基于802.11e的無線Mesh網絡中視頻傳輸優化方案*

陸 淳，朱秀昌

（南京郵電大學 江蘇省圖像處理和圖像通信重點實驗室，江蘇 南京 210003）

1 引言

隨著網絡的發展，多媒體業務越來越普遍地應用在無線網絡環境中。視頻會議、IPTV、手機電視等相繼出現，并在人們的工作生活中占據重要位置。這些視頻業務對網絡特性的要求較為嚴格，特別是帶寬、延遲、抖動等。無線Mesh網絡是一種新型的寬帶無線網絡結構，具有高容量、高速率、易組網等特點。它的多跳性使網絡能夠通過多個站點的中繼傳輸來提供更大范圍的無線網絡覆蓋。

為了能夠提供對寬帶視頻業務服務質量（Quality of Service，QoS）的支持，IEEE 802.11e在原有標準的基礎上增加了QoS條款，通過引入4種接入類別（AC）來實現不同業務的QoS需求。通過對視頻編碼數據特點的分析，改進了一種數據映射方案，以實現網絡傳輸視頻質量的提高。

2 802.11e的數據映射方案

IEEE 802.11e中，每個AC都是分布式協調功能（DCF）增強的變體。DCF的幀間間隔（DIFS）在增強DCF（EDCF）中稱為仲裁間隔時間（AIFS）（AIFS≥DIFS），其他競爭參數CWmin，CWmax也有不同的取值。低參數值的AC比高參數值的AC將經歷更少的平均等待時間和退避時間，因此具有相對較高的媒體接入優先級。將不同的業務類別（TC）映射到相應的AC，可以滿足不同業務對信道資源的需求，映射關系如表1所示[1]。其中語音、視頻業務的優先級較高，通過把它們映射到高的接入類別，保護它們優先競爭信道，從而得到較好的數據傳輸質量。

表1 TC到AC的映射

3 改進的視頻數據映射方案

對于視頻業務，將其映射到AC2，獲得較低的競爭參數，一定程度上減少了盡力而為業務對它的競爭，保證了視頻數據的傳輸質量，但在通信質量一般的情況下，視頻業務的QoS依然得不到保證。如果從視頻編碼的角度來分析，總是希望編碼后的重要數據能夠得到較好的傳輸。

在網絡傳輸的環境下，編碼器將每個網絡提取層（NAL）各自獨立、完整地放入1個分組中。各NAL單元的重要性也有所不同，例如參考幀的片，或是序列參數集，圖像參數集等這些數據單元相對重要，需要分配更高的優先級。因此需要通過對網絡提取層單元（NALU）頭的分析，得到NALU類型[2]，如表2所示。

表2 nal_unit_type語義

nal_unit_type為 5，7，8時，當前 NAL分別是 IDR 圖像中的片、序列參數集、圖像參數集。此時，NAL單元相對重要，因此需要賦予更高的優先級。nal_unit_type為1時，需要判斷該片的類型，如果是參考幀的片（I片、P片）則賦予更高的優先級。nal_unit_type=2，3，4時，由于只是片中的一個分區，需要判斷該分區所在片的類型，若是參考幀的片，則賦予更高的優先級。

表3是在表1的基礎上根據表2中不同的NALU類型改進的映射方案，其中語音業務和盡力而為業務的映射關系不變，只是區分了視頻數據的重要性，將IDR圖像中的片、序列參數集、圖像參數集以及參考幀的片（I片、P片）映射到具有最高優先級的AC3，而其他的視頻數據仍然映射到AC2[3-4]。

表3 改進方案的優先級映射關系

4 仿真結果與分析

實驗是在NS2網絡行為模擬器環境中進行的。在NS2中搭建的網絡平臺是1個包含25個節點（5×5）的無線Mesh網絡。網絡拓撲結構如圖1所示，各接入類別的競爭參數如表4所示。實驗分別在網絡負載較輕和網絡負載較重2種網絡環境下進行。

4.1 較輕的網絡負載情況

圖1 網絡拓撲圖

表4 各接入類別的競爭參數

模擬網絡負載較輕的情況：節點0向節點24發送視頻流；節點4和節點20之間傳送普通的數據流（盡力而為業務）。分別采用表3的改進映射方案和表1的原始方案設置數據的優先級。仿真結果如圖2、圖3所示，其中的延遲和吞吐量均是針對視頻數據測得。

圖2 2種方案視頻數據延遲對比

圖2是2種方案的延遲對比，在0～1時間內，改進的映射方案比原始方案延遲小，因為此時改進方案中視頻的重要數據優先搶占信道，獲得較小的競爭窗口。1～2時間內2種方案差別不大，在以后的時間里，新方案的延遲呈現2種狀態：一部分（AC3的數據）優先級高，延遲很小，優于原始方案；另一部分（AC2的數據）則遠遠高于原始方案。這是由于優先級高的視頻數據抑制了優先級較低的視頻數據傳輸。實際視頻傳輸中，這種方案對延遲的改善意義并不大，因為優先到達的數據并不能立即恢復出視頻，必須等到某一幀的數據全部正確接收以后才能開始解碼。圖3是第24節點（視頻接收節點）的吞吐量對比圖。改進方案在0～1時間內，吞吐量明顯高于原始方案，隨后經過一段時間的持平，在2個時間單位以后逐漸小于原始方案。因為對于節點24來說，總的業務量是一定的（視頻數據一定），這是一個此消彼長的過程。

圖3 2種方案第24節點的吞吐量對比

改進方案最明顯的優勢在于改善了丟包率情況。采用原始方案造成564個丟包，其中有79個視頻包（視頻包占14%）；改進方案丟包減少到376個，其中37個視頻包（視頻包占9.8%）。丟包率的改善主要有2點原因：一方面，改進的映射方案減少了數據包的碰撞；另一方面，將一部分的視頻數據映射到更高的優先級，獲得較小的競爭參數，使接入延遲時間減小了，從而增加了數據包成功發送的概率。

4.2 較重的網絡負載情況

模擬網絡負載較重的情況：節點0向節點24發送視頻流；節點5向節點9發送CBR數據流（模擬語音業務，優先級為最高）；節點15和節點19之間、節點4和節點20之間傳送普通的數據流（盡力而為業務）。以上產生4條業務流，分別采用表3的映射方案和表1的原始方案設置數據的接入類別，并將仿真結果進行對比。

圖4中改進方案的延遲情況仍然分為2種：一部分延遲很小，接近0，因為這部分的視頻數據包優先級最高；另一部分仍為次高優先級的視頻包，延遲大于原始方案，這是由于受到更高優先級數據的抑制。圖5表明改進方案的視頻數據吞吐量要小于原始方案，這是由于改進方案將部分視頻數據映射到AC3，導致該隊列中數據量加大，競爭更激烈。

圖4 視頻數據的延遲對比

圖5 第24節點的吞吐量對比

由此可以看出，在負載量很大的情況下，采用改進的映射方案，網絡在延遲和吞吐量方面性能并不理想，甚至不如原始的映射方案。但改進方案的一個突出優點在于大大降低了數據（包括視頻數據）的丟包率。實驗結果：原始方案中共丟包966個，其中視頻包為221個（視頻包占22.9%）；改進方案中共丟包775個，其中視頻包100個（視頻包占12.9%）。這樣接收端正確接收的視頻包數目增加，恢復出的視頻質量有所提高。

5 小結

IEEE 802.11e能夠提供對寬帶視頻業務的QoS支持，在此基礎上應用改進的方案，將視頻數據中重要的部分（序列、圖像參數集以及參考片）映射到更高的優先級（語音業務級別）。從仿真結果可以看出，在業務量較小的情況下，改進方案對于延遲、抖動、丟包都有所改善；而在網絡業務量較大的情況下，改進方案的優勢并不明顯，但丟包率仍有改善。為了進一步提高網絡性能，還需要針對網絡高負載的情況，提出新的改進算法[5]。

[1]方旭明.下一代無線因特網技術：無線Mesh網絡[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[2]畢厚杰.新一代視頻壓縮編碼標準——H.264/AVC[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3]KE Chihheng.Multimedia communication[EB/OL].[2004-01-31].http：//140.116.72.801～smallko.

[4]黎勤，劉峰.無線Mesh網絡中視頻通信的一種跨層QoS保證方案[C]//中國電子學會第十五屆信息論學術年會暨第一屆全國網絡編碼學術年會論文集（下冊）.北京：國防工業出版社，2008：371-377.

[5]MARJAN D,TONI J.Analysis of IEEE 802.11e QoS in multimedia environment[C]//Proc.TELSIKS 2005-7th International Conference on Telecommunications in Moderm Satellite，Cable and Broadcasting Services.[S.l.]:IEEE Press，2005:45-48.