現場信號超低延時直播的設計

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摘要：本文介紹了模擬信號、DVB數字信號和基于互聯網協議3種直播信號傳輸技術方案，分析比較了SRT與WebRTC兩種傳輸協議，歌華有線應用WebRTC協議完成北京冬奧場館超低延時直播系統研發，為冬奧賽事直播提供了有力保障，也為后續廣電網絡運營商IP化改造提供了有力技術支持。

關鍵詞：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，直播系統要兼顧“節儉辦奧運”的主旨，基于有線電視網絡的傳輸環境，滿足用戶使用電腦、手機、平板等智能終端進行觀看的需求。

2技術方案

不同技術方案呈現效果與實現路徑差異較大，基于當前有線電視網絡背景，我們選取了3種技術手段，分別是使用模擬信號、DVB數字信號和互聯網協議傳輸直播視頻數據，并搭建對比環境，從多種維度考察這3種技術方案的優缺點。

2.1模擬信號傳輸方案

北京2008年奧運會時，為應對奧運會場館超低時延直播需求，采用了模擬信號傳輸的方案，較好地完成了直播工作，如圖1所示。Compound區提供本場館的多套HD-SDI基帶信號，配置SDI光發機傳輸至有線電視機房，使用SDI光收機完成HD-SDI基帶信號接收。經過SDI轉AV轉換器將數字HD-SDI基帶信號轉換為模擬AV信號，并使用模擬調制器完成模擬電視射頻信號調制。經有線同軸分配網傳輸至各接收終端，終端電視機可以直接收看低延時模擬信號。該技術方案相對成熟，時延低，故障率低，維護簡單，易于使用，但清晰度低，已經無法適應當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，且設備賽后不可回收再利用，不符合節儉辦冬奧的主旨。

2.2數字DVB傳輸方案

除模擬信號傳輸技術，亦可考慮使用數字DVB傳輸技術實現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、傳輸處理設備、機頂盒等均具備低延時特性。數字DVB低延時信號處理如圖2所示。Compound區可提供本場館的多套HD-SDI基帶信號，配置SDI光發機傳輸至有線電視機房，使用SDI光收機完成HD-SDI基帶信號接收。經過SDI低延時編碼器將數字HD-SDI基帶信號轉換為IP信號，并使用IPQAM調制器完成數字電視射頻信號調制。將數字射頻信號與專網數字電視射頻信號混合后，經同一張有線同軸分配網傳輸至各接收終端。終端電視機可以通過機頂盒收看低延時數字信號，同時還可收看專網數字電視信號。從運維角度來說，該方案機房內設備操作較模擬處理設備復雜，需要一定專業知識，同時場館內終端機頂盒數量較大，會增加維護量。此外，根據時延測試結果，使用歌華普通高清機頂盒觀看，端到端時延在620~1240ms；使用歌華4K高清機頂盒觀看，端到端時延在400~660ms，達不到小于350ms時延的目標。

2.3基于互聯網協議的傳輸方案

隨著視頻領域的不斷創新，大量的直播業務涌現，同時用戶對體驗要求越來越高，推動了低時延、高碼率IP直播技術的發展。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協議的視頻傳輸，如QUIC、SRT和WebRTC。近年來，隨著對GoogleQUIC協議研究的深入，不少項目開始用RTMPoverQUIC替代傳統的RTMPoverTCP。QUIC已成為HTTP3的標準協議，在超低時延傳輸方面有很多優勢，最重要的就是其復雜度非常低。但QUIC作為低延時直播協議也有2個缺點：第一，其本質上是一個可靠協議，無法便捷的主動控制協議延時；第二，QUIC是傳輸層的通用協議，無法針對音視頻提供端到端的優化方案。除QUIC，還有2種專門針對視頻場景優化的超低時延傳輸協議，即SRT和WebRTC，二者是基于UDP協議實現的超低時延視頻傳輸解決方案。下面將對這兩種方案進行比較，并介紹歌華有線在冬奧項目中的應用情況。

3SRT與WebRTC分析比較

3.1優點比較

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（FEC）保證傳輸的穩定性；在低時延方面，SRT底層使用UDT協議，UDT協議是一個基于UDP的可靠傳輸協議，但原生的UDT傳輸延遲較高，SRT在此基礎上優化了相關擁塞控制策略，以降低傳輸時延。當前，SRT在跨國傳輸場景下有不少的應用，取代了一些過去需要使用衛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網協議，應用層有JS的接口，使得Web網頁具備音視頻的采集和播放能力。此外，WebRTC的傳輸協議還支持P2P傳輸，提供了DataChannel，用于應用層傳輸其他的數據，便于對直播增加交互等擴展功能。

3.2抗抖動性比較

視頻超低時延傳輸的核心挑戰是保證播放流暢度，除了提升傳輸通道可靠性，還需要傳輸協議具備良好的抗抖動性，在保持低延遲的同時穩定播放。SRT的解決方法是設置一個固定的Latency，并在每個包頭寫入發送時間，在讀取時，按照發送時間延遲Latency讀取，復制編碼器的輸出。WebRTC則使用JitterBuffer來對抗網絡抖動，其實現原理與SRT的方法類似，但有2個不同點:一是根據當前網絡抖動的程度來調整延遲，網絡越穩定，延遲越??；二是從JitterBuffer出來的幀，盡量保證以均勻的速率輸出，但不一定與發送方編碼器輸出一致。SRT的Tsbpd機制可以精準地控制Latency，結合重傳機制，相對于其他協議有更低的延遲，缺點是不能動態調整。WebRTC將傳輸抖動和編碼渲染結合相互反饋調整，過程相對復雜。綜上所述，二者在核心抗網絡抖動和傳輸上性能基本接近，但WebRTC優點是其在各個平臺上都有相應的成熟SDK，可以極大地減少整個系統的開發、升級和維護，同時解決不同終端播放的兼容性問題。因此，最終選擇WebRTC協議完成冬奧賽事的超低延時直播系統研發。

4WebRTC協議的應用

根據服務規劃及北京冬奧組委的相關要求，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，并在部分場館提供基于5G網絡的無線接入超低時延無線CATV服務，觀眾將不再因為短暫離席或座位角度欠佳錯過關鍵比賽內容，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。客戶端A：WebRTC的客戶端，此處特指機頂盒設備或瀏覽器終端。RTCSTUN：WebRTC的STUN服務，用于客戶端與服務端之間建立雙向通信通道。RTC信令系統：WebRTC的信令服務，用于交換客戶端與RTC媒體系統之間的控制信令。RTC媒體系統：用于實現面向客戶端的高并發流媒體服務。（1）客戶端A首先創建PeerConnection對象，打開本地音視頻設備，將音視頻數據封裝成MediaStream，添加到PeerConnection中。（2）客戶端A調用PeerConnection的CreateOffer方法創建一個用于Offer的SDP對象，并保存當前音視頻的相關參數。通過PeerConnection的SetLocalDescription方法保存該SDP對象，并通過Signal服務器發送給媒體系統。（3）RTC媒體系統接收到客戶端A發送過的OfferSDP對象，通過PeerConnection的SetRemoteDescription方法將其保存起來，并調用PeerConnection的CreateAnswer方法創建一個應答的SDP對象，通過PeerConnection的SetLocalDescription的方法保存該應答SDP對象并將它通過Signal服務器發送給客戶端A。（4）客戶端A接收到RTC媒體系統發送過來的應答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媒體系統已經根據SDP信息創建好相應的音頻Channel和視頻Channel并開啟Candidate數據的收集，Candidate數據可以簡單地理解成Client端的IP地址信息（本地IP地址、公網IP地址、Relay服務端分配的地址）。（6）當客戶端A收集到Candidate信息后，PeerConnection會通過OnIceCandidate接口給客戶端A發送通知，客戶端A將收到的Candidate信息通過Signal服務器發送給RTC媒體系統，RTC媒體系統通過PeerConnection的AddIceCandidate方法保存起來。同樣的操作RTC媒體系統對客戶端A再來一次。（7）這樣，客戶端A和RTC媒體系統就建立了音視頻傳輸的點對點通道，客戶端A接收到RTC媒體系統傳送過來的音視頻流，會通過PeerConnection的OnAddStream回調接口返回一個標識RTC媒體系統音視頻流的MediaStream對象，在客戶端A渲染出來即可。4.2實現效果最終，經過全流程調優，在使用指定1080i50信源的情況下，編碼時延80ms，分發時延40~60ms，IP傳輸5~10ms，終端緩存解碼時延100~120ms，電視機時延35~70ms，除去差異較大的顯示終端，端到端時延控制在300ms以內，實現了對異構終端、異構網絡的覆蓋，達成了項目預期目標。當然，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的原生應用場景是通話，基本策略是延遲優于畫質，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化改造空間，即在保留WebRTC核心傳輸相關模塊（RTP/RTCP、FEC、NACK、Jitterbuffer、音視頻同步、擁塞控制等）的基礎上，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中實現更好的播出效果。

5結語

歌華有線通過對超低時延直播相關領域的研究，比較了現有各種直播標準、協議的優劣，再有針對性地對最終選型結果的信源編碼、傳輸、終端解碼全流程進行測試和調優，確保端到端時延在350ms以內，實現了異構終端和異構網絡下的業務分發，完成了項目設計要求，為后續廣電網絡運營商的IP化改造提供了知識和技術支持。

參考文獻

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

[2]何明亮.WebRTC技術的研究與應用[D].南京:南京郵電大學,2014.

作者：楊敬一 張辰 單位：北京歌華有線電視網絡股份有限公司