基于多用户直播的移动多媒体通信系统及其实现方法与流程

本发明涉及无线网络通信技术，尤其涉及一种基于多用户直播的移动多媒体通信系统及其实现方法。
背景技术：
：随着手机、平板电脑等移动智能终端的普及，越来越多的用户习惯通过移动智能终端看新闻、看短视频以及浏览社交网络进行娱乐和通信。但利用移动智能终端看电视直播的人还很少，一方面是看电视直播需要耗费较高的流量费，另一方面是现有3G/4G通信网络无法支持大量用户群体同时联网在线观看的技术。当前，随着802.11系列无线通信协议的设备(简称WiFi)作为固定网的延伸进入千家万户，由于其具备高带宽和免费的优点，给移动智能终端用户利用WiFi以无线方式接入互联网提供了极大的便利。但现有的无线通信技术，无论是基于3G/4G还是WiFi，其基本的通信方式都是单播抢占通信。在用户密度较高的场合(如地铁或者火车站)以及无线频谱资源有限的条件下，单播抢占通信只能解决部分用户的联网需求，且无法保证联网体验，更无法保证高速的视频观看体验。因为同一空间范围内同时需要通信的设备越多，平均每个设备的通信资源就越少，通信体验越差。于是技术人员设想通过广播通信方式来解决该问题，让所有用户同时观看高速的电视直播。现有的地球同步通信卫星直播能够满足所有人同时观看电视直播的需求。但由于卫星通信具有传播距离远、信号弱的特点，必须要使用卫星电视接收机，还需要用卫星天线对准卫星方位才能准确接收到卫星信号，因而不适合行进中的移动智能终端接收器卫星信号，也不适合在目前已普及的移动智能终端上直接使用，更不适合在卫星信号无法到达的地铁隧道内使用。虽然利用电视塔可以满足所有人同时观看多媒体节目直播的需求，但电视塔发射的无线信号与卫星信号类似，也无法进入地铁隧道内，用户仍然无法用智能移动终端来收看多媒体节目直播。技术实现要素：有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于多用户直播的移动多媒体通信系统及其实现方法，通过对现有无线通信协议进行扩展和改进，并以广播通信的方式最大限度降低无线频率资源的占用率来实现稳定流畅的多媒体节目直播，从而解决高密度人群环境下的多媒体通信的体验问题。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于多用户直播的移动多媒体通信系统，包括电视节目服务器、符合WiFi电视直播扩展协议规范要求的WiFi广播基站，以及支持WiFi电视直播扩展协议规范要求的WiFi直播客户端；其中：所述电视节目服务器，用于通过固定网络或移动通信网络以直播的方式提供多媒体节目；所述WiFi广播基站，用于根据所述WiFi直播客户端播放频道的请求通过互联网获取网络电视直播数据流，并以无线广播方式发送出去；所述WiFi直播客户端，用于接收所述WiFi广播基站的多媒体电视节目。其中：还包括节目优先级服务器，用于根据移动智能终端反馈的电视频道历史点击数量对电视节目服务器播放的电视节目进行优先级排队；还用于当WiFi广播基站同时播放的频道数量达到临界值时，如果有新的频道需要加入时，根据新频道的优先级决定拒绝新频道加入还是关闭已有点击数量低的频道。所述WiFi直播客户端为由硬件组成的电子产品。所述WiFi直播客户端收到WiFi广播基站的电视频道数据流之后通过蓝牙或者直连数据线将视频发送给不支持WiFi电视直播扩展协议的移动智能终端，再由所述移动智能终端通过视频播放器进行播放。所述WiFi直播客户端为内置WiFi电视直播扩展协议的移动智能终端。所述内置WiFi电视直播扩展协议的移动智能终端在收到WiFi广播基站广播的电视频道数据流后直接通过应用程序播放。所述WiFi直播客户端均能够与WiFi广播基站进行广播通信来实现频道管理。所述WiFi电视直播扩展协议的MAC头帧控制域第1个字节的第3～4位为管理帧；第5～8位为管理帧子类型。所述WiFi电视直播扩展协议的帧体部分为电视频道管理头域TVMheader和电视频道管理体域TVMbody；所述TVMheader的总长度为2字节，其中：type域长度为5bit表示TVM包类型；length域长度为11bit，表示TVM包数据部分长度，单位为字节；Checksum域长度为16bit，表示TVM包数据部分的16位校验和，用于基本的纠错。一种基于多用户直播的移动多媒体通信系统的实现方法，该方法包括如下步骤：A、利用电视节目服务器通过固定网络或移动通信网络以直播的方式提供多媒体节目，并通过符合WiFi电视直播扩展协议规范要求的WiFi广播基站进行频道播放的步骤；以及，B、利用支持WiFi电视直播扩展协议规范要求的WiFi直播客户端进行频道播放的步骤。相较于现有技术，本发明所提供的基于多用户直播的移动多媒体通信系统及其实现方法，具有以下优点：(1)本发明充分利用现有物质条件和技术基础，开发成本低廉。利用WiFi协议和智能手机的普及可以较为容易的实现人群密度超高的场合进行电视直播。(2)本发明充分考虑了无线通信资源的优化，使用广播承载电视频道数据流并且完全裁撤掉了原WiFi连接管理协议。在充分节约无线通信资源的条件下则能够实现稳定的电视频道数据流传输，保持电视频道稳定、清晰的播放。而且不受用户数量的限制，用户数量再多也能实现同样质量的播放效果。(3)本发明利用电视频道管理协议(请参考图2、图3所示“WiFi电视直播扩展协议”)技术，在节省传输资源的同时也实现了不同用户观看不同电视频道的需求。用户可以随心所欲的选择观看喜爱的电视频道。附图说明图1为本发明实施例基于多用户直播的移动多媒体通信系统的网络架构示意图；图2为本发明实施例WiFi电视直播扩展协议类型字段在802.11协议头部的自定义结构示意图；图3为本发明实施例WiFi电视直播扩展协议头部结构在802.11报文结构中的位置示意图；图4为本发明实施例WiFi广播基站频道播放流程图；图5为本发明实施例WiFi直播客户端频道播放流程图。具体实施方式下面结合附图及本发明的实施例对本发明基于多用户直播的移动多媒体通信系统及其实现方法作进一步详细的说明。本发明的基本思想是，为了解决超高密度人群环境下的无线通信多媒体节目的共享和体验问题，通过以节省无线频率资源的广播通信方式来实现稳定流畅的视频直播。由于电视频道具有广播的特点，而广播通信方式则能够最大限度地降低通信资源的占用率。本发明实施例基于802.11协议实现，可以使用现有802.11硬件进行软件开发来实现802.11协议的扩展。当然也可基于同样的原理扩展到3G/4G网络，实现只要有移动通信网络信号的地方就可以用移动智能终端看电视。本发明实施例中将WiFi路由器作为电视频道广播基站(简称“WiFi广播基站”)，将电视频道数据流通过WiFi广播来发送，接收端(即“WiFi直播客户端”)则过滤所有广播包，仅将符合自身订制或选择需要的频道的数据流接收并播放出来。由于现有WiFi协议(包括802.11x系列协议)包含复杂的连接管理协议(含扫描，关联，认证，加密等)，连接过程中的速率快慢不一、信号不稳定容易造成断线。在移动智能终端连接数量越来越多时，连接管理协议的资源开销就会越来越大。而且现有WiFi协议并不支持通过广播方式承载电视直播数据。因此，需要对现有的WiFi协议进行扩展，完全裁掉WiFi连接管理协议，只保留载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CA)避免机制，以免和其他正常使用的WiFi设备产生冲突。这样来保证无线通信资源全部用于传输电视直播数据流。所述WiFi电视直播扩展协议，主要扩展内容如下：用于实现基本的电视频道管理：由于当某电视频道长期无人观看时，WiFi广播基站不需要转发该电视频道的数据流。为节省无线通信资源，本发明提供了动态维护WiFi广播基站频道列表的机制，需要新增电视频道管理的WiFi管理报文，实现如下功能：用于电视频道优先级抢占：电视频道数量众多，无法通过同一个WiFi广播基站同时播放所有电视频道的数据流。本发明还包含一套点击量统计系统，由所有移动智能终端(通过APP)提供数据，根据电视频道历史点击数量进行优先级排序。当WiFi广播基站同时播放的频道数量达到临界值时，如果有新的频道需要加入，则根据新频道优先级决定拒绝新的频道还是关闭已有频道。其报文分类可以包括：Join：加入频道；Leave:离开频道；Refuse：拒绝播放；Stop：停止播放；Heartbeat:频道心跳；Announce:通告频道列表；Notice：节目预告。此外，本发明还考虑到当新频道加入时如果频道列表未满则直接播放，如果频道列表已满且新频道优先级较高则先停止优先级较低的频道再播放新频道，如果频道列表已满且新频道优先级最低，则拒绝播放。扩展协议的报文不能随直播客户端的数量增加而增加，应在实现电视频道管理的同时尽可能减少无线通信资源的开销。图1为本发明实施例基于多用户直播的移动多媒体通信系统的网络架构示意图。如图1所示，所述基于多用户直播的移动多媒体通信系统，典型的应用之一是可以以此为基础构建一个应用于超高密度人群环境下满足每个人单独收看电视直播的WiFi广播通信系统。在本实施例中，所述WiFi广播通信系统，主要包括电视节目服务器、节目优先级服务器、固网数据通信网络/移动通信网络(如3G/4G等高速无线数据通信网络)，还包括WiFi广播基站和WiFi直播客户端。其中：所述电视节目服务器，主要用于通过固定网络或移动通信网络以直播的方式提供多媒体电视节目，包括电视直播信号源、高保真数字音频节目等。所述节目优先级服务器，用于根据所有移动智能终端(如手机、平板电脑)等播放终端反馈的电视频道历史点击数量对电视节目服务器播放的电视节目进行优先级排队；还用于当WiFi广播基站同时播放的频道数量达到临界值时，如果有新的频道需要加入时，根据新频道的优先级决定拒绝新频道加入还是关闭已有点击数量低的频道。上述的电视节目服务器和节目优先级服务器，优选通过有线通信方式(如光纤网络、数字专线、数据通信网)与图1所示的3G/4G移动通信基站(即发射塔)相连，再经由移动网关设备转接与所述WiFi广播基站相连；或者，通过有线通信方式(如光纤网络、数字专线、数据通信网)与图1所示的地铁站、火车站内的WiFi广播基站相连。这里，所述的移动网关设备可以安装在行进中的地铁或公交车上，用于通过3G/4G移动通信网络接收包含多媒体电视节目的数据包，然后通过WiFi广播基站以符合WiFi电视直播扩展协议的规范要求将网络电视直播数据流以广播形式发送出去。这样，本发明的实施例，就解决了通过无线或有线通信的方式将各个频道的电视节目通过WiFi广播基站以无线方式发送出去的问题。所述WiFi广播基站，还可以根据WiFi直播客户端播放频道的请求从Internet获取网络电视直播数据流并以无线广播方式发送出去。较佳地，所述的WiFi广播基站，可以安装在行进中的地铁上或者地铁站、火车站内。WiFi广播基站符合“WiFi电视直播扩展协议”的规范要求，并能够根据该协议进行频道维护。较佳地，所述WiFi广播基站还应实现频道点击量统计并上报，系统动态实现频道优先级。所述WiFi直播客户端，支持所述“WiFi电视直播扩展协议”的规范要求，与WiFi广播基站进行广播通信，用来实现频道管理；所述WiFi直播客户端收到所述广播基站的多媒体节目(如电视频道数据流)之后通过蓝牙或者数据线发送给移动智能终端。进一步地，所述的WiFi直播客户端既可以是由硬件电路配置的电子产品(支持WiFi电视直播扩展协议)，可由用户单独购买并随身使用；也可以是支持内置的移动智能终端。所述由硬件WiFi直播客户端和内置该扩展协议的移动智能终端，均可与WiFi广播基站进行广播通信来实现频道管理。在使用支持WiFi电视直播扩展协议的移动智能终端时，可以在收到广播的电视频道数据流之后直接通过应用程序播放。在使用硬件WiFi直播客户端方式时，所述硬件WiFi直播客户端在收到广播的电视频道数据流之后通过蓝牙或者直连数据线将视频发送给(不支持WiFi电视直播扩展协议的)移动智能终端，再由该移动智能终端通过视频播放器进行播放。本发明的实施例中，为解决现有802.11协议不能直接用于广播传输电视直播数据流的问题，下面对现有802.11协议进行精简与扩展的内容以及协议实现和相应的频道播放的过程进行具体说明。本发明实施例对所述802.11协议进行精简和扩展即得到所述的WiFi电视直播扩展协议，主要实现以下需求：(1)尽可能降低管理开销，管理开销不能随客户端数量的增加而增加，将无线通信资源尽量用于传输电视频道视频流，实现通信资源总开销可控。(2)电视频道众多，不可能同时传输所有频道的视频流，需要动态进行频道维护。对长时间无人观看的频道关闭视频流，也为了方便进行电视频道扩展。为此，完全裁撤掉802.11协议三类报文管理帧(Management)、数据帧(data)和控制帧(control)。服务端(接入点AP，即本发明实施例的WiFi广播基站)和客户端(即WiFi直播客户端)都不要发送这三类报文，以免浪费频率资源。协议保留了802.11的CSMA/CA避免机制，兼容处理相关报文(根据NAV保持静默)以避免和现有802.11设备产生冲突。新增一类802.11广播管理报文(类型type＝00，子类型subtype＝1111)，用于承载电视频道数据流和实现电视频道管理。所有报文使用广播，使用固定传输速率，不需要应答(ACK)确认。由于目前支持802.11协议的硬件，控制帧ACK都是由硬件自动回复的，为了便于利用现有802.11硬件实现本扩展协议，承载电视频道数据流和电视频道管理的报文都使用广播，即相同的类型(type)和子类型(subtype)。具体报文类型由协议内部区分，参考图2和图3所示。图2为本发明实施例WiFi电视直播扩展协议类型字段在802.11协议头部的自定义结构示意图。如图2所示，现有802.11协议的MAC头(MACheader)结构，包括帧控制域(FrameControl)、持续时间/标识(Duration/ID)，以及地址域(Address)、序列控制域(SequenceControl)、服务质量控制(QoSControl)等其他头部字段。本发明将原802.11协议占2个字节(Byte)的MAC头的帧控制域(FrameControl)的第1个字节(Byte)进行重新定义，具体如下：第1-2位(bit)即协议版本(Protocol＝00)保持不变。定义第3-4位即类型域(Type)＝00为802.11扩展协议的管理帧；定义第5-8位即子类型域(Subtype)＝1111为802.11扩展协议一种新的管理帧子类型。其他字段不变。图3为本发明实施例WiFi电视直播扩展协议头部结构在802.11报文结构中的位置示意图。如图3所示，重新定义802.11协议的帧体部分(FrameBody)为电视频道管理头(TVMheader)和电视频道管理体(TVMbody)。现有802.11协议的帧体部分(FrameBody)包含信息根据帧的类型有所不同，主要用于封装上层的数据单元，长度为0～2312个字节不等，802.11协议帧最大长度为：2346个字节。802.11协议头为802.11管理帧头部，长度为定长24字节；主要包含：FrameControl字段(2字节)、Duration字段(2字节)、Address1(6字节目的MAC地址)、Address2(6字节源MAC地址)、Address3(6字节BSSID)，以及SeqCtrl(2字节顺序控制字段)。对于本发明实施例中WiFi电视直播扩展协议的报文，除FrameControl字段的type＝00，subtype＝1111之外，Address1的目的MAC地址需要固定填写广播MAC地址FF:FF:FF:FF:FF:FF。(1)所述WiFi电视直播扩展协议的头部定义：TVMheader的总长度为2字节，其中：定义type域长度为5bit，用于表示TVM包类型，最多可表示32种TVM帧类型。如下表所示：Type的值Type的名称00000TVM电视频道数据包00001TVM广告业务包00010～00111Reserved01000TVMJoin加入电视频道01001TVMLeave离开电视频道01010TVMRefuse拒绝播放电视频道01011TVMStop停止播放某频道01100Reserved01101Reserved01110TVMAnnounce通告频道列表01111TVMNotice节目预告10000～11111Reserved定义length域长度为11bit，表示TVM包数据部分长度，单位为字节，最多可表示2048字节。定义Checksum长度为16bit，表示TVM包数据部分的16位校验和，用于基本的纠错。(2)为了满足尽量节约通信资源的需求，通信资源的开销不能随WiFi直播客户端数量的增加而增大。WiFi直播客户端发送任何电视频道管理报文之前都要随机短时退避再发送。如果退避期间收到了其他WiFi直播客户端发送的相同功能的报文，则再进行随机长时退避再发送报文，长时退避时间根据不同报文类别而不同。如果退避期间收到了期望的响应，则根据响应情况更新退避时间继续退避或者停止退避。这里，所述退避，是指WiFi直播客户端保持接收状态，在静默等待超过一段时间之后，才发送自己的报文。所述随机长时退避，表示等待较长时间，通常在10秒以上，我们预设10+0～3秒。所述随机短时退避：表示等待较短时间，通常在10秒以内，我们预设1+0～3秒。(1)以TVM电视频道数据包(type＝00000)为例：定义电视频道编号(TVnumber)占4字节，可表示四十亿个频道。定义电视频道数据流序号(Streamsequence)占4字节，如果WiFi直播客户端收到了相同频道两个同序号的数据包，可能是来自不同WiFi广播基站的数据包，此时则忽略后一个到达的数据包。定义保留字(Reserved)占4字节，默认值TIGC。将来可用于对频道内容加密。定义电视频道数据流(Streamdata)，字节长度不定。(2)以TVMjoin(Heartbeat)加入电视频道(type＝01000)为例：WiFi直播客户端需要播放某电视频道且未收到该频道的数据流时，使用Join新增频道。同时Join附带电视频道心跳功能，即在节目播放期间需要周期性发送Join用于保持该频道正常播放。这是WiFi直播客户端主要发送的报文。这里，Join的发送时机为：(1)首次播放：先搜索1秒查看是否有本频道的数据流。如果有数据流则直接播放；如果既没有数据流也没有别的WiFi直播客户端Join该频道，则随机短时退避再发送Join请求；如果有别的WiFi直播客户端在Join该频道，则随机长时退避之后继续发送Join。(2)正常播放期间，周期性发送Join作为该电视频道的心跳，用于保持该频道正常播放。心跳周期默认60秒+随机长时退避。WiFi直播客户端如果收到别的客户端发送的相同节目的Join，则重新计算心跳周期，即该频道的所有客户端共同协调完成心跳功能。WiFi直播客户端可根据情况调整自己的心跳间隔。(3)正常播放的数据流意外中断超过5秒，则随机短时退避发送Join尝试重新加入该频道。(4)上一次Join在3秒内未收到任何响应(发送Join之后依然没有收到频道数据流或者Stop/Refuse,则Join超时)，则可能不在覆盖网络范围或者Join包丢失，随机长时退避之后继续发送Join。如果Join连续三次依然没有任何响应，可能不在网络覆盖范围内，应停止Join，提示用户播放超时。退避期间如果该频道数据流恢复则立即播放频道并开始心跳周期。WiFi广播基站收到加入(Join)电视频道的请求后，如果已经在播放该频道的数据流则只需更新Timeestimate。如果该频道还未播放则尝试从服务器下载该频道数据流并发送。本发明实施例基于多用户直播的移动多媒体通信系统的实现方法，主要包括通过WiFi广播基站进行频道播放的过程和利用WiFi直播客户端进行频道播放的过程。图4为本发明实施例通过WiFi广播基站进行频道播放的流程图。如图4所示，所述通过WiFi广播基站进行频道播放的过程，主要包括如下步骤：步骤41：WiFi广播基站在收到WiFi直播客户端的Join电视频道的请求时，判断当前频道是否正在播放，如果是，则更新播放时长，继续播放当前节目；如果否，则执行步骤42；步骤42：判断频道数量是否已满，如果是，则执行步骤44；否则，执行步骤43；步骤43：加入新的节目并开始播放新节目，直到服务器超时或收到停止(stop)指令结束节目数据流；步骤44：进一步判断新频道优先级是否更高，如果是，则执行步骤45，否则，执行步骤46；步骤45：剔除优先级较低的频道，然后跳转到步骤43；步骤46：拒绝播放当前待加入的优先级低的新频道节目。图5为本发明实施例利用WiFi直播客户端进行频道播放的流程图。如图5所示，利用所述WiFi直播客户端进行频道播放的过程，包括如下步骤：步骤51：移动智能终端用户通过WiFi直播客户端选择频道；步骤52：所述WiFi直播客户端判断是否接收到节目数据流，如果是，则执行步骤53；否则，执行步骤54；步骤53：通过移动智能终端播放频道电视节目，并周期性地发送频道心跳信号；在停止(stop)播放频道电视节目时，则执行步骤56；步骤54：未收到节目数据流，将当前节目数据流加入频道序号，然后执行步骤55；步骤55：如果无响应，判断加入(join)多次(如3次)是否超时，如果未超时，则返回步骤52；否则，执行步骤56；步骤56：返回播放失败的提示信息。在地铁、火车站等人口密集的场所实施本发明基于多用户直播的移动多媒体通信系统，按照WiFi信号覆盖范围合理分布所述的WiFi广播基站。当用户携带WiFi直播客户端(也可以是支持WiFi电视直播协议的移动智能终端)进入WiFi信号覆盖范围内，WiFi直播客户端扫描发现是否存在期望频道的广播数据流。所述直播客户端发起频道播放请求(Join)，所述广播基站被动响应请求。这里的广播基站相当于电视频道代理。所述广播基站向服务器请求对应频道的数据流并通过广播发送出去。WiFi直播客户端需要周期性发送频道心跳，当直播客户端APP关闭、离开该网络或者切换到其他电视频道之后，WiFi广播基站需要对无人观看的频道关闭数据流。本发明默认设置不允许每个直播客户端都有权发送频道心跳包，所述直播客户端在播放电视频道的同时应监听处理其他WiFi直播客户端发出的心跳包，如果收到了相同频道的心跳则重新计时自己的心跳间隔起始时间。为了避免多个直播客户端同时发送心跳，可以在频道心跳间隔基础上加上随机退避功能。当所述广播基站直播的频道数量达到了设定的上限时，假设无线环境能容纳50个频道同时播放。考虑到覆盖信号的重叠，频道数量的上限最好不超过25个。当再有新的频道请求加入时，所述广播基站从频道优先级服务器查询结果。根据频道优先级决定立即播放、关闭已有频道再播放还是拒绝播放。当所述直播客户端正常播放的频道数据流中断，通常是因为漫游离开了WiFi直播基站或者该电视频道被关闭。所述直播客户端可尝试重新加入该频道，如果加入失败或者超时说明无法继续播放了。所述直播客户端可尝试刷新频道列表并给用户显示出来。所述WiFi电视直播扩展协议的所有报文均使用WiFi广播，而不需要进行应答ACK确认。如果频道管理报文发送出去之后没有得到期望的响应，则在随机退避一段时间后重新发送。WiFi电视直播扩展协议的所有报文使用固定速率发送，是一个无连接的管理协议。协议的核心是电视频道管理、所述广播基站和直播客户端发送的管理报文、广播基站发送的电视频道数据流都使用固定的速率发送。所述WiFi电视直播扩展协议使用的电磁波频率最好能运行在5GHz的WiFi空闲的频率范围，或者向频谱管理机构申请单独的广播频率传输范围，以避免电视直播受到其他WiFi设备的干扰。以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。当前第1页1 2 3