huì)議，音視頻效果可得到有效保證。目前6G也從概念階段轉(zhuǎn)向開發(fā)階段，6G 的傳輸能力可能比5G 提升100 倍，網(wǎng)絡(luò)延遲也可能從毫秒降到微秒級(jí)。

4 結(jié)語

視頻會(huì)議能夠有效提升工作效率，當(dāng)隨時(shí)隨地通過移動(dòng)終端召開視頻會(huì)議成為現(xiàn)實(shí)，將改變社會(huì)的生產(chǎn)生活方式。而目前的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)還存在不足，使得需要各種網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償技術(shù)來彌補(bǔ)。未來隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，公共網(wǎng)絡(luò)環(huán)境將變得更加穩(wěn)定和可靠，而視頻會(huì)議和其他多媒體應(yīng)用必將獲得更加長(zhǎng)足的發(fā)展。視頻會(huì)議本身也將會(huì)向更清晰的畫質(zhì)（4K8KVR）、更優(yōu)美的音質(zhì)、更多元的互動(dòng)、更智能的應(yīng)用幾個(gè)方向發(fā)展。