無(wú)線多跳混合路由視頻傳輸

王子秋，王貴錦，武海生，林行剛

（清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084）

1 引言

無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線自組網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總稱。基于無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)上的視頻傳輸已得到了廣泛關(guān)注和研究[1]，但所依賴的底層路由協(xié)議基本上是傳統(tǒng)路由協(xié)議（如AODV，DSDV等）。近年來(lái)底層的路由協(xié)議有了新發(fā)展，文獻(xiàn)[2]首次提出一種性能更好、被稱作機(jī)會(huì)路由的協(xié)議 ExOR（Extremely Opportunistic Routing）。傳統(tǒng)的無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議基本思路沒(méi)有脫離有線網(wǎng)絡(luò)，將節(jié)點(diǎn)之間人為地規(guī)定是否存在鏈路，并根據(jù)某種路由度量準(zhǔn)則，選擇最好的路由。而機(jī)會(huì)路由協(xié)議認(rèn)為無(wú)線電波的本質(zhì)是廣播的，利用廣播性質(zhì)所帶來(lái)的增益，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作，獲得了高于傳統(tǒng)路由的帶寬。因此，從直觀上，利用機(jī)會(huì)路由作為支持視頻傳輸?shù)牡讓勇酚蓞f(xié)議會(huì)取得比傳統(tǒng)路由協(xié)議更好的性能，但是機(jī)會(huì)路由為了獲得這種增益而采取的調(diào)度機(jī)制在傳輸實(shí)時(shí)視頻時(shí)會(huì)產(chǎn)生丟失部分I幀的嚴(yán)重問(wèn)題，使得視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。

針對(duì)此問(wèn)題，筆者提出一種綜合利用傳統(tǒng)路由和機(jī)會(huì)路由進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)目鐚釉O(shè)計(jì)方法。

2 機(jī)會(huì)路由簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議和有線網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議十分相似，即在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間尋找1組點(diǎn)形成1條最優(yōu)的路由，然后各節(jié)點(diǎn)依次轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。路由上各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間被人為地認(rèn)為有1條鏈路存在，因此并未有效利用無(wú)線電波的廣播特性。

如圖1，假設(shè)源節(jié)點(diǎn)到 4個(gè)中間節(jié)點(diǎn) n1，n2，n3，n4的鏈路質(zhì)量較差，且都是數(shù)據(jù)包發(fā)送1次只有25%的概率可以收到，節(jié)點(diǎn)n1，n2，n3，n4到目的節(jié)點(diǎn)的鏈路質(zhì)量很好，且都是數(shù)據(jù)包發(fā)送1次100%的概率可以收到。那么，按照傳統(tǒng)的路由機(jī)制，會(huì)從4個(gè)中間節(jié)點(diǎn)選擇1個(gè)最優(yōu)的作為中繼節(jié)點(diǎn)，由于4個(gè)中間節(jié)點(diǎn)鏈路狀況一樣，則會(huì)隨機(jī)選1個(gè)節(jié)點(diǎn)作為路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，比如n2。這樣，數(shù)據(jù)包會(huì)沿著源節(jié)點(diǎn)、n2、目的節(jié)點(diǎn)這條路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，那么1個(gè)數(shù)據(jù)包通過(guò)這條路由平均傳送次數(shù)期望ETX（Expected Transmission Count）為1/0.25+1=5。而由于無(wú)線電波的廣播特性，源節(jié)點(diǎn)向n2發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，n1，n3，n4也會(huì)收到一部分包。有些數(shù)據(jù)包n2沒(méi)有收到，但n1可能恰好收到。有些數(shù)據(jù)包n1，n2都沒(méi)有收到，但n3可能收到了。可以不必確定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)是中繼節(jié)點(diǎn)，只要目的節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包沒(méi)有收到，那么任何1個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)只要有這個(gè)包，都可以傳給目的節(jié)點(diǎn)。假設(shè)n1，n2，n3，n4收到包的概率相互獨(dú)立，經(jīng)過(guò)計(jì)算1個(gè)數(shù)據(jù)包的平均傳送次數(shù)期望為1/（1-（1-0.25）4）+1≈2.5。 這里，充分利用無(wú)線電波的廣播特性可以獲得1倍的增益。隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟煌珽xOR所獲得的增益也不同，文獻(xiàn)[2]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明ExOR端到端的平均吞吐量是傳統(tǒng)路由協(xié)議（AODV）的3倍。

圖1 機(jī)會(huì)路由原理演示圖

雖然ExOR帶寬利用效率和端到端吞吐量?jī)?yōu)勢(shì)明顯，但也存在不足之處，尤其在支持實(shí)時(shí)視頻傳輸時(shí)顯得更加明顯，主要體現(xiàn)在以下3點(diǎn)：

1）ExOR路由算法內(nèi)在地利用了無(wú)線通信的隨機(jī)性，因此其傳輸調(diào)度算法對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包都是公平的，而視頻傳輸?shù)奶攸c(diǎn)就是不同數(shù)據(jù)包重要性不同，因此兩者存在一定的矛盾。

2）ExOR成批發(fā)送，會(huì)造成一定程度的延遲。

3）ExOR沒(méi)有鏈路級(jí)的差錯(cuò)重傳機(jī)制，最后幾個(gè)數(shù)據(jù)包所需傳輸時(shí)間較長(zhǎng)，在實(shí)時(shí)視頻傳輸中，會(huì)導(dǎo)致部分關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)包的丟失。

3 混合路由視頻傳輸

對(duì)于某些實(shí)時(shí)視頻傳輸，例如視頻轉(zhuǎn)播，有如下特點(diǎn)：對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，系統(tǒng)可以允許一定的延時(shí)，但希望視頻盡量是連續(xù)的，抖動(dòng)較小，同時(shí)在保證傳輸?shù)那闆r下視頻質(zhì)量盡量高。由于機(jī)會(huì)路由在端到端吞吐量上與傳統(tǒng)路由相比，有著明顯的優(yōu)勢(shì)，因此，可以期望利用ExOR進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻傳輸取得比傳統(tǒng)路由更優(yōu)的性能。在設(shè)計(jì)具體方案時(shí)，以下幾點(diǎn)是必須予以考慮：

1）由于ExOR需要將數(shù)據(jù)包成批發(fā)送，因此視頻的延遲將直接和數(shù)據(jù)包數(shù)量的多少相關(guān)。每批次的數(shù)據(jù)包越多，延遲越大；數(shù)據(jù)包越少，延遲越小。

2）ExOR的性能和每批包的數(shù)量相關(guān)，文獻(xiàn)[3]研究結(jié)果表明，每批包的數(shù)量越多，ExOR的平均端到端吞吐量越高，但數(shù)量高于20個(gè)后，數(shù)量增加對(duì)端到端吞吐量提升效果不明顯。

3）視頻的參數(shù)選擇需要考慮到I幀的數(shù)量，如果I幀過(guò)多，會(huì)影響壓縮效率，如果I幀過(guò)少，會(huì)影響視頻解碼質(zhì)量。

4）視頻播放時(shí)，I幀的丟失是不可容忍的，因此要盡量保證播放時(shí)I幀的數(shù)據(jù)已收到。

綜合以上幾點(diǎn)，選擇1個(gè)合適的編碼參數(shù)，若每T s 1個(gè)I幀，則將每T s的數(shù)據(jù)作為一個(gè)批次發(fā)送。若傳輸延遲為t s，則初始延遲為（T+t）s。此后為保證視頻播放的實(shí)時(shí)性和流暢性，無(wú)論每批次在T s內(nèi)是否傳送完畢，都應(yīng)停止當(dāng)前批次的發(fā)送，及時(shí)啟動(dòng)下一批次的發(fā)送。在每批次中，視頻幀的打包應(yīng)遵循IETF相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定。即每一個(gè)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度應(yīng)滿足不超過(guò)MTU（Maximum Transmission Unit，最大傳輸單元,一般為 1 500 byte）的條件，每個(gè)P幀單獨(dú)組成1個(gè)數(shù)據(jù)包，I幀在每個(gè)限制長(zhǎng)度內(nèi)組成1個(gè)包，不足的部分單獨(dú)組成1個(gè)包。如果只利用ExOR傳輸數(shù)據(jù)，由于無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)本身的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性以及ExOR最后幾個(gè)包的傳輸延遲較大，并不一定能保證每T s的數(shù)據(jù)都能在T s內(nèi)傳輸完畢。這樣就會(huì)造成某些批次最后幾個(gè)數(shù)據(jù)包的丟失。而ExOR調(diào)度機(jī)制本身決定了這最后幾個(gè)數(shù)據(jù)包是隨機(jī)的，如果丟掉的恰好是I幀的數(shù)據(jù)包，造成I幀的丟失，就會(huì)導(dǎo)致這T s的視頻無(wú)法播放，從而造成視頻觀看的不連續(xù)性和主觀收看質(zhì)量的下降。因此，不能簡(jiǎn)單地將ExOR直接用于視頻傳輸，必須根據(jù)視頻傳輸?shù)奶厥庑宰鱿鄳?yīng)地調(diào)整。

視頻傳輸與一般數(shù)據(jù)傳輸所不同，其特殊性之一就在于視頻傳輸中數(shù)據(jù)包的重要性是不同的[5]。關(guān)鍵幀I幀是重要的，一般要盡量保證I幀傳輸?shù)目煽啃浴Ｒ驗(yàn)?個(gè)I幀將影響并決定其后數(shù)個(gè)P幀的解碼，1個(gè)I幀的丟失將導(dǎo)致2個(gè)I幀之間的視頻無(wú)法播放或視頻質(zhì)量急劇下降。而P幀是非關(guān)鍵幀，丟失個(gè)別P幀對(duì)視頻質(zhì)量影響不大，一般來(lái)說(shuō)，P幀只是盡量傳輸，并不進(jìn)行差錯(cuò)重傳。因此，必須根據(jù)數(shù)據(jù)包重要性的不同進(jìn)行相應(yīng)處理。對(duì)于I幀，應(yīng)保證無(wú)差錯(cuò)地傳輸，而對(duì)于P幀，盡力保證一定時(shí)間內(nèi)盡量多的傳送。同時(shí)，傳統(tǒng)路由雖然傳輸速率不如機(jī)會(huì)路由，但是傳統(tǒng)路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰，并且無(wú)須成批發(fā)送，配合差錯(cuò)重傳會(huì)使得某些特定數(shù)據(jù)傳輸更有保障。所以，對(duì)于實(shí)時(shí)視頻傳輸，可以利用傳統(tǒng)路由對(duì)I幀的數(shù)據(jù)包進(jìn)行差錯(cuò)重傳，而對(duì)P幀的數(shù)據(jù)包用機(jī)會(huì)路由進(jìn)行盡力傳輸。這樣，就同時(shí)利用了2種路由的優(yōu)點(diǎn)根據(jù)不同數(shù)據(jù)包的性質(zhì)選擇相應(yīng)合適的路由協(xié)議進(jìn)行傳輸，并且解決了I幀丟失的問(wèn)題。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證，在Windows平臺(tái)下利用C/C++語(yǔ)言編寫(xiě)了無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)仿真程序，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)路由（AODV）[6]、機(jī)會(huì)路由（ExOR）、混合路由 3 種協(xié)議。 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)基于802.11 b，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示，A為源節(jié)點(diǎn)，E為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。視頻采用MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)，每秒25幀，其中有1幀為I幀，視頻碼率為220 Kbit/s。為了對(duì)3種方法進(jìn)行公平的比較，采用以下方法：1）傳統(tǒng)路由對(duì)I幀進(jìn)行差錯(cuò)重傳。2）每1 s的視頻作為一個(gè)批次發(fā)送，為了保證視頻的連續(xù)性，每1 s時(shí)間到時(shí),無(wú)論當(dāng)前批次的數(shù)據(jù)包是否傳送完畢，都開(kāi)始下個(gè)批次的傳送。3）用報(bào)文投遞率（PDR）來(lái)衡量效果，考慮到視頻數(shù)據(jù)的特殊性，規(guī)定若I幀沒(méi)有收到，由于其他P幀無(wú)法解碼，則報(bào)文投遞率為0，即當(dāng)前1 s的數(shù)據(jù)丟失；若I幀收到，報(bào)文投遞率為收到幀數(shù)/總幀數(shù)。

圖2 實(shí)驗(yàn)仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D（直線上的數(shù)字是鏈路分組傳遞率）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，傳統(tǒng)路由雖然可以保障I幀的傳送，但由于端到端吞吐量較差，因此總的報(bào)文投遞率較低，影響視頻收看質(zhì)量。機(jī)會(huì)路由端到端吞吐量高，報(bào)文平均投遞率高，但由于內(nèi)在的調(diào)度機(jī)制使得某些時(shí)間I幀丟失，導(dǎo)致視頻無(wú)法播放，影響了視頻播放的連續(xù)性。而混合路由的平均報(bào)文投遞率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)路由，與機(jī)會(huì)路由相差不多，但可以有效減少I(mǎi)幀的丟失，保障了視頻播放的連續(xù)性。

圖3 3種方式傳輸視頻結(jié)果比較

5 小結(jié)

無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中機(jī)會(huì)路由的端到端吞吐量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)路由，但由于機(jī)會(huì)路由內(nèi)在的調(diào)度機(jī)制，單獨(dú)利用機(jī)會(huì)路由傳輸視頻會(huì)產(chǎn)生I幀丟失的問(wèn)題，并嚴(yán)重影響視頻傳輸質(zhì)量。筆者提出了一種將I幀和P幀分別利用傳統(tǒng)路由和機(jī)會(huì)路由傳輸?shù)姆椒ǎ@得較高的報(bào)文投遞率并降低了I幀的丟失率，取得了比單獨(dú)利用傳統(tǒng)路由或機(jī)會(huì)路由更好的性能。

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