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摘要：本文提出一个方法，用于自适应调整音视频编码后形成UDP数据包的包大小，使得音视频数据包能够透明通过各种不同架构的网络而不被拆分，从而提高网络传输的效率。
关键字：LTE；音视频编码；MTU；PIS；TS流
1 概述
在城市轨道交通系统工程中，乘客信息系统（Passenger Information System，以下简称PIS）的一个重要功能是地铁列车上的音视频直播。要实现该功能，首先需要在PIS控制中心将直播信号进行音视频编码。编码通过控制中心的编码器实现。
编码器在对直播信号编码后，按照DVB标准将直播数据打包成UDP包，并以组播的方式输入到PIS网络。音视频直播数据包通过LTE车地无线网络传输到列车，并由车载播放控制器解码播放。
该线路建设的1.8GHz频段LTE车地无线网络能够提供的总数据带宽大约为8Mbps，包括上下行，但是需要同时承载信号系统、视频监控系统、PIS三个业务。
音视频编码数据的特点是数据量很大，按照PIS的功能要求，列车音视频直播的编码码率一般要求达到2～6Mbps，而LTE车地无线网络承载的三个业务中，除了信号系统的数据码率较低外（Kbps量级），其他两个业务都是音视频业务，都要求较高的带宽来传输。信号系统是列车行进控制的安全保障系统，在三个业务中优先级是最高的，视频监控系统则是安防反恐的重要辅助手段，优先级次之，PIS业务是三个业务中优先级最低的。
由于无线网络无法做到有线网络那么稳定可靠，在传输数据的过程中会由于信号干扰导致数据丢失，因此为了能够有效的在LTE车地无线网络上传输UDP形式的直播音视频数据包，应该避免一个音视频编码UDP数据包被网络拆分成两个包传输，否则一旦其中的一个拆分包丢失，就会导致整个音视频编码UDP数据包丢失。
车载上进行音视频解码播放时，如果发生数据包丢失的情况，会导致卡顿和马赛克现象，影响到乘客的观感体验，数据丢的越多，卡顿和马赛克现象就越严重。因此在遇到数据包丢失时，需要将丢失的数据包补充回来。如果补充的数据包也被拆分传输的话，势必会占用更多的带宽。
2 UDP包
UDP 是User Datagram Protocol的简称，中文名是用户数据报协议，是OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联）参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，IETF RFC 768是UDP的正式规范。UDP在IP报文的协议号是17。
UDP协议与TCP协议一样用于处理数据包，但是不一样的是，UDP是一种无连接的协议。UDP协议直接位于IP（网际协议）协议的顶层。根据OSI（开放系统互连）参考模型，UDP和TCP都属于传输层协议。UDP协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据包的形式。一个典型的数据包就是一个二进制数据的传输单位。每一个数据包的前8个字节用来包含报头信息，剩余字节则用来包含具体的传输数据。
UDP报文没有可靠性保证、顺序保证和流量控制字段等，可靠性较差。但是正因为UDP协议的控制选项较少，在数据传输过程中延迟小、数据传输效率高，适合于传输音视频数据。
端口号分为源端口号和目的端口号，用于描述发送端和接收端应用的数据通道。UDP长度是指包括报头和数据部分在内的总字节数。由于包头长度是固定的，所以该域主要被用来计算数据部分的长度。从理论上说，UDP长度域占用16比特位，因此包含报头在内的数据报的最大长度为2^16 = 65535字节。
UDP包在IP包中的位置下图所示。
3 MTU及自动探测
MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）是指一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小，对于TCP/IP来说，就是TCP包和UDP包的最大大小（以字节为单位），虽然上面提到UDP包的最大长度为65535字节，但那是面向应用层，对于网络层，如果一个数据包超过了MTU，虽然该数据包也能继续传输，但是会被网络层驱动拆分成一个个不超过MTU的数据包再传输，然后在接收端在重新组合成完成的数据包。在传输的过程中，即使仅仅一个拆分的小包丢失，也会导致整个数据包被丢弃。
因此，在PIS中實现车载音视频直播时，打包形成的UDP包不应该超过MTU大小，以提高传输的效率。
在windows和linux两大主流操作系统中，socket是网络数据通信的具体实现，通过设定DF标记位（don't fragment flag，意思是不拆分）可以将一个指定大小的数据包不经过拆分发往目的端，如果该数据包能够送达，说明网络MTU比该数据包大小大，可以再尝试发送更大的数据包。
Windows系统：
int val = 1；
setsockopt（sd， IPPROTO_IP， IP_DONTFRAG， &val， sizeof（val））；
linux系统：
int val = IP_PMTUDISC_DO；
setsockopt（sd， IPPROTO_IP， IP_MTU_DISCOVER， &val， sizeof（val））；
自动探测的算法及流程如下：
4 UDP数据包自适应调整
编码器通过上述方法探测到MTU大小后，首先需要计算出留给负载的数据长度，算法如下：
length = MTU – IP包长 – UDP包长
其中IP包长为20字节，UDP包长为8字节。
对于普通以太网来说，MTU一般为1500字节，那么留给负载的数据长度为：
length = 1500 – 20 – 8 = 1472
按照DVB标准，TS流由一个个数据包构成，TS包包长有188、204个字节，一般188包长的应用较多。因此，一个MTU包能够容纳的TS包个数如下：
number = length / TS包长
在普通以太网中，计算如下：
number = 1472 / 188 = 7
因此，普通以太网中，实际的音视频编码UDP数据包大小为：
size = 7 * 188 = 1316
5 数据测试及结果分析
在LTE车地无线网络在实际实现时，经探测，其MTU为1500。为了比较音视频编码的UDP数据包在拆分和不拆分情况下的数据传输效率，专门对编码器的输出设置了两种UDP包长，并测试两种情况下的数据传输情况，结果详见下表。
不管传输任何数据，对于LTE网络来说，数据丢失率应该是差不多的，可是为什么上述的丢失率差别如此大呢？下面仔细分析。
对于1316包长，总数据包个数为79679，由于不需要拆分，对于LTE网络来说，数据包个数也是79679；然而对于1504包长来，总数据包个数为69719，虽然少了，但是对于LTE网络来说，由于需要拆分，实际的数据包个数变成了69719 * 2 = 139438。拆分的数据包，一旦其中一个丢失，整个数据包就会丢弃，因此在LTE网络层丢包率基本一致的情况下，1504包长的数据丢失率更高是正常的。
综上所述，自适应调整音视频编码的UDP包长，使得数据包在网络层传输时不需要拆分，对于提高整个LTE网络利用效率是非常重要的，毕竟丢失的数据包还需要重新传输，以确保音视频解码的流畅性。本文专门据此提出了一个自适应调整音视频编码的UDP包长的方法。
（作者单位：1 2 3 南京地铁建设有限责任公司 4 5 南京熊猫信息产业有限公司 6 7 8 普天信息技术有限公司）
关键字：LTE；音视频编码；MTU；PIS；TS流
1 概述
在城市轨道交通系统工程中，乘客信息系统（Passenger Information System，以下简称PIS）的一个重要功能是地铁列车上的音视频直播。要实现该功能，首先需要在PIS控制中心将直播信号进行音视频编码。编码通过控制中心的编码器实现。
编码器在对直播信号编码后，按照DVB标准将直播数据打包成UDP包，并以组播的方式输入到PIS网络。音视频直播数据包通过LTE车地无线网络传输到列车，并由车载播放控制器解码播放。
该线路建设的1.8GHz频段LTE车地无线网络能够提供的总数据带宽大约为8Mbps，包括上下行，但是需要同时承载信号系统、视频监控系统、PIS三个业务。
音视频编码数据的特点是数据量很大，按照PIS的功能要求，列车音视频直播的编码码率一般要求达到2～6Mbps，而LTE车地无线网络承载的三个业务中，除了信号系统的数据码率较低外（Kbps量级），其他两个业务都是音视频业务，都要求较高的带宽来传输。信号系统是列车行进控制的安全保障系统，在三个业务中优先级是最高的，视频监控系统则是安防反恐的重要辅助手段，优先级次之，PIS业务是三个业务中优先级最低的。
由于无线网络无法做到有线网络那么稳定可靠，在传输数据的过程中会由于信号干扰导致数据丢失，因此为了能够有效的在LTE车地无线网络上传输UDP形式的直播音视频数据包，应该避免一个音视频编码UDP数据包被网络拆分成两个包传输，否则一旦其中的一个拆分包丢失，就会导致整个音视频编码UDP数据包丢失。
车载上进行音视频解码播放时，如果发生数据包丢失的情况，会导致卡顿和马赛克现象，影响到乘客的观感体验，数据丢的越多，卡顿和马赛克现象就越严重。因此在遇到数据包丢失时，需要将丢失的数据包补充回来。如果补充的数据包也被拆分传输的话，势必会占用更多的带宽。
2 UDP包
UDP 是User Datagram Protocol的简称，中文名是用户数据报协议，是OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联）参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，IETF RFC 768是UDP的正式规范。UDP在IP报文的协议号是17。
UDP协议与TCP协议一样用于处理数据包，但是不一样的是，UDP是一种无连接的协议。UDP协议直接位于IP（网际协议）协议的顶层。根据OSI（开放系统互连）参考模型，UDP和TCP都属于传输层协议。UDP协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据包的形式。一个典型的数据包就是一个二进制数据的传输单位。每一个数据包的前8个字节用来包含报头信息，剩余字节则用来包含具体的传输数据。
UDP报文没有可靠性保证、顺序保证和流量控制字段等，可靠性较差。但是正因为UDP协议的控制选项较少，在数据传输过程中延迟小、数据传输效率高，适合于传输音视频数据。
端口号分为源端口号和目的端口号，用于描述发送端和接收端应用的数据通道。UDP长度是指包括报头和数据部分在内的总字节数。由于包头长度是固定的，所以该域主要被用来计算数据部分的长度。从理论上说，UDP长度域占用16比特位，因此包含报头在内的数据报的最大长度为2^16 = 65535字节。
UDP包在IP包中的位置下图所示。
3 MTU及自动探测
MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）是指一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据包大小，对于TCP/IP来说，就是TCP包和UDP包的最大大小（以字节为单位），虽然上面提到UDP包的最大长度为65535字节，但那是面向应用层，对于网络层，如果一个数据包超过了MTU，虽然该数据包也能继续传输，但是会被网络层驱动拆分成一个个不超过MTU的数据包再传输，然后在接收端在重新组合成完成的数据包。在传输的过程中，即使仅仅一个拆分的小包丢失，也会导致整个数据包被丢弃。
因此，在PIS中實现车载音视频直播时，打包形成的UDP包不应该超过MTU大小，以提高传输的效率。
在windows和linux两大主流操作系统中，socket是网络数据通信的具体实现，通过设定DF标记位（don't fragment flag，意思是不拆分）可以将一个指定大小的数据包不经过拆分发往目的端，如果该数据包能够送达，说明网络MTU比该数据包大小大，可以再尝试发送更大的数据包。
Windows系统：
int val = 1；
setsockopt（sd， IPPROTO_IP， IP_DONTFRAG， &val， sizeof（val））；
linux系统：
int val = IP_PMTUDISC_DO；
setsockopt（sd， IPPROTO_IP， IP_MTU_DISCOVER， &val， sizeof（val））；
自动探测的算法及流程如下：
4 UDP数据包自适应调整
编码器通过上述方法探测到MTU大小后，首先需要计算出留给负载的数据长度，算法如下：
length = MTU – IP包长 – UDP包长
其中IP包长为20字节，UDP包长为8字节。
对于普通以太网来说，MTU一般为1500字节，那么留给负载的数据长度为：
length = 1500 – 20 – 8 = 1472
按照DVB标准，TS流由一个个数据包构成，TS包包长有188、204个字节，一般188包长的应用较多。因此，一个MTU包能够容纳的TS包个数如下：
number = length / TS包长
在普通以太网中，计算如下：
number = 1472 / 188 = 7
因此，普通以太网中，实际的音视频编码UDP数据包大小为：
size = 7 * 188 = 1316
5 数据测试及结果分析
在LTE车地无线网络在实际实现时，经探测，其MTU为1500。为了比较音视频编码的UDP数据包在拆分和不拆分情况下的数据传输效率，专门对编码器的输出设置了两种UDP包长，并测试两种情况下的数据传输情况，结果详见下表。
不管传输任何数据，对于LTE网络来说，数据丢失率应该是差不多的，可是为什么上述的丢失率差别如此大呢？下面仔细分析。
对于1316包长，总数据包个数为79679，由于不需要拆分，对于LTE网络来说，数据包个数也是79679；然而对于1504包长来，总数据包个数为69719，虽然少了，但是对于LTE网络来说，由于需要拆分，实际的数据包个数变成了69719 * 2 = 139438。拆分的数据包，一旦其中一个丢失，整个数据包就会丢弃，因此在LTE网络层丢包率基本一致的情况下，1504包长的数据丢失率更高是正常的。
综上所述，自适应调整音视频编码的UDP包长，使得数据包在网络层传输时不需要拆分，对于提高整个LTE网络利用效率是非常重要的，毕竟丢失的数据包还需要重新传输，以确保音视频解码的流畅性。本文专门据此提出了一个自适应调整音视频编码的UDP包长的方法。
（作者单位：1 2 3 南京地铁建设有限责任公司 4 5 南京熊猫信息产业有限公司 6 7 8 普天信息技术有限公司）