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摘要：本文介紹了模擬信號、DVB數(shù)字信號和基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議3種直播信號傳輸技術(shù)方案，分析比較了SRT與WebRTC兩種傳輸協(xié)議，歌華有線應(yīng)用WebRTC協(xié)議完成北京冬奧場館超低延時直播系統(tǒng)研發(fā)，為冬奧賽事直播提供了有力保障，也為后續(xù)廣電網(wǎng)絡(luò)運營商IP化改造提供了有力技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：冬奧會；超低延時；視頻直播

1引言

冬奧場館體育賽事的直播須兼顧實時性和流暢性，不僅時延要低，還要保障賽事直播視頻的流暢性和清晰度。同時，直播系統(tǒng)要兼顧“節(jié)儉辦奧運”的主旨，基于有線電視網(wǎng)絡(luò)的傳輸環(huán)境，滿足用戶使用電腦、手機(jī)、平板等智能終端進(jìn)行觀看的需求。

2技術(shù)方案

不同技術(shù)方案呈現(xiàn)效果與實現(xiàn)路徑差異較大，基于當(dāng)前有線電視網(wǎng)絡(luò)背景，我們選取了3種技術(shù)手段，分別是使用模擬信號、DVB數(shù)字信號和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議傳輸直播視頻數(shù)據(jù)，并搭建對比環(huán)境，從多種維度考察這3種技術(shù)方案的優(yōu)缺點。

2.1模擬信號傳輸方案

北京2008年奧運會時，為應(yīng)對奧運會場館超低時延直播需求，采用了模擬信號傳輸?shù)姆桨福^好地完成了直播工作，如圖1所示。Compound區(qū)提供本場館的多套HD-SDI基帶信號，配置SDI光發(fā)機(jī)傳輸至有線電視機(jī)房，使用SDI光收機(jī)完成HD-SDI基帶信號接收。經(jīng)過SDI轉(zhuǎn)AV轉(zhuǎn)換器將數(shù)字HD-SDI基帶信號轉(zhuǎn)換為模擬AV信號，并使用模擬調(diào)制器完成模擬電視射頻信號調(diào)制。經(jīng)有線同軸分配網(wǎng)傳輸至各接收終端，終端電視機(jī)可以直接收看低延時模擬信號。該技術(shù)方案相對成熟，時延低，故障率低，維護(hù)簡單，易于使用，但清晰度低，已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)下觀眾對賽事視頻收看清晰度的要求，亦無法滿足多樣化終端帶來的收看需求，且設(shè)備賽后不可回收再利用，不符合節(jié)儉辦冬奧的主旨。

2.2數(shù)字DVB傳輸方案

除模擬信號傳輸技術(shù)，亦可考慮使用數(shù)字DVB傳輸技術(shù)實現(xiàn)賽事的本地低延時信號傳輸。如要保證350ms以下的端到端時延，則需要SDI編碼器、傳輸處理設(shè)備、機(jī)頂盒等均具備低延時特性。數(shù)字DVB低延時信號處理如圖2所示。Compound區(qū)可提供本場館的多套HD-SDI基帶信號，配置SDI光發(fā)機(jī)傳輸至有線電視機(jī)房，使用SDI光收機(jī)完成HD-SDI基帶信號接收。經(jīng)過SDI低延時編碼器將數(shù)字HD-SDI基帶信號轉(zhuǎn)換為IP信號，并使用IPQAM調(diào)制器完成數(shù)字電視射頻信號調(diào)制。將數(shù)字射頻信號與專網(wǎng)數(shù)字電視射頻信號混合后，經(jīng)同一張有線同軸分配網(wǎng)傳輸至各接收終端。終端電視機(jī)可以通過機(jī)頂盒收看低延時數(shù)字信號，同時還可收看專網(wǎng)數(shù)字電視信號。從運維角度來說，該方案機(jī)房內(nèi)設(shè)備操作較模擬處理設(shè)備復(fù)雜，需要一定專業(yè)知識，同時場館內(nèi)終端機(jī)頂盒數(shù)量較大，會增加維護(hù)量。此外，根據(jù)時延測試結(jié)果，使用歌華普通高清機(jī)頂盒觀看，端到端時延在620~1240ms；使用歌華4K高清機(jī)頂盒觀看，端到端時延在400~660ms，達(dá)不到小于350ms時延的目標(biāo)。

2.3基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的傳輸方案

隨著視頻領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新，大量的直播業(yè)務(wù)涌現(xiàn)，同時用戶對體驗要求越來越高，推動了低時延、高碼率IP直播技術(shù)的發(fā)展。為了逼近時延的極限，這些方案不約而同地都選擇了基于UDP協(xié)議的視頻傳輸，如QUIC、SRT和WebRTC。近年來，隨著對GoogleQUIC協(xié)議研究的深入，不少項目開始用RTMPoverQUIC替代傳統(tǒng)的RTMPoverTCP。QUIC已成為HTTP3的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在超低時延傳輸方面有很多優(yōu)勢，最重要的就是其復(fù)雜度非常低。但QUIC作為低延時直播協(xié)議也有2個缺點：第一，其本質(zhì)上是一個可靠協(xié)議，無法便捷的主動控制協(xié)議延時；第二，QUIC是傳輸層的通用協(xié)議，無法針對音視頻提供端到端的優(yōu)化方案。除QUIC，還有2種專門針對視頻場景優(yōu)化的超低時延傳輸協(xié)議，即SRT和WebRTC，二者是基于UDP協(xié)議實現(xiàn)的超低時延視頻傳輸解決方案。下面將對這兩種方案進(jìn)行比較，并介紹歌華有線在冬奧項目中的應(yīng)用情況。

3SRT與WebRTC分析比較

3.1優(yōu)點比較

在安全方面，SRT支持AES加密，保障端到端的視頻傳輸安全；在可靠性方面，SRT通過前向糾正技術(shù)（FEC）保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性；在低時延方面，SRT底層使用UDT協(xié)議，UDT協(xié)議是一個基于UDP的可靠傳輸協(xié)議，但原生的UDT傳輸延遲較高，SRT在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了相關(guān)擁塞控制策略，以降低傳輸時延。當(dāng)前，SRT在跨國傳輸場景下有不少的應(yīng)用，取代了一些過去需要使用衛(wèi)星作為傳輸媒介的場景。WebRTC主要用于Web端實時音視頻通信的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，應(yīng)用層有JS的接口，使得Web網(wǎng)頁具備音視頻的采集和播放能力。此外，WebRTC的傳輸協(xié)議還支持P2P傳輸，提供了DataChannel，用于應(yīng)用層傳輸其他的數(shù)據(jù)，便于對直播增加交互等擴(kuò)展功能。

3.2抗抖動性比較

視頻超低時延傳輸?shù)暮诵奶魬?zhàn)是保證播放流暢度，除了提升傳輸通道可靠性，還需要傳輸協(xié)議具備良好的抗抖動性，在保持低延遲的同時穩(wěn)定播放。SRT的解決方法是設(shè)置一個固定的Latency，并在每個包頭寫入發(fā)送時間，在讀取時，按照發(fā)送時間延遲Latency讀取，復(fù)制編碼器的輸出。WebRTC則使用JitterBuffer來對抗網(wǎng)絡(luò)抖動，其實現(xiàn)原理與SRT的方法類似，但有2個不同點:一是根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)抖動的程度來調(diào)整延遲，網(wǎng)絡(luò)越穩(wěn)定，延遲越?。欢菑腏itterBuffer出來的幀，盡量保證以均勻的速率輸出，但不一定與發(fā)送方編碼器輸出一致。SRT的Tsbpd機(jī)制可以精準(zhǔn)地控制Latency，結(jié)合重傳機(jī)制，相對于其他協(xié)議有更低的延遲，缺點是不能動態(tài)調(diào)整。WebRTC將傳輸抖動和編碼渲染結(jié)合相互反饋調(diào)整，過程相對復(fù)雜。綜上所述，二者在核心抗網(wǎng)絡(luò)抖動和傳輸上性能基本接近，但WebRTC優(yōu)點是其在各個平臺上都有相應(yīng)的成熟SDK，可以極大地減少整個系統(tǒng)的開發(fā)、升級和維護(hù)，同時解決不同終端播放的兼容性問題。因此，最終選擇WebRTC協(xié)議完成冬奧賽事的超低延時直播系統(tǒng)研發(fā)。

4WebRTC協(xié)議的應(yīng)用

根據(jù)服務(wù)規(guī)劃及北京冬奧組委的相關(guān)要求，計劃在競賽場館和鳥巢為固定座席提供毫秒級超低時延直播服務(wù)，并在部分場館提供基于5G網(wǎng)絡(luò)的無線接入超低時延無線CATV服務(wù)，觀眾將不再因為短暫離席或座位角度欠佳錯過關(guān)鍵比賽內(nèi)容，為觀眾帶來更好的觀賽體驗。4.1主要流程在本項目中，基于WebRTC典型的工作流程如圖3所示?？蛻舳薃：WebRTC的客戶端，此處特指機(jī)頂盒設(shè)備或瀏覽器終端。RTCSTUN：WebRTC的STUN服務(wù)，用于客戶端與服務(wù)端之間建立雙向通信通道。RTC信令系統(tǒng)：WebRTC的信令服務(wù)，用于交換客戶端與RTC媒體系統(tǒng)之間的控制信令。RTC媒體系統(tǒng)：用于實現(xiàn)面向客戶端的高并發(fā)流媒體服務(wù)。（1）客戶端A首先創(chuàng)建PeerConnection對象，打開本地音視頻設(shè)備，將音視頻數(shù)據(jù)封裝成MediaStream，添加到PeerConnection中。（2）客戶端A調(diào)用PeerConnection的CreateOffer方法創(chuàng)建一個用于Offer的SDP對象，并保存當(dāng)前音視頻的相關(guān)參數(shù)。通過PeerConnection的SetLocalDescription方法保存該SDP對象，并通過Signal服務(wù)器發(fā)送給媒體系統(tǒng)。（3）RTC媒體系統(tǒng)接收到客戶端A發(fā)送過的OfferSDP對象，通過PeerConnection的SetRemoteDescription方法將其保存起來，并調(diào)用PeerConnection的CreateAnswer方法創(chuàng)建一個應(yīng)答的SDP對象，通過PeerConnection的SetLocalDescription的方法保存該應(yīng)答SDP對象并將它通過Signal服務(wù)器發(fā)送給客戶端A。（4）客戶端A接收到RTC媒體系統(tǒng)發(fā)送過來的應(yīng)答SDP對象，將其通過PeerConnection的SetRemoteDescription方法保存起來。（5）在SDP信息的Offer/Answer流程中，客戶端A和RTC媒體系統(tǒng)已經(jīng)根據(jù)SDP信息創(chuàng)建好相應(yīng)的音頻Channel和視頻Channel并開啟Candidate數(shù)據(jù)的收集，Candidate數(shù)據(jù)可以簡單地理解成Client端的IP地址信息（本地IP地址、公網(wǎng)IP地址、Relay服務(wù)端分配的地址）。（6）當(dāng)客戶端A收集到Candidate信息后，PeerConnection會通過OnIceCandidate接口給客戶端A發(fā)送通知，客戶端A將收到的Candidate信息通過Signal服務(wù)器發(fā)送給RTC媒體系統(tǒng)，RTC媒體系統(tǒng)通過PeerConnection的AddIceCandidate方法保存起來。同樣的操作RTC媒體系統(tǒng)對客戶端A再來一次。（7）這樣，客戶端A和RTC媒體系統(tǒng)就建立了音視頻傳輸?shù)狞c對點通道，客戶端A接收到RTC媒體系統(tǒng)傳送過來的音視頻流，會通過PeerConnection的OnAddStream回調(diào)接口返回一個標(biāo)識RTC媒體系統(tǒng)音視頻流的MediaStream對象，在客戶端A渲染出來即可。4.2實現(xiàn)效果最終，經(jīng)過全流程調(diào)優(yōu)，在使用指定1080i50信源的情況下，編碼時延80ms，分發(fā)時延40~60ms，IP傳輸5~10ms，終端緩存解碼時延100~120ms，電視機(jī)時延35~70ms，除去差異較大的顯示終端，端到端時延控制在300ms以內(nèi)，實現(xiàn)了對異構(gòu)終端、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，達(dá)成了項目預(yù)期目標(biāo)。當(dāng)然，WebRTC方案也存在一些缺點，比如不支持音頻AAC編碼和44.1KHz采樣率；不支持視頻B幀、H265等編碼特性，對多slice編碼支持性較差；在QoS策略方面，WebRTC的原生應(yīng)用場景是通話，基本策略是延遲優(yōu)于畫質(zhì)，這個策略在直播中不一定成立。因此，在后期存在一定的定制化優(yōu)化改造空間，即在保留WebRTC核心傳輸相關(guān)模塊（RTP/RTCP、FEC、NACK、Jitterbuffer、音視頻同步、擁塞控制等）的基礎(chǔ)上，利用定制化播放器封裝以上WebRTC的核心功能，解決以上存在的缺陷，在可控終端或者自有APP中實現(xiàn)更好的播出效果。

5結(jié)語

歌華有線通過對超低時延直播相關(guān)領(lǐng)域的研究，比較了現(xiàn)有各種直播標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議的優(yōu)劣，再有針對性地對最終選型結(jié)果的信源編碼、傳輸、終端解碼全流程進(jìn)行測試和調(diào)優(yōu)，確保端到端時延在350ms以內(nèi)，實現(xiàn)了異構(gòu)終端和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的業(yè)務(wù)分發(fā)，完成了項目設(shè)計要求，為后續(xù)廣電網(wǎng)絡(luò)運營商的IP化改造提供了知識和技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]屈振華,李慧云,張海濤,等.WebRTC技術(shù)初探[J].電信科學(xué),2012,28(10):106-110.

[2]何明亮.WebRTC技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].南京:南京郵電大學(xué),2014.

作者：楊敬一 張辰 單位：北京歌華有線電視網(wǎng)絡(luò)股份有限公司