3G流媒体系统性能评估与仿真平台

3G流媒体系统性能评估与仿真平台
刘思贤;刘新;叶德建;肖晴
【摘要】With increasing improvement of 3G network construction, video streaming services will become one of the main value-added services. However, to individually evaluate the performance of new applications and network standards makes the work repetitive and increases the cost as well. To solve the problem, a performance evaluation and simulation platform for 3G-based video streaming systems is proposed in this paper. The system is highly flexible, users can evaluate the impact of distribution policy and networks status on the quality of service with less cost by modifying the configuration. Moreover, a simulation example for reference based on CDMA 2000 1xEV-DO Rev. A network is implemented upon the platform. The system is meaningful for proper technologies selection and services development of business operation support platforms.%随着3G网络建设的日益完善,流媒体业务将逐渐成为主流的增值业务之一.然而,为新的应用和网络标准进行单独的性能评估工作重复且增加成本.针对此问题,提出一个面向3G 网络的流媒体性能评估与仿真平台.该系统具有高度的灵活性,用户可以通过调整配置,以较小的代价评估分发策略和网络状况对服务质量的影响.在系统之上,还给出了一套基于CDMA 20001xEV-DO Rev.A网络的参考仿真实现.该系统对于业务运营支撑平台的技术选型及业务发展具有一定的参考意义.
【期刊名称】《计算机应用与软件》
【年(卷),期】2013(030)002
【总页数】4页(P168-170,220)
【关键词】3G网络;流媒体;性能评估;仿真;QoE
【作者】刘思贤;刘新;叶德建;肖晴
【作者单位】中国电信股份有限公司上海分公司上海200120
【正文语种】中文
【中图分类】TP311
0 引言
随着3G网络建设和终端功能等硬件设施的日渐完善，以移动音视频为代表的流媒体业务将以其丰富多样的表现方式，逐渐成为未来3G时代主要的增值业务之一。

从流媒体业务面向商用的角度讲，提高流媒体业务用户体验的同时，也要兼顾运营商的成本。

因此，流媒体应用在上线前的性能评估和技术选型是运营商的重要任务。

流媒体性能评估方面已经有了一些成熟的研究，其中包括评价视频质量的EvalVid ［1］框架。

该框架能衡量丢包率、丢帧率、抖动和PSNR等指标，还兼容了主流的网络仿真工具，如ns－2以及OPNET。

在文献［2］中，作者将 EvalVid和ns －2搭建出了一套仿真和评估框架，并引入了新的编码机制改进了评估性能。

此外，文献［3］的作者对ns－2中RTP和RTCP的实现提出了修改，使得ns－2对流
媒体的支持更为精确。

但我们发现这些研究大多着眼于网络环境的模拟，对服务器端的分发策略模拟研究较少，也没有一套完整的端到端的仿真平台。

因此，随着流媒体应用数量的增加和新型网络标准的引入，性能评估的重复工作会延长开发周期并增加运营商的成本。

此外，诸如延时、抖动等QoS指标也并不能全面反映终端用户对服务质量的体验。

为了解决上述问题，本文提出了一个面向3G无线网络的流媒体性能评估与仿真平台。

该平台的特色是流媒体服务器、网络与客户端均采用了参数化、模块化的设计。

从而可以配置平台参数，复用各种分发算法和网络环境仿真。

另外，我们选择从 QoE(Quality of Experience)［4］的角度评价服务质量。

具体来说，我们在QoS的基础上增加了两项性能指标:启动时延和客户端缓冲区使用率，并提供了直接在手机终端上播放视频的功能。

该项目对于业务运营支撑平台的技术选型及业务发展，具有一定的参考与借鉴意义。

1 仿真平台的设计和实现
我们设计的性能评估与仿真平台的拓扑架构如图1所示，分为服务器、网络与客
户端三个组成部分。

图1 流媒体性能评估与仿真平台拓扑架构图
在服务器端，我们可以采用不同的服务器策略，既支持HTTP协议的流式传输，
也支持在流媒体中广泛应用的RTSP协议，既支持面向IPTV应用的UDP传输，
也支持面向3G流媒体的TCP传输;在网络部分，我们可以通过IP wave网络仿真软件定义网络上的丢包率、延迟等参数，也可以将NS2仿真获取的3G网络性能
参数作为驱动数据实现精确到数据包的细粒度仿真;在客户端，该仿真平台支持真
实的手机终端，也支持便于进行多种性能指标统计的模拟终端。

本文性能评估与仿真平台的主要贡献在于提供了一个相对简便和小规模的端到端仿真，使得我们能够以较小的代价对真实系统的数据进行多尺度、多角度的放大观察。

1.1 仿真平台的服务端模块设计
传统的流媒体服务器中，分发算法与媒体传输耦合紧密。

为了方便地复用和比较各种分发算法，仿真平台不适合直接套用这种传统架构。

因此，我们将视频发送调度算法和下层数据传输解耦合，在逻辑上将其分为控制层和传输层。

控制层的职责是交互信令和制定传输调度计划。

而传输模块不介入发送速率控制，
仅根据控制层指定的调度计划，将视频通过传输协议传到客户端。

服务端模块的具体结构如图2所示。

我们在控制层中提供了控制插件接口和RTSP 信令解析模块，并在下层的传输层中实现了TCP和UDP的传输方案，可供用户直接选择。

这样用户可以在不关心下层传输细节，在上层以插件的形式实现分发算法。

图2 仿真平台服务端模块架构图
1.2 仿真平台的网络环境模拟
我们在网络仿真部分同时采用了第三方网络损伤仪和ns－2网络仿真。

这两种模
拟方案有不同的适用场合，损伤仪可以比较简便地模拟网络丢包和延时，我们将网络视为黑箱，可对网络中的一个截面实现快捷而粗粒度的仿真;而基于ns－2的模
拟则将网络视为白箱，可以对全网拓扑进行全局的精细模拟。

使用ns－2进行网络仿真的方案如图3所示。

假设要对某个新型网络协议进行仿真，我们会采用如下三个步骤:(1)分析该协议的各个层次，并在ns－2中设计仿真方案。

(2)通过ns－2获得一系列的trace file，它们详细地记录了每个模拟数据包的大小及到达时间等信息。

(3)将trace file注入到限流模块中，严格限定服务器传出的每个数据包到达客户端的时间。

这种基于ns－2 trace的仿真手段已经被证明比较可行，并被多次使用，比如在文献［3］和文献［5］的工作中。

图3 仿真平台网络模块结构示意图
1.3 仿真平台客户端模块设计
我们希望客户端的性能评估模块能尽可能准确全面地反映终端用户对服务质量的体验。

对此，我们的工作主要包含如下两个内容。

一方面，客户端可以生成各项指标进行量化的分析。

我们在支持时延、抖动和视频PSNR等主流性能参数的基础上增加了启动等待时间和缓冲区利用率这两项指标。

这两项指标对流媒体视频，尤其是基于TCP传输的视频，有着比较重要的参考意义。

从终端用户体验的角度讲，我们可以将视频播放视作回放缓冲区内的视频帧。

如果缓冲区内所有的视频帧都已播放完，而下一帧还未到达，视频就会出现停顿，从而影响用户体验。

但从另一个角度看，视频启动时间越长，缓冲区内的视频帧也越多，从而越不容易出现下溢，影响观看体验。

因此，为了更好地对启动等待时间和播放流畅程度进行取舍，我们将客户端缓冲区的变化情况和启动时延都看成终端评估的QoE指标。

另一方面，我们在客户端提供了在手机终端上直接观看视频的功能，使得用户可以对视频质量有一个主观的评价。

为此，我们兼容了RTSP协议，并支持基于TCP
或UDP传输的视频点播和直播场景。

2 基于3G网络的流媒体性能评估的仿真实现
我们所设计的流媒体性能仿真平台的具体功能包括:1)在服务端通过实现控制插件
接口部署分发算法;2)选择网络损伤仪或在ns－2中仿真网络环境;3)在客户端直接
播放视频或配置PSNR、丢包率和缓冲区模拟等QoE指标。

为了验证性能仿真的可行性和有效性，我们在服务器端、网络环境模拟和客户端分别作了实现。

1)服务端
在服务端，我们以控制插件的形式实现了动态调整速率的分发算法。

该算法在服务端通过比较视频的时间戳和发送的数据量，实时计算客户端缓冲区的利用率。

如果缓冲区数据量过少，则说明终端有较大的可能出现视频停顿，因此会适当提升发送速率填充缓冲区。

反之，如果缓冲区接近饱和，则应减缓发送速率，让出网络带宽并避免缓冲区上溢。

另外，我们同时实现了不进行动态调整的基于帧率的分发算法与之比较。

2)网络环境模拟
CDMA 2000 1xEV-DO Rev.A［6］是针对分组数据业务进行优化的CDMA无线
通信技术，支持单用户前向3.1Mbit/s，反向1.8Mbit/s峰值速率，通过引入多项新技术，1XEV-DO克服或减轻了无线3G网络环境的诸多负面影响，更好地保证了服务质量。

考虑到流媒体应用高带宽消耗量的特性，我们将该标准作为本次仿真的3G网络环境。

为了更精确地对网络进行细粒度的仿真，我们研究了其网络结构，尤其是对性能影响显著的协议层。

根据EV-DO网络的MAC层和物理层的特性及城市的高建筑密集度，我们可以视其为一个具有Rayleigh衰变特性的无线网络［7］。

而使用Markov Chain仿真fading型网络已被验证具有一定的可靠性［8］。

另外，链路层中的RLP协议对数据服务质量有较大影响，需要在ns－2中详细实
现该协议。

同时，我们发现其他四层对仿真性能的影响较小，因此，我们在此次仿真中忽略其造成的影响。

具体的仿真策略如表1所示。

表1 1xEV-DO Rev.A空中接口协议栈仿真策略总体网络协议1xEV-DO 接口协议应用层仿真策略使用ns－2实现RLP协议业务流层链路层会话层连接层忽略影响
安全层MAC 层采用Markov模型仿真信道上物理层物理层的衰落现象
3)仿真参数配置和视频格式选择
对于UDP视频流我们采用PSNR评价视频质量;对于基于TCP的，我们在客户端
实现了启动时延和缓冲区模拟两项指标。

另外，考虑到仿真的是3G网络，我们选用了码率较低的视频，其格式为H.264+AAC编码，帧率是16，码率为223kbps。

3 性能评估实验
我们的性能仿真实验的配置如表2所示。

表2 性能评估实验配置表仿真模块实验配置服务端动态速率调整算法(A算法)按
帧率发送算法(B算法)网络模拟TCP CDMA 2000 1xEV-DO Rev.A UDP IP Wave 网络损伤仪TCP 启动时延客户端缓冲区利用率模拟UDP PSNR
为了在客户端较显著地体现QoE指标的差异，我们在调整网络仿真参数的时候适当增加了一些损伤，提高了端到端的延迟。

图4是A、B两个算法在TCP承载视频流的情况下给出的缓冲区利用率情况。

我们可以看到基于动态速率调整的A算法缓冲区的波动比较明显，同时需要较大的缓冲区支持，但较少出现缓冲区下溢的情况。

相反，B算法由于媒体推送速度稳定，无法及时补充数据，从而多次出现下溢，导致视频停顿明显。

图4 有损网络中客户端缓冲区使用情况
在本次实验中，我们将启动时延定义成从客户端发起RTSP请求到缓冲区被填满一半的时间差。

因此我们可以通过调整客户端缓冲区的大小来影响启动时延。

在图5中的纵坐标是客户端缓冲区下溢总时长，我们可以看到，随着启动时延的增加，客户端缓冲区下溢情况得到改善。

另外，我们可以看到由于算法A能够在服务器端预估客户端缓冲区的变化，并以此做出调整。

所以相比算法B，缓冲区大小对算法A的影响较小。

图5 终端缓冲区下溢时长与启动延迟关系
在基于UDP的视频传输仿真案例中，我们在客户端和服务器之间直接接入了网络损伤仪，用以方便地调整丢包率和延迟。

图6中我们给出了两个不同视频PSNR 值的对比。

可以看到在网络出现损伤的情况下，场景变化较小的视频akiyo的PSNR值要好过视频mobile。

这是由于图像复杂的视频内可用信息较多，因此对丢包等损伤更为敏感。

图6 不同视频PSNR值随丢包率变化情况
4 结语
3G网络的发展推动了移动流媒体的应用。

在保障终端用户体验质量的方面，已经有了不少研究和成果，但并没有一套端到端的针对移动流媒体的仿真平台。

为了更好地评估流媒体服务器的各种技术策略、网络状况及终端设备对终端用户QoE的
影响，本文提出了面向3G网络的移动流媒体性能评估仿真平台。

该平台的特色是服务端、网络环境与客户端均采用参数化、模块化的结构，可以方便地进行配置，以较小的代价对真实系统给出仿真模拟。

基于本仿真平台，我们还给出了一套端到端的仿真实例，比较了不同的分发算法在CDMA 2000 1xEV-DO Rev.A网络中的表现。

参考文献
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［2］Chia-Yu Y，Chih-Heng K，Ce-Kuen S，et al.MyEvalvid-NT-A simulation tool-set for video transmission and quality evaluation［C］
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［8］Zorzi M，Rao R，Milstein B.Error statistics in data transmission over fading channels［J］.Communications，IEEE Transactions，1998(46):1468-1477.。