李 悅，陳衛(wèi)衛(wèi)，單 勝，丁良輝

(1.海軍裝備研究院，北京 100616；2.中國電子系統(tǒng)工程公司，北京 100141；3.國家電網(wǎng)公司信息通信分公司，北京 100761；4.上海交通大學(xué) 電子工程系，上海 200240)

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基于負(fù)載自適應(yīng)的Ad Hoc網(wǎng)視頻傳輸隊(duì)列調(diào)度算法

李 悅1，陳衛(wèi)衛(wèi)2，單 勝3，丁良輝4

(1.海軍裝備研究院，北京 100616；2.中國電子系統(tǒng)工程公司，北京 100141；3.國家電網(wǎng)公司信息通信分公司，北京 100761；4.上海交通大學(xué) 電子工程系，上海 200240)

移動(dòng)終端多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展目前已經(jīng)成為終端發(fā)展的必然趨勢。如何在移動(dòng)終端構(gòu)成Ad hoc網(wǎng)絡(luò)時(shí)有效地進(jìn)行視頻傳輸是無線網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)之一。提出了一種基于負(fù)載狀況的跨層優(yōu)化方案，其基本思想是結(jié)合應(yīng)用層視頻編碼的特點(diǎn)和接入層的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和資源的情況聯(lián)合進(jìn)行優(yōu)化。在特定的資源下通過概率接入的方法對重要性更高的數(shù)據(jù)包進(jìn)行更優(yōu)先的接入。仿真結(jié)果顯示，在網(wǎng)絡(luò)處于高負(fù)載、多跳傳輸?shù)葓鼍跋?，提出的方案視頻傳輸質(zhì)量PSNR值提升3 dB以上。相對于傳統(tǒng)調(diào)度算法，系統(tǒng)時(shí)延也可以大幅度降低。

負(fù)載自適應(yīng)；無線自組網(wǎng)；視頻傳輸

1 背景介紹

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可以在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)，不需要硬件基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持，快速構(gòu)建起一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。它的建立不依賴于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施，具有一定的獨(dú)立性；Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)沒有嚴(yán)格的控制中心；所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入和離開網(wǎng)絡(luò)；任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)使得它能滿足許多應(yīng)用領(lǐng)域的特殊需求，如軍事通信網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)急救災(zāi)等。

移動(dòng)終端多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展目前已經(jīng)成為終端發(fā)展的必然趨勢，目前無線視頻會(huì)議、無線視頻監(jiān)控以及無線視頻對話等多媒體應(yīng)用已經(jīng)越來越多地出現(xiàn)在人們的生活和工作中，同時(shí)這些應(yīng)用的需求也在飛速增長[1]。但是視頻數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸與有線傳輸有很大的不同[2-3]。首先，由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)以及無線信道的變化效應(yīng)，無線鏈路傳輸不夠穩(wěn)定，對于網(wǎng)絡(luò)的抖動(dòng)有較大影響。其次，由于無線信道具有較高的誤碼率，對于通信質(zhì)量有一定影響。再次，無線信道在一定的傳輸環(huán)境下信道共享，容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，使得網(wǎng)絡(luò)延時(shí)較大。

而視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)決定了其對于網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的要求較高，視頻數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)具有如下特征。首先是數(shù)據(jù)流海量性，視頻文件的數(shù)據(jù)量一般較大，因此視頻數(shù)據(jù)傳輸需要的帶寬較大；其次是流量不規(guī)則性，當(dāng)今視頻壓縮技術(shù)采用預(yù)測編碼方式，對于不同視頻數(shù)據(jù)源的壓縮率有一定改變，使得視頻數(shù)據(jù)量隨著壓縮率改變；最后是傳輸需要實(shí)時(shí)性，視頻數(shù)據(jù)往往對于時(shí)延有一定的要求，這對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)延和抖動(dòng)都有較高的要求。由于上述特點(diǎn)，視頻數(shù)據(jù)對無線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的要求往往較高，這些性能主要包括在數(shù)據(jù)丟包率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、傳輸延時(shí)和抖動(dòng)等。雖然視頻數(shù)據(jù)對于突發(fā)的傳輸錯(cuò)誤能夠承受，但其對帶寬的要求仍然比較高。因此，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊幌盗袉栴}加上視頻數(shù)據(jù)的較高要求，使得無線網(wǎng)絡(luò)很難為多媒體通信提供比較可靠的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)。

在無線網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點(diǎn)共享無線帶寬，共同接入無線信道。因此如何有效分配信道則對網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)吞吐量和傳輸性能有著重要影響。因此在無線網(wǎng)絡(luò)中，媒體接入控制協(xié)議(MAC)起著至關(guān)重要的作用。于無線自組網(wǎng)來說，由于沒有中心節(jié)點(diǎn)，因此不能采用點(diǎn)協(xié)調(diào)功能的方式實(shí)現(xiàn)媒體接入調(diào)度。因此在無線自組網(wǎng)中，一般采用基于競爭的接入方式，因此分布式控制(Distributed Coordination Function, DCF)在無線自組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[4]。為了提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提高業(yè)務(wù)的傳輸質(zhì)量，IEEE802.11協(xié)議組在IEEE802.11e標(biāo)準(zhǔn)中提出了增強(qiáng)分布式控制EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)，利用不同優(yōu)先級和接入?yún)?shù)的定義和調(diào)整提升傳輸效率[5]。EDCA協(xié)議對業(yè)務(wù)進(jìn)行了區(qū)分，提供了8種用戶優(yōu)先級UP(User Priority)和4種接入類別(Access Category，AC)。4個(gè)接入類別分別對應(yīng)4種類別的業(yè)務(wù)類型數(shù)據(jù)，其優(yōu)先級別從高到低排列分別是：語音業(yè)務(wù)(AC_VO)、視頻業(yè)務(wù)(AC_VI)、盡力而為業(yè)務(wù)(AC_BE)和背景業(yè)務(wù)(AC_BK)。對于不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)給予不同的接入機(jī)會(huì)，使得網(wǎng)絡(luò)資源要求更高的業(yè)務(wù)更有機(jī)會(huì)接入信道，從而在一定信道資源的情況下能夠擁有更高的服務(wù)質(zhì)量。IEEE802.11e的調(diào)度模型如圖1所示。

隨著視頻編碼技術(shù)的飛速發(fā)展，分層編碼技術(shù)，又稱為可伸縮性編碼技術(shù)，在諸如MPEG-4以及H.264、H.264/SVC編碼標(biāo)準(zhǔn)中廣泛應(yīng)用[6-7]。這種編碼技術(shù)通過幀內(nèi)幀間預(yù)測技術(shù)的方法去除大量的冗余信息以得到較高的壓縮率。原始視頻可以被編碼成一個(gè)基本層和一個(gè)或者幾個(gè)增強(qiáng)層。只需對基本層的解碼即可恢復(fù)一個(gè)質(zhì)量可以接受的視頻。通過對更多增強(qiáng)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼便對視頻的質(zhì)量進(jìn)一步提高。因此這樣的編碼方式對于無線視頻傳輸而言，大大提高了無線視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量[8]。

結(jié)合視頻編碼中的分層編碼技術(shù)與IEEE802.11的ED

圖1 典型的自組網(wǎng)跨層資源調(diào)度框圖

CA技術(shù)，研究人員提出了很多跨層優(yōu)化傳輸方法[9-14]。文獻(xiàn)[13]中提出了靜態(tài)映射算法，利用編碼的分層特點(diǎn)，將不同重要性的數(shù)據(jù)幀映射到不同的隊(duì)列中去，將視頻編解碼過程和物理層傳輸過程聯(lián)合優(yōu)化；文獻(xiàn)[14]中，作者提出了基于MPEG-4的一種動(dòng)態(tài)映射算法。其目的是利用分層編碼結(jié)構(gòu)中不同類型數(shù)據(jù)的情況，并根據(jù)隊(duì)列實(shí)時(shí)被占用的情況，動(dòng)態(tài)地分配不同數(shù)據(jù)幀到不同的隊(duì)列中去。

但是，上述研究都沒有考慮到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化情況，不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載自適應(yīng)地調(diào)整調(diào)度算法，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，提高視頻質(zhì)量。針對此問題，本文提出了一種基于負(fù)載自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，結(jié)合應(yīng)用層視頻編碼的特點(diǎn)和接入層網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和資源的情況聯(lián)合進(jìn)行優(yōu)化。在特定的資源下通過概率接入的方法對重要性高的數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先接入。

2 相關(guān)研究進(jìn)展

2.1 分層視頻編解碼技術(shù)

目前，關(guān)于可伸縮性的要求大致有3種：時(shí)間可伸縮性、空間可伸縮性以及信噪比可伸縮性。對于空間可伸縮性的實(shí)現(xiàn)，是將輸入的原始視頻序列進(jìn)行下采樣，得到低分辨率的序列，然后再對此序列變換后的系數(shù)進(jìn)行量化編碼，即可得到基本層碼流。將基本層重構(gòu)信息與原始視頻信息的誤差進(jìn)行編碼即可得到增強(qiáng)層碼流。對于時(shí)間可伸縮性的實(shí)現(xiàn)，是將視頻序列幀分為兩組，對一個(gè)組的序列進(jìn)行編碼得到基本層，對于另一個(gè)序列進(jìn)行編碼得到增強(qiáng)層?；緦拥拇a率相對較低，而增強(qiáng)層的碼率相對較高。對于信噪比可伸縮性則是在變換系數(shù)量化過程中實(shí)現(xiàn)的，基本層采用量化步長相對較大，得到的碼率也相對較低。而增強(qiáng)層則是對基本層殘差數(shù)據(jù)采用更小的步長進(jìn)行量化，從而得到更加精細(xì)的系數(shù)量化結(jié)果。本文的研究中，采用H.264/SVC的編碼方法，并僅采用了時(shí)間可伸縮性，但是所提出的方法對于其他的編碼方式仍然可行。數(shù)據(jù)幀通過時(shí)間可伸縮性區(qū)分的視頻包數(shù)據(jù)類型包括T0，T1，T2。其關(guān)系如圖2所示。

圖2 H.264/SVC數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)

2.2 動(dòng)態(tài)映射算法

在基于EDCA的視頻傳輸系統(tǒng)中，視頻數(shù)據(jù)是接入到第2個(gè)接入類別AC_VI中，其接入優(yōu)先級僅次于對于傳輸性能要求更高的音頻服務(wù)數(shù)據(jù)AC_VO隊(duì)列，而高于最大努力型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)AC_BE、背景業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)AC_BK。與DCF相比，EDCA從一定程度上提高了視頻數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。但是這種機(jī)制將所有類型的視頻數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理，在網(wǎng)絡(luò)資源緊缺的情況下將會(huì)面臨數(shù)據(jù)量過大，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞丟包和不必要的時(shí)延。同時(shí)由于很多基本層幀丟失，造成接收到的增強(qiáng)層數(shù)據(jù)包即使正確接收也無法正確解碼，使得視頻的傳輸質(zhì)量嚴(yán)重下降。

靜態(tài)映射算法[13]，利用編碼的分層特點(diǎn)，將不同重要性的數(shù)據(jù)幀映射到不同的隊(duì)列中去。將重要性高的基本層數(shù)據(jù)幀映射到AC[2]，將重要性低的視頻數(shù)據(jù)幀映射到低優(yōu)先級的隊(duì)列。靜態(tài)映射方法在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重的時(shí)候?qū)τ谝曨l的傳輸質(zhì)量有一定的提升作用，但其固定的映射方式顯然不夠靈活，不能對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化做出適時(shí)的反應(yīng)。另外在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，其表現(xiàn)并不如傳統(tǒng)的EDCA機(jī)制，尤其是延時(shí)相對較長。

無線自組網(wǎng)受到無線傳播環(huán)境的影響，信道狀況一般有較大的波動(dòng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的出站速率會(huì)隨之變化。同時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)中沒有中心協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，無法做到實(shí)時(shí)的資源協(xié)調(diào)和分配，從而造成每個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載和隊(duì)列情況也是動(dòng)態(tài)變化的。針對自組織網(wǎng)絡(luò)的特征，動(dòng)態(tài)映射算法[14]在一定程度上解決了靜態(tài)映射方法存在的問題。動(dòng)態(tài)映射算法利用分層編碼輸出數(shù)據(jù)的重要性信息，并結(jié)合隊(duì)列實(shí)時(shí)被占用的情況，動(dòng)態(tài)地將數(shù)據(jù)幀分配到不同的隊(duì)列中去。一個(gè)典型的動(dòng)態(tài)映射算法如下所述：

Step1：在包頭添加了服務(wù)類型信息(Type of Service，TOS)用來記錄視頻數(shù)據(jù)幀的類型，應(yīng)用層將這個(gè)信息傳遞到網(wǎng)絡(luò)層和媒體接入層。

Step2：所有類型的視頻數(shù)據(jù)包都按照EDCA的方式默認(rèn)映射到AC[2]中。

Step3：媒體接入層對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況進(jìn)行檢測，當(dāng)AC[2]被占用長度增大的情況下，視頻數(shù)據(jù)包將以一定的概率被降至低優(yōu)先級級的隊(duì)列中去。對于視頻編碼來說，降隊(duì)列概率與數(shù)據(jù)包重要性直接相關(guān)。

Step4：為了防止隊(duì)列長度進(jìn)一步增大，降隊(duì)列概率在隊(duì)列長度的特定范圍內(nèi)隨著隊(duì)列長度的增加而線性地增加，即

(1)

(2)

算法框圖如圖3所示，動(dòng)態(tài)映射算法通過引入利用分層編碼結(jié)構(gòu)中的不同類型數(shù)據(jù)的情況，并根據(jù)隊(duì)列實(shí)時(shí)被占用的情況，動(dòng)態(tài)地將不同數(shù)據(jù)幀分配到不同的隊(duì)列中去，可以較好地解決自組織網(wǎng)絡(luò)中的視頻傳輸問題。

圖3 動(dòng)態(tài)映射算法程序流程圖

3 基于負(fù)載自適應(yīng)的隊(duì)列調(diào)度算法

動(dòng)態(tài)映射算法雖然從某種程度上提高了接收視頻的傳輸質(zhì)量，但是仍然有許多缺點(diǎn)。首先僅僅采用AC[2]的隊(duì)列占用長度顯然對于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況和外部環(huán)境情況不能很好地體現(xiàn)。其次，采用降隊(duì)列概率的方法雖然能夠從一定程度上緩解負(fù)載過重的情況，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)持續(xù)負(fù)載較重的情況下，這種方式只能暫時(shí)緩解問題，當(dāng)負(fù)載過重的情況下，AC[2]或者其他隊(duì)列仍然會(huì)產(chǎn)生溢出，從而將重要性較高的數(shù)據(jù)包丟掉，對視頻傳輸質(zhì)量造成較大的影響。再次，降隊(duì)列概率的最終值即分配概率為固定值，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下并不能得到最優(yōu)的結(jié)果，而且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化的情況下也不能及時(shí)地調(diào)節(jié)，從而對于性能會(huì)產(chǎn)生不良的影響。

3.1 算法描述

針對上述問題，提出了基于負(fù)載自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)映射算法(Load Adaptive Dynamic Mapping，LADM)，算法框圖如圖4所示。

圖4 負(fù)載自適應(yīng)動(dòng)態(tài)映射算法程序流程圖

算法基本描述如下：

步驟2:所有類型的視頻數(shù)據(jù)包都按照EDCA的方式默認(rèn)映射到AC[2]中。

步驟3：媒體接入層對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況進(jìn)行檢測，當(dāng)AC[2]被占用長度增大的情況下，視頻數(shù)據(jù)包將以一定的概率被降至低優(yōu)先級級的隊(duì)列中去。對于視頻編碼來說，B幀應(yīng)該具有最大的降隊(duì)列概率，而I幀則應(yīng)該有最小的降隊(duì)列概率。

步驟4：降隊(duì)列概率在隊(duì)列長度的特定范圍內(nèi)隨著隊(duì)列長度的增加而線性地增加，降隊(duì)列概率與分配概率的關(guān)系和動(dòng)態(tài)映射算法相同，但分配概率隨負(fù)載情況而變化。

3.2 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況判斷算法

網(wǎng)絡(luò)是否過載的判斷通過利用所估計(jì)得到的網(wǎng)絡(luò)資源信息與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載信息進(jìn)行比較得出結(jié)果。即如果滿足

(3)

判斷此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)資源足夠傳輸所用類型業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)處于非過載狀態(tài)。否則網(wǎng)絡(luò)處于過載狀態(tài)。

3.3 分配概率的計(jì)算

對于分配概率，即當(dāng)隊(duì)列長度超過較大門限時(shí)的降隊(duì)列概率的最終值，需要采用針對負(fù)載和資源估計(jì)的值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。在本算法中，采用了根據(jù)負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)資源估計(jì)，針對相關(guān)的數(shù)據(jù)包率進(jìn)行線性調(diào)節(jié)的方法，其計(jì)算方法為

(4)

3.4 丟棄概率的計(jì)算

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于過載狀態(tài)時(shí)，需要將一部分業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包主動(dòng)丟棄，為重要性更高的數(shù)據(jù)包讓出信道資源，保證更加重要的數(shù)據(jù)包的傳輸。對于數(shù)據(jù)包的丟棄，仍然采用概率丟棄的方法。丟棄概率的值應(yīng)該與網(wǎng)絡(luò)資源和負(fù)載情況相關(guān)，在本算法中仍然采用了基于數(shù)據(jù)包率的線性關(guān)系來計(jì)算。計(jì)算方法為

(5)

4 仿真分析

文章對于無線自組網(wǎng)中的基于跨層優(yōu)化的視頻傳輸方案進(jìn)行了仿真分析，網(wǎng)絡(luò)仿真工具為NS2，視頻編解碼工具為可伸縮視頻評估框架(ScalableVideoEvaluationFramework,SVEF)。SVEF是一款開源軟件，專門用于評價(jià)H.264/SVC視頻流的傳輸質(zhì)量。在整個(gè)仿真過程中，首先要對原始視頻進(jìn)行編碼，然后數(shù)據(jù)封裝，之后將數(shù)據(jù)輸入到NS2仿真過程之中進(jìn)行仿真，將仿真結(jié)果記錄下來并存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)接收端所接收到的數(shù)據(jù)，然后對其進(jìn)行解碼后，將接收到的視頻與原視頻進(jìn)行比較評估接收視頻質(zhì)量，從而得出視頻數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的評估結(jié)果。仿真流程如圖5所示。

圖5 仿真流程圖

4.1 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對系統(tǒng)性能的影響

首先對在特定帶寬不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下進(jìn)行仿真，物理層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率設(shè)置為1Mbit/s。

在仿真過程中采用了3個(gè)節(jié)點(diǎn)，n0，n1和n2。n0發(fā)送H.264/SVC的視頻業(yè)務(wù)，并且利用業(yè)務(wù)源流量產(chǎn)生器CBR作為背景業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)。其中n0向n1發(fā)送視頻業(yè)務(wù)，視頻碼率為0.2Mbit/s，原始視頻采用的是YUVCIF(352×288)格式的Foreman。n0向n2發(fā)送背景業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

對于視頻傳輸而言，丟包并不能完全說明傳輸質(zhì)量。因?yàn)椴煌瑪?shù)據(jù)包的丟失對于視頻質(zhì)量影響不一樣。計(jì)算接收視頻的PSNR是對視頻傳輸質(zhì)量綜合的體現(xiàn)，在上面的情況下對于不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況下，對不同算法下接收視頻的PSNR進(jìn)行了計(jì)算，算法包括EDCA、靜態(tài)映射、動(dòng)態(tài)映射、LADM，其PSNR結(jié)果如圖6所示，傳輸時(shí)延的結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)圖6可以看出，負(fù)載較輕的情況下，由于靜態(tài)映射算法將數(shù)據(jù)包放入低優(yōu)先級隊(duì)列中造成丟包率相對更大。而動(dòng)態(tài)映射算法通過隊(duì)列長度對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況進(jìn)行檢測，因此存在一定的自適應(yīng)性，并不是完全將重要性低的數(shù)據(jù)包放入低優(yōu)先級隊(duì)列進(jìn)行調(diào)度。而自適應(yīng)動(dòng)態(tài)映射算法，采用了隊(duì)列

圖7 不同負(fù)載下延時(shí)仿真結(jié)果

發(fā)送速率和不同類型的數(shù)據(jù)包進(jìn)隊(duì)列速率作為網(wǎng)絡(luò)情況的進(jìn)一步衡量，在負(fù)載較輕時(shí)其表現(xiàn)與動(dòng)態(tài)映射算法和EDCA基本差不多，但在負(fù)載情況較重時(shí)其表現(xiàn)優(yōu)于其他算法，當(dāng)負(fù)載到達(dá)物理層傳輸?shù)臉O限時(shí)(5個(gè)視頻流同時(shí)發(fā)射)，提出的算法PSNR改善3dB以上，有效地提升視頻質(zhì)量。

根據(jù)圖7可以看出，靜態(tài)算法的延時(shí)最大。動(dòng)態(tài)算法和自適應(yīng)算法的延時(shí)均比EDCA大，但比靜態(tài)算法要小。自適應(yīng)算法在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，延時(shí)稍大于動(dòng)態(tài)算法，但在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)，延時(shí)小于動(dòng)態(tài)算法。

4.2 節(jié)點(diǎn)競爭對系統(tǒng)性能的影響

為了評估自組織網(wǎng)絡(luò)間節(jié)點(diǎn)通信產(chǎn)生的碰撞對系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)以下的場景：網(wǎng)絡(luò)中有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，n0，n1和n2。n0和n1同時(shí)向n2發(fā)送數(shù)據(jù)，其中n0發(fā)送視頻流和64kbit/s音頻數(shù)據(jù)，n1同時(shí)也發(fā)送196kbit/s背景數(shù)據(jù)。視頻傳輸質(zhì)量如圖8所示。

從圖8的結(jié)果可以看出，當(dāng)存在節(jié)點(diǎn)競爭時(shí)系統(tǒng)視頻傳輸質(zhì)量有較大變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕的時(shí)候，性能下降最多的是靜態(tài)映射算法，其次是EDCA算法，然后是動(dòng)態(tài)映射算法，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)映射算法受到的影響最小。靜態(tài)映射算法將數(shù)據(jù)包固定映射到低優(yōu)先級的隊(duì)列中之后，當(dāng)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)競爭的時(shí)候，低優(yōu)先級的隊(duì)列傳輸性能變差，導(dǎo)致視頻傳輸性能變差。然而自適應(yīng)動(dòng)態(tài)映射算法通過對網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況進(jìn)行了更加詳細(xì)的檢測，因此可以改善這一情況。

圖8 節(jié)點(diǎn)競爭下的仿真結(jié)果

4.3 多跳視頻傳輸場景下的系統(tǒng)性能

對于自組網(wǎng)來說，多跳傳輸是自組網(wǎng)的一種重要的傳輸方式。因此對于多跳傳輸，同樣通過設(shè)置一系列節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真。在NS2中設(shè)置了如圖9的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，節(jié)點(diǎn)node(i-1)向節(jié)點(diǎn)node(i)發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，視頻流速率為0.2Mbit/s。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)間存在背景業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流速率為192kbit/s。

圖9 多跳場景拓?fù)鋱D

研究不同跳數(shù)情況下的視頻傳輸質(zhì)量PSNR和延時(shí)情況。其結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 多跳環(huán)境下的視頻傳輸質(zhì)量

圖11 多跳環(huán)境下的延時(shí)

從仿真結(jié)果可以看出，隨著跳數(shù)增加，視頻傳輸質(zhì)量有一定的下降。對于此仿真場景中，當(dāng)跳數(shù)增加時(shí)視頻質(zhì)量有所下降，時(shí)延明顯上升。從結(jié)果上看，靜態(tài)映射算法的傳輸時(shí)延最長，多于其余幾個(gè)算法，其次是動(dòng)態(tài)映射算法的時(shí)延，然后是EDCA和自適應(yīng)動(dòng)態(tài)映射算法。從傳輸質(zhì)量上看，在跳數(shù)增加的情況下，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)映射算法的傳輸質(zhì)量相對不如靜態(tài)映射算法和動(dòng)態(tài)映射算法，原因應(yīng)該是對于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要從傳輸過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)的參數(shù)監(jiān)測，參數(shù)監(jiān)測隨著節(jié)點(diǎn)增加而準(zhǔn)確度降低，因此調(diào)度過程一定程度上出現(xiàn)不準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié)論

本文主要提出了一種負(fù)載自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，其基本思想是結(jié)合應(yīng)用層視頻編碼的特點(diǎn)和接入層網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和資源的情況聯(lián)合進(jìn)行優(yōu)化。在特定的資源下通過概率接入的方法對重要性更高的數(shù)據(jù)包進(jìn)行更優(yōu)先的接入。仿真結(jié)果顯示，在視頻傳輸質(zhì)量方面，自適應(yīng)算法在負(fù)載較輕的時(shí)候并沒有大幅度提升。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重的情況下，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)映射算法的優(yōu)勢相對明顯，PSNR提升3dB以上。在延時(shí)方面，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)映射算法的延時(shí)在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)稍好于動(dòng)態(tài)映射算法，但都比EDCA本身延時(shí)大，但自適應(yīng)算法在視頻傳輸質(zhì)量上有較明顯的提升。

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李 悅(1977— )，女，工程師，主研衛(wèi)星通信、自組織網(wǎng)絡(luò)；

陳衛(wèi)衛(wèi)(1976— )，高級工程師，主研無線自組織網(wǎng)絡(luò)、無線通信；

單 勝(1971— )，工程師，主研無線自組織網(wǎng)絡(luò)、視頻通信；

丁良輝(1981— )，助理研究員，主研無線通信、無線網(wǎng)絡(luò)。

責(zé)任編輯：薛 京

Load Adaptive Queue Scheduling for Video Transfer in Wireless Ad Hoc Networks

LI Yue1，CHEN Weiwei2，SHAN Sheng3, DING Lianghui4

(1.NavalArmamentResearchInstitute,Beijing100616,China; 2.ChinaElectronicSystemEngineeringCompany，Beijing100141,China;3.InformationandCommunicationBranch,NationalGrid,Beijing100761,China; 4.DepartmentofElectronicEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)

Development of multimedia on mobile terminals has been the trend, and how to transfer video in wireless ad hoc networks has been a hot research topic in recent years.In this paper, the cross-layer optimization scheme for video transfer based on network load is proposed.The proposed scheme considers both video coding on application layer and network load status on MAC layer to optimize the video quality.Packets with higher priority are transmitted with high access probability when the network resource is limited.Simulation results show that the performance of the video, i.e.,PSNR, can be improved up to 3 dB in heavy-load and multi-hop scenario.Compared with traditional scheduling algorithm, system delay can also be reduced significantly.

load adaptive; wireless ad hoc networks; video transfer

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61301117；61102051；61221001；61420106008)；國家高技術(shù)研究發(fā)展“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA011701；2012AA121601)；上海交通大學(xué)“科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金”(AF0300021)；上海市數(shù)字媒體處理與傳輸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(12DZ2272600)

TN915

A

10.16280/j.videoe.2015.07.017

2014-10-20

【本文獻(xiàn)信息】李悅，陳衛(wèi)衛(wèi)，單勝，等.基于負(fù)載自適應(yīng)的Ad Hoc網(wǎng)視頻傳輸隊(duì)列調(diào)度算法[J].電視技術(shù),2015，39(7).