王華林，宋建新

（南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和多媒體技術(shù)的不斷成熟，網(wǎng)絡(luò)上所傳輸?shù)男畔⒁巡辉倬窒抻诤?jiǎn)單的文字和圖像，而是向傳輸由視頻、音頻組成的多媒體信息方向發(fā)展。由于無線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性、不可預(yù)測(cè)的延時(shí)、丟包率和可用帶寬，視頻傳輸在盡力而為的Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸中面臨著很大的挑戰(zhàn)。

在無線視頻通信中，接收方希望對(duì)收到的視頻流進(jìn)行不間斷、流暢地播放，這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)質(zhì)量保證提出了很高的要求，視頻編解碼和傳輸系統(tǒng)需要克服信道的高誤碼率、包丟失等問題。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，利用路徑分集在多條路徑上傳輸已經(jīng)成為一個(gè)有效的方式來克服這些困難。

2 路徑分集

2.1 路徑分集介紹

分集技術(shù)的基本思想是：通過一定的形式使接收端同時(shí)接收到多個(gè)衰落特性互相獨(dú)立的信號(hào)，然后對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行特定的處理并加以合并從而減小衰落信號(hào)電平的起伏程度。在物理層進(jìn)行的頻率分集、時(shí)間分集、空間分集已經(jīng)研究了很多年，但是網(wǎng)絡(luò)層的路徑分集近幾年才開始得到重視[1]。

路徑分集是一種傳輸技術(shù)，是指在分組網(wǎng)絡(luò)中通過兩條或更多的路徑傳輸數(shù)據(jù)。路徑分集既可以使用多條路徑同時(shí)傳輸，也可以在傳輸過程中選擇較好的一條路徑進(jìn)行切換。這與傳統(tǒng)的單路徑傳輸所有的數(shù)據(jù)包有很大區(qū)別。多路徑可以源于單個(gè)源節(jié)點(diǎn)，也可以源于多個(gè)源節(jié)點(diǎn)。由多個(gè)源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的路徑分集也稱為服務(wù)器分集或者源節(jié)點(diǎn)分集。兩種路徑分集方式的架構(gòu)如圖1所示。路徑分集已經(jīng)應(yīng)用于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)、ad-hoc網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)以及Overlay網(wǎng)絡(luò)[2-3]。

2.2 路徑分集的優(yōu)點(diǎn)

通過聚集網(wǎng)絡(luò)資源，路徑分集能有效地改善流媒體傳輸性能[4-5]。路徑分集的一個(gè)最直接優(yōu)點(diǎn)就是通過同時(shí)使用所有路徑增加可用帶寬。增加帶寬既可以通過多源的路徑分集，也可以通過單個(gè)源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)聚集帶寬。由于增加了可用帶寬，采用路徑分集還能夠?qū)⒁粭l流分配到多條路徑上從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流量負(fù)載平衡。

路徑分集的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過復(fù)制一些數(shù)據(jù)包在其他路徑上同時(shí)傳輸，可以減小丟包率和延時(shí)。只要不是所有的路徑上都發(fā)生丟包，接收端既能獲得最小的路徑延時(shí)，又能減小一條路徑上的丟包對(duì)視頻接收造成的影響。在多條路徑上平均分配數(shù)據(jù)包不僅可以減小丟包率的波動(dòng)性，使丟包率維持相對(duì)平穩(wěn)，還增加了每條路徑上的包間距，使一定時(shí)間內(nèi)由網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的突發(fā)性丟包更少。與相同數(shù)量的連續(xù)丟包相比，視頻更容易從多個(gè)孤立的丟包中恢復(fù)出來。

圖1 路徑分集架構(gòu)

3 路徑分集在視頻傳輸中的應(yīng)用研究

在使用路徑分集時(shí)，視頻流傳輸通常采用兩種源編碼方式：多描述編碼（multiple description coding）[6-9]和可分級(jí)編碼（layered coding 或者 scalable coding）[9-11]。 多描述編碼是指將原始信息編碼成多個(gè)子流，也稱為多個(gè)描述。多描述編碼有兩個(gè)重要的性質(zhì)：1）每個(gè)描述都可以獨(dú)立解碼，得到原始信號(hào)一定有效程度的復(fù)制信號(hào)；2）多個(gè)描述之間包含互補(bǔ)信息，正確接收到的描述數(shù)量越多，解碼信號(hào)的質(zhì)量越好?？煞旨?jí)編碼是將視頻流分成一個(gè)基本層和多個(gè)增強(qiáng)層。解碼端首先必須接收一個(gè)基本層以確?；镜膱D像質(zhì)量，而接收需要的增強(qiáng)層信息則用來進(jìn)一步提高解碼圖像精細(xì)部分的質(zhì)量。與多描述編碼相比，如果可分級(jí)編碼基本層的數(shù)據(jù)包丟失，那么即便收到增強(qiáng)層的信息也無法進(jìn)行解碼。

3.1 多描述編碼視頻流的路徑分集傳輸

文獻(xiàn)[6]介紹了一種在2條路徑的路徑分集系統(tǒng)中傳輸多描述編碼視頻的失真模型。對(duì)于2條路徑的路徑分集，存在一些路徑1與路徑2都要經(jīng)過的聯(lián)合鏈路、只有路徑1經(jīng)過的非聯(lián)合鏈路、只有路徑2經(jīng)過的非聯(lián)合鏈路。多描述編碼視頻的失真主要取決于丟包同時(shí)影響兩個(gè)描述還是只影響單個(gè)描述。多描述源的失真行為可以用4狀態(tài)模型來表示。狀態(tài)00表示兩個(gè)描述都收到，狀態(tài)01，10表示只收到一個(gè)描述，另一個(gè)描述丟失，狀態(tài)11表示兩個(gè)描述都丟失。筆者提出了快速預(yù)測(cè)多描述在路徑分集下的失真模型，研究結(jié)果顯示與傳統(tǒng)的單描述編碼視頻在單路徑上傳輸相比，使用多描述編碼與路徑分集能減少失真。

文獻(xiàn)[7]基于多描述編碼和路徑分集提出了一種TCP友好率分配算法。路徑分集采用服務(wù)器分集的形式，兩個(gè)發(fā)送端通過不同的路徑將互補(bǔ)的子流發(fā)送給接收端。每個(gè)子流都使用FEC編碼進(jìn)行保護(hù)。每個(gè)發(fā)送端有不同的可用帶寬，丟包程度也不相同。筆者提出的算法首先使用TCP友好率控制算法估計(jì)可用帶寬和丟包率，再調(diào)整每個(gè)發(fā)送者的傳送速率和傳輸?shù)陌臄?shù)量，使得接收端的總失真最小。研究顯示這種算法能增加對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞造成丟包的容忍程度。

3.2 可分級(jí)編碼視頻流的路徑分集傳輸

在文獻(xiàn)[9-10]中，作者提出了一種可分級(jí)編碼結(jié)合選擇性ARQ（LC+ARQ）的視頻流多徑傳輸方法。視頻流被編碼成一個(gè)基本層和一個(gè)增強(qiáng)層?；緦涌梢栽趦蓷l路徑上同時(shí)傳輸，而增強(qiáng)層選擇一條路徑傳輸。如果基本層出現(xiàn)丟包，接收端在兩條路徑上發(fā)送ARQ請(qǐng)求。由于重傳會(huì)對(duì)后面的包造成一定的延時(shí)，發(fā)送端只在增強(qiáng)層的路徑上對(duì)丟失的數(shù)據(jù)包進(jìn)行重傳。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種方法能顯著減小解碼端重建幀的差錯(cuò)傳播。將這種LC+ARQ傳輸方式與多描述運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償視頻編碼MDMC、基于反饋的參考幀選擇RPS等傳輸方法進(jìn)行比較，結(jié)果表明LC+ARQ傳輸方式能獲得最好的解碼視頻幀平均PSNR。

文獻(xiàn)[11]提出了一種在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于路徑分集的可分級(jí)編碼視頻流傳輸方案。在該傳輸方法中，MAC層根據(jù)鏈路的帶寬、視頻包的解碼期限以及排隊(duì)延時(shí)計(jì)算最大的重傳次數(shù)。傳輸時(shí)采用路徑分集，根據(jù)視頻包的視頻期望失真度和路徑的誤碼率對(duì)視頻包進(jìn)行最優(yōu)排隊(duì)并選擇最優(yōu)路徑。

每個(gè)視頻包 υ有解碼期限dυdeadline、包長(zhǎng) Lυ、失真減小值△υ等特征。失真減小值用均方誤差MSE表示，代表了視頻包的重要程度。無線網(wǎng)絡(luò)采用多跳Overlay網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)按照IEEE 802.11e的HCCA機(jī)制為每個(gè)視頻流預(yù)留一個(gè)事先決定的傳輸機(jī)會(huì)間隔。發(fā)送者與接收者之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個(gè)擁有M條路徑的連通性結(jié)構(gòu)P表示，P=｛p1，p2，…，pM｝，li，j為路徑 pi的第 j條鏈路。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)能主動(dòng)監(jiān)測(cè)其輸出鏈路的狀態(tài)矢量，但只能估計(jì)超出范圍鏈路的狀態(tài)信息。由于分析全拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，筆者在多跳網(wǎng)絡(luò)中提取出一個(gè)基本單元作為研究對(duì)象以簡(jiǎn)化分析過程。通過這種基本單元，無線多跳網(wǎng)絡(luò)能分解成多個(gè)基本單元。多跳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本單元的模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/p>

沒有鏈路出現(xiàn)失敗時(shí)，筆者引入了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)感知的失真減少度量 △υr作為 △υ的擴(kuò)展。 △υr根據(jù)超出范圍鏈路的誤碼率期望值進(jìn)行更新。視頻包的最優(yōu)傳輸就在多個(gè)參數(shù)約束下，選擇最合適的包通過最優(yōu)路徑傳輸使接收端期望失真減少值最大。計(jì)算了不采用路徑分集時(shí)接收端的總失真減少值 △GoP｛fail-free，no-diversity｝與采用路徑分集時(shí)接收端的總失真減少值 △GoP｛fail-free，diversity｝。通過比較兩者的關(guān)系，可以得出以下結(jié)論：當(dāng)沒有鏈路出現(xiàn)失敗時(shí)，最優(yōu)化的應(yīng)用層路徑分集并不能增加解碼端的期望失真減少值，達(dá)到改善性能的目的。

鏈路出現(xiàn)失敗時(shí)，數(shù)據(jù)包在重傳時(shí)主要是根據(jù)失真減少值，選擇對(duì)一些較重要的包采用路徑分集，在兩條路徑上同時(shí)傳輸，而不是基于初次傳輸?shù)拇_認(rèn)信息選擇一條最優(yōu)路徑重傳。此時(shí)傳輸一個(gè)GoP解碼端得到的相應(yīng)失真減少值為△｛failure，diversity｝。通過理論分析和仿真，結(jié)果表明如果選擇合適的分集比例，使用路徑分集能獲得更大的失真減少值，而且能使失真減少值變得穩(wěn)定，改善了視頻質(zhì)量的穩(wěn)定性。同時(shí)采用路徑分集的包的比例也會(huì)對(duì)整個(gè)視頻流的解碼質(zhì)量有影響，存在一個(gè)最優(yōu)的分集比例，能使得解碼端獲得最大期望失真減少值，這個(gè)最優(yōu)分集比例與視頻本身失真減少△υ的模型以及各鏈路失敗概率的期望值有關(guān)。

4 目前研究中存在的問題

在目前路徑分集的研究中，拓?fù)淇刂?、信道估?jì)、路徑選擇 （服務(wù)器分集結(jié)構(gòu)中主要是選擇最優(yōu)服務(wù)器）、傳輸調(diào)度以及重傳設(shè)置都是改善系統(tǒng)傳輸性能的關(guān)鍵技術(shù)。上一節(jié)介紹了路徑分集在視頻傳輸過程中的應(yīng)用研究，其中一些雖然表現(xiàn)出較好的性能，但仍然存在一些不足和需要改進(jìn)的地方。

文獻(xiàn)[7]的服務(wù)器分集研究模型比較簡(jiǎn)單，服務(wù)器與接收端之間只有一跳，路徑不會(huì)改變，因此有一定的局限性，不適合較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。如果單個(gè)服務(wù)器與接收端之間也存在多條路徑，則還需要考慮選擇最優(yōu)路徑以及單個(gè)服務(wù)器在各條路徑上的速率分配。

文獻(xiàn)[9]的LC+ARQ多徑傳輸研究中沒有對(duì)基本層的數(shù)據(jù)選擇信道最好的路徑進(jìn)行傳輸，只是將基本層與增強(qiáng)層數(shù)據(jù)分別從兩條不同的路徑上傳輸。當(dāng)基本層數(shù)據(jù)重傳時(shí)，增強(qiáng)層的傳輸路徑上將同時(shí)傳輸基本層與增強(qiáng)層數(shù)據(jù)，此時(shí)并沒有對(duì)基本層數(shù)據(jù)采用優(yōu)先傳輸，有可能導(dǎo)致較大的延時(shí)。而且如果增強(qiáng)層的傳輸路徑信道質(zhì)量不好，出現(xiàn)高誤碼率時(shí)，與在原始路徑上重傳時(shí)相比，在增強(qiáng)層路徑上重傳基本層數(shù)據(jù)并不能獲得更好的傳輸質(zhì)量。因此，采用LC+ARQ傳輸可以考慮結(jié)合路徑選擇與優(yōu)先級(jí)調(diào)度進(jìn)一步改善基本層數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行裕岣咭曨l接收質(zhì)量。

文獻(xiàn)[11]的傳輸方案雖然假設(shè)同一個(gè)GOP中的視頻包有相同的解碼期限，但是在重傳時(shí)忽略了再次傳輸?shù)囊曨l包與首次傳輸?shù)囊曨l包相比有著更小的剩余時(shí)延，導(dǎo)致重傳的視頻包不能獲得優(yōu)先傳輸?shù)臋C(jī)會(huì)，增加了解碼端接收到視頻包卻因超過解碼期限而丟棄的概率。一個(gè)改進(jìn)的方法就是對(duì)每個(gè)視頻包考慮數(shù)據(jù)包傳輸?shù)膩G包率以及超時(shí)丟棄的概率，評(píng)估其被傳輸無效的風(fēng)險(xiǎn)概率，再通過這種風(fēng)險(xiǎn)概率在傳輸調(diào)度時(shí)進(jìn)行優(yōu)先選擇傳輸，提高傳輸系統(tǒng)在時(shí)延方面的性能。此外，傳輸時(shí)還可以結(jié)合FEC對(duì)基本層數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)保護(hù)，減少重傳，降低傳輸?shù)娜哂喽取?/p>

通過結(jié)合適當(dāng)?shù)木幋a方式，路徑分集顯著地提高了視頻流傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量。合適的重傳策略能有效地降低傳輸?shù)娜哂喽?，提高無線環(huán)境下有限網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。由于多描述編碼與可分級(jí)編碼在性質(zhì)上的差異，重傳對(duì)可分級(jí)編碼特別是基本層數(shù)據(jù)，有著更加重要的作用。

5 結(jié)束語

本文介紹了路徑分集的基本原理以及它在無線傳輸網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)點(diǎn)，分析了多描述編碼、可分級(jí)編碼結(jié)合路徑分集的無線傳輸。在未來的研究中，還可以考慮將路徑分集與物理層調(diào)制和功率控制、MAC層重傳、調(diào)度算法以及應(yīng)用層相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)跨層傳輸設(shè)計(jì)，更好地提高視頻流傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量。

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