实时流媒体是下一代网络的主要传输对象,将极大地影响人们日常生活。使用TCP传输实时流媒体具有对网络状况反应迅速、TCP友好、易于为防火墙所接受、便于实现与维护等优点,但同时也存在着发送速率无法自适应网络可用带宽的波动、TCP重传易增加媒体包的延时抖动和乱序等问题,这些都大幅降低了实时流媒体的服务质量。为解决上述问题,本文从TCP实时流媒体传输性能分析、延时预测模型、自适应传输策略及其应用等方面开展研究,取得的创新型研究成果如下。(1) TCP实时流媒体传输具有可接受播放性能的条件通过深入分析TCP实时流媒体传输过程,指出使用TCP在Internet上传输实时音频时,具有可接受播放性能的条件:TCP最大报文段的大小应设置为单个语音帧的大小,但这将使得TCP的传输效率非常低下,不适用于Internet应用。指出实时视频传输具有可接受播放性能的条件:视频帧的发送延时应小于播放缓冲延时与网络往返延时一半的差值。模拟结果表明了所指出条件的合理性。(2)影响TCP实时视频端到端延时的关键因素通过推导和模拟实验剖析了实时视频的端到端延时,指出等待延时是实时视频端到端延时的主要构成,发送延时则是影响端到端延时的关键因素,提出可以通过减少等待延时和减少发送延时的方式,来减少视频帧端到端延时抖动。由于发送延时由TCP协议栈管理,应用程序无法对其进行控制,提出了一种对发送延时进行预测判断的方法:预测视频帧的发送延时,若发送延时不满足实时视频传输的条件,则选择性丢弃该视频帧,从而确保了所有被传输的视频帧都具有较小的发送延时。模拟结果表明使用该方法可以有效减少实时视频的端到端延时。(3)两种实时视频发送延时预测模型针对Internet上两种使用最为广泛的路由器丢包机制,即尾部丢包(DropTail)和随机早期丢包(RED)机制,分别建立了两种实时视频发送延时预测模型。1)分阶随机预测模型。从微观角度分别考虑视频帧在传输过程中处于TCP各个阶段的概率,特别是DropTail机制下易出现的慢开始和RTO阶段,以帧大小、丢包率、拥塞窗口大小、网络往返时间和TCP初始重传计时器时间作为输入参数,以视频帧发送延时的期望值作为预测值。2)递阶式马尔科夫预测模型。从宏观角度将RED机制下整个传输过程的拥塞窗口变化作为一个离散时间离散状态的马尔科夫链;设计了一个递阶式马尔科夫预测算法,算法以窗口大小、网络往返时延和丢包率作为状态转移矩阵函数的输入参数,以拥塞窗口大小作为增益矩阵函数的输入参数,以各个状态拥塞窗口大小之和大于等于视频帧大小为递阶结束条件,对视频帧发送延时进行预测。模拟结果表明两种模型的预测精度符合要求,预测值可以被用于视频帧的预测判断方法中。(4)两种实时视频自适应传输策略从减少等待延时和发送延时入手,建立了两种实时视频自适应传输策略:1)基于多缓冲区调度的自适应策略。设计了一个多缓冲区调度模型,通过建立一个具有延时级别的应用层发送缓冲区,对实时视频帧在该缓冲区、TCP发送缓冲区和播放缓冲区之间进行调度,使用基于缓冲区延时级别的选择性丢弃视频帧的方法,将所有视频帧的等待延时减少为最大仅为编码延时的两倍,同时根据丢弃率的变化对视频帧率和播放缓冲大小进行自动调整。2)基于发送延时预测模型的自适应策略。在视频帧被发送以前,首先利用发送延时预测模型对发送延时进行预测,然后使用预测判断的方法,对达不到可接受播放性能的视频帧进行选择性丢弃,确保了所有被传输的视频帧都具有较小的发送延时,并将所有视频帧的等待延时减少为最大仅为编码延时的一倍,同时以丢弃率为约束条件对视频帧率和播放缓冲大小进行自动调整。模拟结果表明,与直接使用TCP或UDP传输相比,两类自适应策略都能够大幅度减少端到端延时抖动,并使得发送速率自适应网络拥塞状况,有效避免关键帧的丢失。基于发送延时预测模型的策略在减少端到端延时上具有更好的性能,但要求预知瓶颈路由器的丢包机制。(5)自适应传输策略在基于3G的实时通信系统中的应用与实现采用自适应传输策略,利用面向对象设计方法、IO完成端口、原始套接字和TCP防火墙穿透等技术,设计并实现了一种新型的基于3G的实时通信系统3G-VIM,系统实现了IP网内的PC和3G网内的3G手机之间的双向实时通信。系统运行结果表明,所提出的实时视频自适应传输策略能够明显提高实时视频的视觉质量。