沈 航 白光偉，3 趙 露 唐振民

(1南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京210094)

(2南京大學(xué)計(jì)算機(jī)軟件新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210093)

(3南京工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，南京210009)

多跳無線網(wǎng)絡(luò)包括移動自組網(wǎng)(MANETs)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)、無線網(wǎng)狀網(wǎng)(WMNs)等.目前，實(shí)時(shí)視頻通信是多跳無線網(wǎng)絡(luò)支持的主要業(yè)務(wù)之一.然而，在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下為實(shí)時(shí)多媒體應(yīng)用提供有效的QoS支持面臨諸多挑戰(zhàn).一方面，多跳無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境的多變性、復(fù)雜性、移動性與自組織等特征都會嚴(yán)重影響無線通信的質(zhì)量和效率［1-2］;另一方面，實(shí)時(shí)視頻通信需要在較長的時(shí)間內(nèi)傳送連續(xù)的視頻數(shù)據(jù)，并在接收方實(shí)時(shí)播放，具有嚴(yán)格的端到端QoS需求［3-4］.

現(xiàn)有的視頻通信性能優(yōu)化方法包括流控制［4-5］、區(qū)分服務(wù)［6-7］、分組調(diào)度［8-9］等.對于無線實(shí)時(shí)視頻通信而言，端到端時(shí)延是最關(guān)鍵的QoS指標(biāo).一個高效的視頻流控制協(xié)議應(yīng)能限制超時(shí)和失效數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)保障關(guān)鍵視頻幀的成功傳輸.然而，無線通信設(shè)備之間存在的時(shí)鐘不同步問題，導(dǎo)致通信協(xié)議無法準(zhǔn)確計(jì)算數(shù)據(jù)的延遲.大多數(shù)路由協(xié)議和MAC層協(xié)議不具備視頻感知功能，無法為關(guān)鍵幀提供保護(hù)，從而降低了視頻播放質(zhì)量.此外，由于不通部分的視頻幀之間形成了很強(qiáng)的解碼依賴關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)傳輸差錯造成的部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失或損壞會導(dǎo)致另外一些與之相關(guān)的視頻數(shù)據(jù)幀即便被正確接收也無法解碼;而現(xiàn)有的流媒體通信協(xié)議沒有考慮視頻數(shù)據(jù)之間的依賴關(guān)系，導(dǎo)致有效視頻吞吐量降低.

針對多跳無線網(wǎng)絡(luò)中典型協(xié)議支持實(shí)時(shí)流媒體應(yīng)用存在的問題，本文提出了一種具有時(shí)間意識的視頻流控制協(xié)議(time-aware control protocol，TACP)，以改善實(shí)時(shí)視頻通信性能.

1 視頻流和網(wǎng)絡(luò)模型

本文采用實(shí)際的多描述編碼(multiple description coding，MDC)以及單描述編碼(single description coding，SDC)視頻片段作為數(shù)據(jù)源.相應(yīng)的視頻比特流可分為視頻序列(sequence)、圖像組(group of picture，GOP)、圖像(picture)等層次.圖像對應(yīng)于視頻幀，視頻中的GOP作為1個可以獨(dú)立解碼的單位，由1個I幀和若干個依賴于它的P幀組成.根據(jù)發(fā)送順序?yàn)橐曨l幀進(jìn)行編號(從1開始).傳輸層為視頻流分配唯一的流ID，并將視頻幀分割為數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸.根據(jù)編碼規(guī)則，GOP序列號和視頻幀類型可表示為

式中，G，F(xiàn)，L分別為GOP序列號、視頻幀序列號和GOP長度;T為視頻幀類型，I幀和P幀分別用1和2表示.本文采用的視頻片段GOP長度為固定值.

視頻接收方通過設(shè)置緩存來減輕抖動帶來的影響，用戶可根據(jù)實(shí)時(shí)性需要設(shè)置緩存時(shí)間.將視頻流的接收方緩存時(shí)間記為B，中間節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包時(shí)的傳輸時(shí)延記為D.若D＞B，則視為超時(shí).

2 TACP描述和分析

首先，提出了基于跨層設(shè)計(jì)的協(xié)議框架;在此基礎(chǔ)上，對TACP的視頻同步機(jī)制和時(shí)延估計(jì)方法進(jìn)行描述;最后，研究并探討了一種基于GOP的路徑探測機(jī)制.

2.1 跨層協(xié)同框架

本文在網(wǎng)絡(luò)層的路由子層上增加了一個新的協(xié)議子層，記為TACP層.如圖1所示，TACP的協(xié)議包頭長度為24 bit，由視頻流ID(I)和視頻幀序列號(F)2部分組成.

圖1 TACP的協(xié)議包頭(單位:bit)

圖2為基于跨層設(shè)計(jì)的協(xié)議框架.由圖可知，本文設(shè)計(jì)的跨層體系涉及應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層.端到端視頻流控制工作在TACP層進(jìn)行.從結(jié)構(gòu)上看，該跨層體系可分為3個部分:①源節(jié)點(diǎn)將應(yīng)用層和傳輸層的視頻參數(shù)傳遞給網(wǎng)絡(luò)層的TACP模塊，其中參數(shù)M為源節(jié)點(diǎn)最近一次發(fā)出的視頻幀序列號.這些參數(shù)既可用于填充TACP包頭，又可根據(jù)需要通告視頻同步信息.②目的節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層和傳輸層分別用于記錄參數(shù)B和I.當(dāng)B發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的參數(shù)會被傳遞到TACP模塊.③ 節(jié)點(diǎn)收集鏈路層和路由層失效視頻參數(shù)(包括超時(shí)和因路徑中斷、擁塞等丟棄的視頻數(shù)據(jù))，并傳遞給TACP模塊.在視頻傳輸過程中，節(jié)點(diǎn)根據(jù)視頻幀之間的依賴關(guān)系以及視頻數(shù)據(jù)的延遲狀況，限制不可解碼和超時(shí)視頻數(shù)據(jù)的傳輸.

圖2 基于跨層設(shè)計(jì)的協(xié)議框架

2.2 視頻流同步與時(shí)延估計(jì)

為了準(zhǔn)確判斷是否超時(shí)，節(jié)點(diǎn)需要計(jì)算出傳輸時(shí)延D并掌握相應(yīng)視頻流對應(yīng)的緩存時(shí)間B.緩存時(shí)間的獲得及更新容易實(shí)現(xiàn)，如何準(zhǔn)確計(jì)算傳輸時(shí)延則是研究的難點(diǎn)所在.其原因在于:① 無線設(shè)備之間時(shí)鐘不同步;②如果通過獲取節(jié)點(diǎn)相關(guān)參數(shù)(如可用帶寬、隊(duì)列長度等)逐跳估計(jì)時(shí)延，會產(chǎn)生額外的開銷，且容易出現(xiàn)較大誤差.對于接收到的視頻包(攜帶有參數(shù)I和F)，若中間節(jié)點(diǎn)能夠計(jì)算出源節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)刻最新發(fā)出的視頻幀序列號(記為Mc)，則根據(jù)下式可以較為準(zhǔn)確地估計(jì)傳輸延遲:

式中，R為視頻幀發(fā)送速率.本文采用恒定發(fā)送速率.若經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)的視頻數(shù)據(jù)超時(shí)，則丟棄.

TACP工作流程可分為2個階段:同步階段和控制階段(見圖3).圖中，T1～T5為時(shí)間點(diǎn).在同步階段中，首先目的節(jié)點(diǎn)將參數(shù)B和I以單播形式發(fā)送給源節(jié)點(diǎn);然后，源節(jié)點(diǎn)將同步參數(shù)I，M，L和R進(jìn)行通告，中間節(jié)點(diǎn)收到通告信息后記錄同步參數(shù).該階段的控制消息稱為同步包.同步包一般只在新視頻流被觸發(fā)以及緩存時(shí)間被重新設(shè)定時(shí)才會被觸發(fā)，因而不會產(chǎn)生較多的開銷.

圖3 TACP工作流程

進(jìn)入控制階段后，按照如下公式計(jì)算Mc:

式中，Tc表示當(dāng)前時(shí)間;Tr表示信息被記錄的時(shí)間.在一個理想的狀態(tài)下(即源節(jié)點(diǎn)同步包的傳輸不存在延遲)，根據(jù)式(3)和(4)便可準(zhǔn)確定位超時(shí)視頻數(shù)據(jù).然而，數(shù)據(jù)傳輸延遲的存在導(dǎo)致Mc的計(jì)算存在誤差.將該誤差記為E，若滿足

則誤差E處于可容忍的范圍，這是由于采用式(3)得出的傳輸時(shí)延精度為1/F.

下面利用仿真方法對誤差 E進(jìn)行分析.在1 200×800的區(qū)域內(nèi)設(shè)置60個IEEE 802.11無線節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的最大移動速度為10 m/s;隨機(jī)選擇視頻源節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)，視頻幀發(fā)送頻率為25幀/s;設(shè)置了5對干擾源.實(shí)驗(yàn)共統(tǒng)計(jì)了4 062個端到端同步時(shí)延數(shù)據(jù).按照概率特性對其進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4.由圖可知，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)大多小于0.04，滿足式(5)的要求.

圖4 端到端同步時(shí)延的概率特性

2.3 基于GOP的路徑探測機(jī)制

將視頻傳輸過程中出現(xiàn)的失效視頻數(shù)據(jù)分為超時(shí)數(shù)據(jù)和不可解碼數(shù)據(jù)2種.根據(jù)視頻幀的依賴關(guān)系可知，若節(jié)點(diǎn)將后續(xù)失效視頻數(shù)據(jù)全部丟棄，視頻流將出現(xiàn)空洞，即在一段時(shí)間內(nèi)沒有視頻數(shù)據(jù)傳輸.若屬于I幀的視頻包失效，空洞時(shí)間將達(dá)到上限.視頻傳輸路徑處于空閑狀態(tài)(即沒有數(shù)據(jù)通過)時(shí)，則沒有反饋信息(例如路由錯誤消息)產(chǎn)生，相關(guān)節(jié)點(diǎn)無法及時(shí)更新路由.當(dāng)屬于下一個GOP的I幀視頻包到來時(shí)，若無法成功投遞，就會導(dǎo)致整個GOP失效.如此循環(huán)，致使視頻通信性能降低.

為此，本文引入了一種基于GOP的路徑探測機(jī)制，為高優(yōu)先級視頻包提供有效的通信路徑.工作流程為:當(dāng)失效視頻包出現(xiàn)時(shí)，相關(guān)節(jié)點(diǎn)提取其路徑信息;然后，根據(jù)其路徑信息向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送探測包，檢測路徑連通性;最后，將失效視頻包丟棄.當(dāng)探測包無法投遞時(shí)，相關(guān)節(jié)點(diǎn)可以及時(shí)更新路由，以保證下一個GOP中高優(yōu)先級I幀的可靠傳輸.探測包的長度較短，不會占用過多的網(wǎng)絡(luò)帶寬.

探測包中攜帶有失效視頻信息，相鄰節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到傳輸中的探測包后，保存其中的失效視頻信息，用于過濾不可解碼視頻包，特別是有利于及時(shí)減少上游通信路徑中不可解碼視頻包的發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā).圖5為路徑探測和失效視頻參數(shù)反饋過程.由圖可知，路徑N1—N2—N3—N4正在傳輸屬于一個GOP的視頻包序列.根據(jù)依賴關(guān)系，若節(jié)點(diǎn)N3出現(xiàn)視頻包失效，則上游節(jié)點(diǎn)正在傳輸?shù)囊曨l包不可解碼，應(yīng)及時(shí)清除.此時(shí)，節(jié)點(diǎn)N3會向下一跳發(fā)送探測包，其上游節(jié)點(diǎn)N2監(jiān)聽到后判斷當(dāng)前發(fā)送視頻包不可解碼，同樣會發(fā)送探測包.因此，失效視頻參數(shù)會快速逐跳反饋到上游節(jié)點(diǎn)，從而有效節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬.

圖5 路徑探測和失效視頻參數(shù)反饋過程

3 性能分析與評價(jià)

3.1 仿真環(huán)境和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在NS2中實(shí)現(xiàn)了TACP，通過一系列仿真實(shí)驗(yàn)，對其QoS支持功能進(jìn)行全面分析和評價(jià).選取了具有代表性的無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 SMR［10］和DSR與 TACP協(xié)同工作，并將其分別簡稱為SMR+和DSR+.采用一個中等質(zhì)量的MDC視頻片段作為SMR的數(shù)據(jù)源，通過多路徑方式并行傳輸，平均比特率和峰值比特率分別為96和825 kbit/s.采用一個對應(yīng)的SDC視頻片段作為DSR的數(shù)據(jù)源，進(jìn)行單路徑傳輸，平均比特率和峰值比特率分別為77和828 kbit/s.在1 200×800的區(qū)域內(nèi)布置60個IEEE 802.11無線節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的最大移動速度設(shè)為10 m/s，隨機(jī)選擇一對視頻源和接收節(jié)點(diǎn)，干擾源發(fā)送速率為12 kbit/s.分別考慮負(fù)載變化和視頻緩存時(shí)間變化時(shí)的實(shí)時(shí)視頻通信性能.為了減少隨機(jī)性，每一組數(shù)據(jù)都是在隨機(jī)場景下進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)后計(jì)算的平均值，每次實(shí)驗(yàn)持續(xù)3 700 s.

3.2 結(jié)果分析

負(fù)載變化對實(shí)時(shí)視頻通信性能的影響見圖6.實(shí)驗(yàn)中干擾源數(shù)目從5個增加到10個，可解碼視頻幀率可以反映有效視頻吞吐量.由圖可知，隨著干擾源數(shù)目的增加，網(wǎng)絡(luò)可用帶寬減少，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)發(fā)生沖突的可能性隨之增加，可解碼幀率呈下降趨勢(見圖6(a)).使用TACP后，SMR+和DSR+所提供的可解碼幀率得到了提升.由圖6(b)可知，隨著干擾源數(shù)目的增加，網(wǎng)絡(luò)可用帶寬逐漸減少，4種協(xié)議的失效視頻幀率均呈增長趨勢.TACP能夠較好地限制失效視頻數(shù)據(jù)的傳輸，因此，相比DSR和SMR，DSR+和SMR+的失效視頻幀率始終維持在一個較低的數(shù)值.圖6(c)和(d)分別顯示視頻幀平均端到端時(shí)延和抖動的變化趨勢.一方面，隨著可用帶寬的降低，DSR和SMR無法滿足實(shí)時(shí)視頻通信的QoS需求;另一方面，TACP的引入提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率，顯著降低了端到端時(shí)延和抖動.

視頻緩存時(shí)間變化對實(shí)時(shí)流媒體性能的影響見圖7，這里將緩存時(shí)間的變化范圍設(shè)為0.5～3 s.實(shí)驗(yàn)中干擾源數(shù)目設(shè)定為5個.圖7(a)為緩存時(shí)間變化對可解視頻碼的影響.由圖可知，TACP使得相關(guān)節(jié)點(diǎn)可以適應(yīng)緩存時(shí)間變化對實(shí)時(shí)性的要求.緩存時(shí)間的增加，在一定程度上降低了對視頻傳輸時(shí)延的要求;由圖7(b)可知，將視頻緩存時(shí)間設(shè)為0.5 s時(shí)，TACP能夠?qū)⒃糞MR和DSR的失效視頻幀率分別減少約2%和5%.在傳統(tǒng)的分層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)層無法獲得高層的用于協(xié)調(diào)自身傳輸行為的信息.因此，隨著視頻緩存時(shí)間的增加，SMR和DSR的視頻幀平均端到端時(shí)延和抖動沒有發(fā)生變化(見圖7(c)和(d)).采用TACP后，中間節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)時(shí)延需求的變化動態(tài)地調(diào)節(jié)視頻傳輸行為，以滿足視頻通信的端到端時(shí)延需求.

圖6 負(fù)載變化對視頻通信性能的影響

圖7 緩存時(shí)間變化對視頻通信性能的影響

4 結(jié)語

本文提出了一種用于多跳無線網(wǎng)絡(luò)中具有時(shí)間意識的視頻流控制協(xié)議，為實(shí)時(shí)視頻通信提供有效的端到端QoS支持.該協(xié)議通過跨層設(shè)計(jì)方法，在網(wǎng)絡(luò)層上增加了獨(dú)立的TACP子層，將來自應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的視頻參數(shù)映射至該子層.考慮到視頻傳輸對實(shí)時(shí)性的需求以及視頻幀之間的解碼依賴關(guān)系，采用一種分布式時(shí)延估計(jì)方法來限制失效視頻數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，從而提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率.然后，為了保證高優(yōu)先級視頻數(shù)據(jù)的可靠傳輸，研究了一種基于GOP的路徑探測機(jī)制，將其與流控制協(xié)議協(xié)同工作以提高視頻播放質(zhì)量.最后，通過一系列仿真實(shí)驗(yàn)，對其QoS支持功能進(jìn)行全面分析和評價(jià).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TACP可明顯改善視頻流質(zhì)量，提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率，并能夠適應(yīng)實(shí)時(shí)性需求的變化.

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