【原创】3GPP: IMS视频码率自适应调整介绍

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3GPP即第三代合作计划，是权威的3G技术规范机构。3GPP成立时的目标是实现由2G网络到3G网络的平滑过渡，保证未来技术的后向兼容性，支持轻松建网及系统间的漫游和兼容性。其职能： 3GPP主要是制订以GSM核心网为基础，UTRA(FDD为W-CDMA技术，TDD为TD-CDMA技术)为无线接口的第三代技术规范。经过通信技术多年发展与演进，3GPP规范目前已经涵盖了以下通信标准协议：

2G/2.5G（GPRS/EDGE）
3G（HSPA）
4G（LTE）
演进的IMS技术框架

1.概述

移动终端（UE）基于IMS多媒体通话服务建立音视频通话时，需要通过CSCF代理进行控制面的信息路由，而应用服务器（AS）则提供了保持/恢复、呼叫转移和多方通话等补充服务。会话建立后，媒体数据的传输路径（Media Path）经由PS域进行直连（无需进入IMS网络），如图中的红线所示。

IMS框架示意图.png

在《3GPP TS 24.114》规范中，媒体发送方（Sender）需要基于RTCP信息和TMMBR来对视频码率进行动态调整。而在实际的移动运营商的IMS（IP Multimedia Subsystem ）网络中，有以下两种场景会使用到视频码率自适应调整：

网络切换（Handover）
网络拥塞控制（Congestion Control）

2. Handover时的码率调整流程

IMS视频通话建立之后，媒体发送方（Sender）会持续发送媒体数据给媒体接收方（Receiver）；当Receiver的无线接入点发生切换时（handover）时，Receiver会从空口接收到网络发来的信令，其中包含当前网络的带宽信息；如果handover之后的网络带宽比上一个接入点的带宽小，那么Receiver将提取当前的带宽信息，然后通过发送TMMBR通知Sender调整视频编码码率（bitrate）；Sender收到TMMBR之后立即回复TMMBN，并调整当前的bitrate；最后Receiver还会通过SIP UPDATE来协商更新之后的媒体能力。

3GPP-Handover时序.png

3. 网络拥塞时的码率调整流程

IMS视频通话建立之后，Sender会持续发送媒体数据给媒体接收方（Receiver）；当Receiver检测到当前网络拥塞时，它会对网络带宽进行估计，并通过TMMBR来通知Sender来调整视频编码码率（bitrate）；Sender收到TMMBR之后立即回复TMMBN，并调整当前的bitrate。

3GPP-拥塞时序.png

在IMS网络中，Sender与Receiver将通过SIP/SDP完成媒体能力的协商。完成会话建立之后，Sender与Receiver能够通过SDP获得协商后的带宽信息（as）。而在后续的码率动态调整的过程中，Sender最终设置的码率值不允许超过这个协商的带宽；当然前面也介绍了，这个SDP协商的带宽也可能会在发生网络Handover时被更新。

3GPP规范中并没有明确规定实现自适应码率调整的具体算法，但是在设计算法时需要考虑以下几个因素：

丢包率
数据包抖动（Jitter）
收发码率的差值
收发数据包速率（Packet Rate）的差值
播出延迟（图像数据从接收到播出之间的时间间隔）
往返时延（RTT-Round Trip Time）

如果以上检测数据的获得依赖于RTCP SR/RR，那么规范要求在吞吐率下降10%或以上时，需要在3帧图像的时间区间内检测到吞吐率的变化；否则，要求在8帧图像的时间区间内检测到吞吐率的变化。

3GPP虽然有这项约定，但现实中各品牌手机及芯片厂家并没有按照该约定来实现。

3.1 Sender降低码率时的行为

Sender在收到TMMBR后，若要降低码率，其过程可以分成两个阶段：

降低编码码率
延迟恢复（delay recovery）

在Sender收到TMMBR之后，通常不能立即将码率更新为最新值；所以其编码码率调整通常是一个渐变的过程，如下图所示。具体过程在此不做详述，如果有读者对该部分内容感兴趣可以自行阅读《3GPP》（附录C.2）进行学习。

Sender码率调整示意图.png

3.2 Sender提高码率时的行为

当Sender发现实际的码率低于允许的码率（最近一次收到TMMBR携带的码率值）时，Sender需要逐渐提高码率以达到目标值（3GPP中要求是在0.5内完成）；如果在此过程中收到TMMBR，那么这个过程将会被中止。

3.3 Receiver请求降低码率时的行为

Receiver在接收媒体数据的过程中，如果检测到吞吐率降低，则要进行以下操作：

当Receiver检测到当前的Thoughput下降了10%时，需要发送一个TMMBR通知Sender下降至少10%的码率（与上一个TMMBR携带的码率相比）；
当Receiver检测到当前的Thoughput下降了25%时，需要发送一个TMMBR通知Sender下降至少25%的码率（与上一个TMMBR携带的码率相比）

这里的TMMBR要求Receiver能够尽快发送，而不是等待RTCP的发送周期。

3.4 Receiver请求提高码率时的行为

Receiver在接收媒体数据的过程中，如果检测到当前的码率可以被适当提高，则要进行以下操作：

当码率至少能够提高5%时，则Receiver根据以下公式计算码率并发送TMMBR：
当码率至少能够提高15%时，则Receiver根据以下公式计算码率并发送TMMBR：

此时，Receiver无需立即发送TMMBR，可以等待RTCP的发送周期再发出。

4.后语

3GPP规范对于视频码率调整算法并没有进行太严格的规定。一方面是因为IMS技术以及通信标准一直处于持续演进的过程当中，另一方面也给终端厂商更大的自由度来对自身算法进行调优。

Reference
[1] 3GPP TS 26.114 V14.0.0