沈建國(guó)

(無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫214000)

基于移動(dòng)Ad Hoc的多媒體信息傳輸研究*

沈建國(guó)

(無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫214000)

現(xiàn)有的基于移動(dòng)Ad Hoc的多媒體信息傳輸受限于掩蔽效應(yīng)、多徑衰落以及噪聲干擾等因素，難以保證用戶所需的QoS。本文結(jié)合移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特性，構(gòu)建了2－路徑傳輸方案，引入自適應(yīng)碼率調(diào)節(jié)與聯(lián)合信源信道的編碼模式，使用錯(cuò)誤彈性編碼方式，達(dá)到最佳的視頻效果，具有較好的理論意義和推廣價(jià)值。

移動(dòng)Ad Hoc;多媒體信息;2－路徑傳輸方案

將移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)作為傳輸實(shí)時(shí)多媒體信息的載體，可以提升現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。但是，現(xiàn)有的基于移動(dòng)Ad Hoc的多媒體信息傳輸受限于掩蔽效應(yīng)、多徑衰落以及噪聲干擾等因素，難以保證用戶所需的QoS。一些解決方案使用可逆變長(zhǎng)編碼對(duì)延遲不敏感的業(yè)務(wù)進(jìn)行傳輸，但難以滿足流媒體服務(wù)對(duì)于延遲和抖動(dòng)的需求。如果網(wǎng)絡(luò)堵塞嚴(yán)重，就必須在傳輸終端的編解碼器上附加自適應(yīng)調(diào)節(jié)碼率的功能，難以有效應(yīng)對(duì)突發(fā)的高吞吐量和鏈路中斷?；谶@樣的現(xiàn)狀，本研究結(jié)合移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特性，開發(fā)出提高視頻的容錯(cuò)性的視頻編碼方式，構(gòu)建最大不相交2－路徑傳輸方案，引入自適應(yīng)碼率調(diào)節(jié)與聯(lián)合信源信道的編碼模式，來解決擁塞問題，同時(shí)使用錯(cuò)誤彈性編碼方式來實(shí)現(xiàn)誤碼率控制，以達(dá)到最佳的視頻效果。研究成果能夠充分保證移動(dòng)Ad Hoc視頻傳輸QoS，減少錯(cuò)誤發(fā)生，具有很好的理論意義和推廣價(jià)值。

一、基于移動(dòng)Ad Hoc的多媒體信息傳輸模型的構(gòu)建

構(gòu)建多媒體信息傳輸模型的出發(fā)點(diǎn)是提升多媒體業(yè)務(wù)的魯棒性，結(jié)合多媒體信息編碼的實(shí)際特點(diǎn)和移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的情況，設(shè)計(jì)出如下的多媒體信息傳輸方案。

(一)2－路徑傳輸模式的設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)思路

在移動(dòng)Ad Hoc傳輸網(wǎng)絡(luò)里，傳統(tǒng)的拓?fù)涓拍钜呀?jīng)被無線鏈接概念代替了，TCP/IP中的物理層之間的互聯(lián)已經(jīng)不存在。此外，因?yàn)锳d Hoc傳輸網(wǎng)絡(luò)不存在基站，由于移動(dòng)Ad Hoc傳輸網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)特性，其拓?fù)湟彩请S時(shí)間而變化的，所以，需要建立連接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間需要不停地建立連接和斷開連接。假若一條連接的組成鏈路是多段的，那么由于難以保證每段鏈接均具有高穩(wěn)定性，這條連接便會(huì)在通信過程中變得動(dòng)蕩。所以，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的單跳無線網(wǎng)絡(luò)不同之處在于:數(shù)據(jù)的傳輸中存在著更為頻繁的碼流丟失現(xiàn)象。所以，為解決由于用戶的頻繁移動(dòng)而導(dǎo)致的鏈路不穩(wěn)定，就需要網(wǎng)絡(luò)有能力盡可能快地在新構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲屑皶r(shí)發(fā)現(xiàn)和記錄新的可用路由。由于移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，導(dǎo)致其在任意2節(jié)點(diǎn)間有可能存在著多條路由。當(dāng)一個(gè)多跳路徑給定時(shí)，就可以把一個(gè)多媒體流劃分為多個(gè)多媒體子數(shù)據(jù)流，由多條不同的路徑分別傳輸每個(gè)多媒體數(shù)據(jù)子流。假若傳輸不同多媒體子數(shù)據(jù)流的路徑互相不相交，便可推定子流的數(shù)據(jù)丟失不具備互相關(guān)性。所以，如果能夠兼顧有效的錯(cuò)誤控制機(jī)制與多媒體數(shù)據(jù)子流分散傳輸，便有可能提高Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的容量，同時(shí)達(dá)到較好的錯(cuò)誤彈回效果。

2.路由協(xié)議選取

移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的重要元素便是其路由協(xié)議，一個(gè)良好的路由協(xié)議系統(tǒng)，能夠充分保證移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能和效率。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議相比，有許多不同的特點(diǎn)，原因在于，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議都有一個(gè)預(yù)先設(shè)定，即網(wǎng)絡(luò)擁有相對(duì)穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的情況很不相同，其具有不斷變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。加之無線信道特有的多徑衰落、信號(hào)間干擾、和噪聲等，導(dǎo)致其傳輸?shù)男逝c性能難以得到保證。多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路徑由于其中的節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性特征，因而會(huì)在傳輸多媒體數(shù)據(jù)時(shí)變得更加動(dòng)蕩。移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)路的路由也擁有一定的優(yōu)勢(shì)，由于節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性，拓?fù)渖系墓?jié)點(diǎn)之間的路由是多跳的，因而有利于移動(dòng)鏈路可以高效地在新構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲邪l(fā)現(xiàn)新的傳輸路由。

進(jìn)行路由協(xié)議選取的思路為:移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)路的路由不能使用表驅(qū)動(dòng)方式，這是由于表驅(qū)動(dòng)方式更適合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞€(wěn)定的情況，由于節(jié)點(diǎn)的變化非?？焖?，整個(gè)路由表便需要頻繁刷新，影響了網(wǎng)絡(luò)效率。所以，在路由協(xié)議選取中，選擇的是按需驅(qū)動(dòng)路由模式，本文選擇了AOMDV協(xié)議，并結(jié)合移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)路對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。AOMDV屬于多路徑路由協(xié)議的一種，這種協(xié)議能夠最大限度保證數(shù)據(jù)的通暢傳輸，其通過備用路由的設(shè)計(jì)思想，來確保一旦通信鏈路中斷后，多媒體數(shù)據(jù)信息可以在短時(shí)間內(nèi)切換到新的可用路由之上。

本研究在此基礎(chǔ)上結(jié)合移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)路的路由特性，優(yōu)化了AOMDV協(xié)議，一方面，為使一旦通信鏈路中斷后路由能夠快速切換，保留了AOMDV協(xié)議備用路由的方法;另一方面，將路由選擇的指標(biāo)優(yōu)化設(shè)定為路由可靠性和路由時(shí)延兩個(gè)參數(shù)。這樣一來，通過設(shè)置，如果某一時(shí)刻的路由時(shí)延不超過50毫秒，則以可靠性作為路由選擇的標(biāo)準(zhǔn)，如果某一時(shí)刻的路由時(shí)延超過50毫秒，則以低時(shí)延作為路由選擇的標(biāo)準(zhǔn)。如表1所示。

表1 基于時(shí)延的路由選擇

通過比較分析移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)路多條路徑的傳輸性能，可知在開銷與性能的選擇之間，使用不相交的兩條路徑進(jìn)行多媒體信息傳輸時(shí)，可以獲得最好的性能，因此，構(gòu)建了如圖1所示的2－路徑傳輸方案。

圖1 所構(gòu)建的2－路徑傳輸方案

本文以改進(jìn)的AOMDV協(xié)議作為移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)路多條路徑的傳輸，并采用如圖1所示的2－路徑傳輸方案，實(shí)際工作原理為:S端點(diǎn)與D端點(diǎn)間存在兩條路徑:(1)S－B1－B2－B3－D;(2)S－C1－C2－C3－D?；趥鹘y(tǒng)AOMDV協(xié)議的傳輸模式在正常情況下選擇路由中的S－B1－B2－B3－D進(jìn)行多媒體數(shù)據(jù)傳輸，在這條路由斷開時(shí)，S－C1－C2－C3－D作為備用路徑，切換為主用路由，進(jìn)行多媒體信息傳輸。

3.路由協(xié)議優(yōu)化

鑒于多媒體信息的傳輸需求與移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)路的實(shí)際特點(diǎn)，本文對(duì)AOMDV協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，思路為:把此協(xié)議進(jìn)行拓展，使之成為適應(yīng)于多路徑情況的多媒體數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，以多條不同路徑傳輸多媒體數(shù)據(jù)信息，同時(shí)保留AOMDV協(xié)議備用路由的方法，通過為每一條現(xiàn)有的路由緩存配置一條路徑相似的備用路由，來保證當(dāng)鏈路發(fā)生中斷時(shí)可以做到及時(shí)的路由切換，從而最大限度避免數(shù)據(jù)包在路由的丟失和差錯(cuò)。

在優(yōu)化的AOMDV協(xié)議里，路徑選擇的標(biāo)準(zhǔn)定位于鏈路的可靠性和數(shù)據(jù)包延遲，以數(shù)據(jù)信息丟包率來衡量可靠性。如果某一時(shí)刻的路由時(shí)延小于某值時(shí)，以可靠性作為路由選擇的標(biāo)準(zhǔn)，如果某一時(shí)刻的路由時(shí)延超過某值，則以低時(shí)延作為路由選擇的標(biāo)準(zhǔn)。考慮到多媒體信息對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求十分高，所以把數(shù)據(jù)包的時(shí)延作為主要衡量的指標(biāo)，在基本的時(shí)延需求能夠得到保證的情況下，有線使用丟包率低的路徑。在此基礎(chǔ)上，為2－路徑傳輸方案分別緩存了備用路由，保證多媒體的傳輸質(zhì)量。如圖2所示。

圖2 優(yōu)化的AOMDV協(xié)議傳輸模式

(二)擁塞控制的實(shí)現(xiàn)

由于多媒體信息對(duì)實(shí)時(shí)性的要求很高，因此在傳輸時(shí)往往首選了UDP協(xié)議，而由于這種協(xié)議并未納入擁塞控制算法，假若在不加控制的情況下以UDP協(xié)議所的設(shè)定的固有速率向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送多媒體信息數(shù)據(jù)，就容易影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能，導(dǎo)致比較嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞。因此，只有進(jìn)行有效的速率調(diào)節(jié)，才能提升AOMDV網(wǎng)絡(luò)的可靠性，最大限度地避免擁塞。

考慮到移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有終端可移動(dòng)的特點(diǎn)，所以應(yīng)盡可能地降低終端的數(shù)據(jù)負(fù)擔(dān)，所以，擁塞控制的方法是在系統(tǒng)的發(fā)送端來對(duì)速率進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體的做法是:設(shè)置3個(gè)傳輸參數(shù)閥值，分別是:(1)min_threld，(2)mid_thr，(3)max_thr。于是，在系統(tǒng)多媒體數(shù)據(jù)發(fā)送端緩沖區(qū)不超過min_thr的時(shí)候，可以把發(fā)送速率提升至當(dāng)前發(fā)送速率的2倍;在系統(tǒng)多媒體數(shù)據(jù)發(fā)送端緩沖區(qū)介于min_thr和mid_thr之間的時(shí)候，可以將發(fā)送速率定位于一個(gè)常量incr;在系統(tǒng)多媒體數(shù)據(jù)發(fā)送端緩沖區(qū)在min_thr和mid_thr之間的時(shí)候，以恒定速率進(jìn)行發(fā)送;在系統(tǒng)多媒體數(shù)據(jù)發(fā)送端緩沖區(qū)超過max_thr的時(shí)候，可以把發(fā)送速率降低至至當(dāng)前發(fā)送速率的0.5倍。表示如下:

(三)優(yōu)先級(jí)調(diào)度的實(shí)現(xiàn)

在優(yōu)先級(jí)調(diào)度方法中，有著不同的實(shí)現(xiàn)方法，一些方法把一個(gè)通信信道區(qū)分為不一樣的部分，如果業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)高，就為其分配比較多的信道資源，如果業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)低，就為其分配比較少的信道資源。而本設(shè)計(jì)并不劃分信道優(yōu)先級(jí)，劃分的是居于信道的多媒體數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)，接著結(jié)合這些多媒體數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)的不同，分別對(duì)其實(shí)現(xiàn)差別調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包的目的。這種實(shí)現(xiàn)方式的關(guān)鍵在于如何還原基本層的多媒體信息數(shù)據(jù)，否則容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)流的無法恢復(fù)。所以，在實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)調(diào)度的時(shí)候，應(yīng)該注重保護(hù)重要的數(shù)據(jù)包，并且在多媒體數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸中，對(duì)這些數(shù)據(jù)包優(yōu)先傳輸，從而盡可能降低由于過大的時(shí)延導(dǎo)致這些包的不可用的概率。本研究的做法是，在數(shù)據(jù)包排隊(duì)隊(duì)列過長(zhǎng)的時(shí)候，如果必須刪除一部分包，則通過早期刪除隊(duì)列，選擇那些比較次要的包，同時(shí)為重要的一些數(shù)據(jù)包通過預(yù)留存儲(chǔ)空間來達(dá)到避免擁塞時(shí)丟失的目的?？偟膩碚f，就是通過給不同等級(jí)的多媒體數(shù)據(jù)包預(yù)先設(shè)置優(yōu)先級(jí)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)包調(diào)度時(shí)，結(jié)合這些包的具體優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)區(qū)分服務(wù)。

(四)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)

移動(dòng)Ad Hoc的網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)兼具無線通信網(wǎng)與分組交換網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，若能構(gòu)建一個(gè)具有針對(duì)性的MAC協(xié)議，則一方面能夠保證在數(shù)據(jù)傳輸分組出現(xiàn)沖突的時(shí)候，一就是先在不同的移動(dòng)臺(tái)間交換數(shù)據(jù)信息，另一方面也能夠降低分組傳輸延遲，增強(qiáng)系統(tǒng)吞吐量。怎樣優(yōu)化MAC層協(xié)議是移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。因此，許多的優(yōu)化都針對(duì)MAC層協(xié)議的硬件部分進(jìn)行優(yōu)化，盡量減少對(duì)MAC層的調(diào)整，而是通過改動(dòng)其中的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)協(xié)議的適用性。具體來講，就是通過修改參數(shù)來優(yōu)化MAC協(xié)議的重傳機(jī)制，使MAC的重傳具備選擇性。

在傳統(tǒng)的MAC層，假若接收方可以正確接收一個(gè)數(shù)據(jù)包，則會(huì)隨之返回一個(gè)ACK信息包，作為響應(yīng)。假若發(fā)送端在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)并未收到來自接收方的ACK包，那么即可確認(rèn)接收端沒有收到，則發(fā)送方便會(huì)重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。結(jié)合IEEE中的MAC協(xié)議，數(shù)據(jù)包自動(dòng)重傳的次數(shù)最多達(dá)到七次，假若發(fā)送端進(jìn)行了7次重傳，還是未收到來自接收方的ACK包，則原數(shù)據(jù)包將會(huì)被丟棄，接下來傳輸下一個(gè)數(shù)據(jù)包。這樣的數(shù)據(jù)包傳輸機(jī)制能夠最大限度地使數(shù)據(jù)包丟失幾率降至最低，缺點(diǎn)則是使端到端的時(shí)延明顯加大，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，會(huì)由于反復(fù)重傳而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞的程度加劇。所以，本設(shè)計(jì)對(duì)MAC協(xié)議的這個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改，使其在重傳數(shù)據(jù)包時(shí)擁有一個(gè)判斷性，將數(shù)據(jù)包分為具有差錯(cuò)保護(hù)和不具有差錯(cuò)保護(hù)兩種，對(duì)于前者，丟包時(shí)應(yīng)進(jìn)行多次重傳處理，而對(duì)于后者，則直接丟棄。

(五)系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

無線信道具有廣播性的特征，這就導(dǎo)致了移動(dòng)Ad Hoc數(shù)據(jù)信息面臨被偵聽、截取的風(fēng)險(xiǎn)，所以，保證服務(wù)的安全性和私密性是移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)體系的另一個(gè)需要解決的問題。對(duì)于移動(dòng)Ad Hoc多媒體數(shù)據(jù)傳輸而言，目前的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)加密保護(hù)手段并不適合。如果存在過度的加密，一方面提升了多媒體的服務(wù)信息荷載以及移動(dòng)終端的實(shí)現(xiàn)難度，另一方面也造成技術(shù)的過度使用。這是因?yàn)椴⒉皇撬械亩嗝襟w信息都需要高度的信息安全。因此，構(gòu)建了簡(jiǎn)化而高效的移動(dòng)多媒體信息安全方案。

鑒于多媒體編碼的關(guān)鍵性，導(dǎo)致協(xié)議的基本層中的信息數(shù)據(jù)很重要，假若難以完全恢復(fù)基本層的信息數(shù)據(jù)，便會(huì)導(dǎo)致整個(gè)多媒體流不可恢復(fù)。本設(shè)計(jì)的做法是，通過對(duì)協(xié)議族BL層的關(guān)鍵幀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的加密，這就造成只有信息的發(fā)送端和信息的接收端才有權(quán)限解密，一旦發(fā)生在信息傳輸中的數(shù)據(jù)竊取，由于竊取方難以解密基本層的數(shù)據(jù)，所以不能還原所竊取的信息。由于本文僅僅對(duì)系統(tǒng)的BL層的關(guān)鍵幀進(jìn)行加密處理，一方面降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，另一方面降低了加密/解密時(shí)間。

二、結(jié)語

本文在分析實(shí)時(shí)多媒體的網(wǎng)絡(luò)需求的前提下，結(jié)合移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際特點(diǎn)，構(gòu)建了基于移動(dòng)Ad Hoc的多媒體信息傳輸方案。在基于移動(dòng)Ad Hoc的多媒體流的傳輸過程中，構(gòu)建了2－路徑傳輸方案，引入自適應(yīng)碼率調(diào)節(jié)與聯(lián)合信源信道的編碼模式，使用錯(cuò)誤彈性編碼方式，達(dá)到最佳的視頻效果，同時(shí)提高了多媒體傳輸?shù)聂敯粜浴?/p>

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2012－04－14

沈建國(guó)(1974－)，男，江蘇泰州人，碩士，講師。