基于移動Ad Hoc的多媒體信息傳輸研究*

沈建國

(無錫商業職業技術學院，江蘇無錫214000)

基于移動Ad Hoc的多媒體信息傳輸研究*

沈建國

(無錫商業職業技術學院，江蘇無錫214000)

現有的基于移動Ad Hoc的多媒體信息傳輸受限于掩蔽效應、多徑衰落以及噪聲干擾等因素，難以保證用戶所需的QoS。本文結合移動Ad Hoc網絡的特性，構建了2－路徑傳輸方案，引入自適應碼率調節與聯合信源信道的編碼模式，使用錯誤彈性編碼方式，達到最佳的視頻效果，具有較好的理論意義和推廣價值。

移動Ad Hoc;多媒體信息;2－路徑傳輸方案

將移動Ad Hoc網絡作為傳輸實時多媒體信息的載體，可以提升現有通信網絡的可靠性。但是，現有的基于移動Ad Hoc的多媒體信息傳輸受限于掩蔽效應、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編碼對延遲不敏感的業務進行傳輸，但難以滿足流媒體服務對于延遲和抖動的需求。如果網絡堵塞嚴重，就必須在傳輸終端的編解碼器上附加自適應調節碼率的功能，難以有效應對突發的高吞吐量和鏈路中斷。基于這樣的現狀，本研究結合移動Ad Hoc網絡的特性，開發出提高視頻的容錯性的視頻編碼方式，構建最大不相交2－路徑傳輸方案，引入自適應碼率調節與聯合信源信道的編碼模式，來解決擁塞問題，同時使用錯誤彈性編碼方式來實現誤碼率控制，以達到最佳的視頻效果。研究成果能夠充分保證移動Ad Hoc視頻傳輸QoS，減少錯誤發生，具有很好的理論意義和推廣價值。

一、基于移動Ad Hoc的多媒體信息傳輸模型的構建

構建多媒體信息傳輸模型的出發點是提升多媒體業務的魯棒性，結合多媒體信息編碼的實際特點和移動Ad Hoc網絡的情況，設計出如下的多媒體信息傳輸方案。

(一)2－路徑傳輸模式的設計

1.設計思路

在移動Ad Hoc傳輸網絡里，傳統的拓撲概念已經被無線鏈接概念代替了，TCP/IP中的物理層之間的互聯已經不存在。此外，因為Ad Hoc傳輸網絡不存在基站，由于移動Ad Hoc傳輸網絡的移動特性，其拓撲也是隨時間而變化的，所以，需要建立連接的兩個節點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定性，這條連接便會在通信過程中變得動蕩。所以，Ad Hoc網絡與傳統的單跳無線網絡不同之處在于:數據的傳輸中存在著更為頻繁的碼流丟失現象。所以，為解決由于用戶的頻繁移動而導致的鏈路不穩定，就需要網絡有能力盡可能快地在新構建的網絡拓撲中及時發現和記錄新的可用路由。由于移動Ad Hoc網絡的特點，導致其在任意2節點間有可能存在著多條路由。當一個多跳路徑給定時，就可以把一個多媒體流劃分為多個多媒體子數據流，由多條不同的路徑分別傳輸每個多媒體數據子流。假若傳輸不同多媒體子數據流的路徑互相不相交，便可推定子流的數據丟失不具備互相關性。所以，如果能夠兼顧有效的錯誤控制機制與多媒體數據子流分散傳輸，便有可能提高Ad Hoc網絡的容量，同時達到較好的錯誤彈回效果。

2.路由協議選取

移動Ad Hoc網絡的重要元素便是其路由協議，一個良好的路由協議系統，能夠充分保證移動Ad Hoc網絡的傳輸性能和效率。Ad Hoc網絡路由協議與傳統的無線網絡路由協議相比，有許多不同的特點，原因在于，傳統無線網絡的路由協議都有一個預先設定，即網絡擁有相對穩定的拓撲結構。而移動Ad Hoc網絡的情況很不相同，其具有不斷變化的網絡拓撲結構。加之無線信道特有的多徑衰落、信號間干擾、和噪聲等，導致其傳輸的效率與性能難以得到保證。多跳Ad Hoc網絡的路徑由于其中的節點具有移動性特征，因而會在傳輸多媒體數據時變得更加動蕩。移動Ad Hoc網路的路由也擁有一定的優勢，由于節點具有移動性，拓撲上的節點之間的路由是多跳的，因而有利于移動鏈路可以高效地在新構建的網絡拓撲中發現新的傳輸路由。

進行路由協議選取的思路為:移動Ad Hoc網路的路由不能使用表驅動方式，這是由于表驅動方式更適合網絡拓撲穩定的情況，由于節點的變化非常快速，整個路由表便需要頻繁刷新，影響了網絡效率。所以，在路由協議選取中，選擇的是按需驅動路由模式，本文選擇了AOMDV協議，并結合移動Ad Hoc網路對其進行優化。AOMDV屬于多路徑路由協議的一種，這種協議能夠最大限度保證數據的通暢傳輸，其通過備用路由的設計思想，來確保一旦通信鏈路中斷后，多媒體數據信息可以在短時間內切換到新的可用路由之上。

本研究在此基礎上結合移動Ad Hoc網路的路由特性，優化了AOMDV協議，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協議備用路由的方法;另一方面，將路由選擇的指標優化設定為路由可靠性和路由時延兩個參數。這樣一來，通過設置，如果某一時刻的路由時延不超過50毫秒，則以可靠性作為路由選擇的標準，如果某一時刻的路由時延超過50毫秒，則以低時延作為路由選擇的標準。如表1所示。

表1 基于時延的路由選擇

通過比較分析移動Ad Hoc網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行多媒體信息傳輸時，可以獲得最好的性能，因此，構建了如圖1所示的2－路徑傳輸方案。

圖1 所構建的2－路徑傳輸方案

本文以改進的AOMDV協議作為移動Ad Hoc網路多條路徑的傳輸，并采用如圖1所示的2－路徑傳輸方案，實際工作原理為:S端點與D端點間存在兩條路徑:(1)S－B1－B2－B3－D;(2)S－C1－C2－C3－D。基于傳統AOMDV協議的傳輸模式在正常情況下選擇路由中的S－B1－B2－B3－D進行多媒體數據傳輸，在這條路由斷開時，S－C1－C2－C3－D作為備用路徑，切換為主用路由，進行多媒體信息傳輸。

3.路由協議優化

鑒于多媒體信息的傳輸需求與移動Ad Hoc網路的實際特點，本文對AOMDV協議進行優化，思路為:把此協議進行拓展，使之成為適應于多路徑情況的多媒體數據傳輸協議，以多條不同路徑傳輸多媒體數據信息，同時保留AOMDV協議備用路由的方法，通過為每一條現有的路由緩存配置一條路徑相似的備用路由，來保證當鏈路發生中斷時可以做到及時的路由切換，從而最大限度避免數據包在路由的丟失和差錯。

在優化的AOMDV協議里，路徑選擇的標準定位于鏈路的可靠性和數據包延遲，以數據信息丟包率來衡量可靠性。如果某一時刻的路由時延小于某值時，以可靠性作為路由選擇的標準，如果某一時刻的路由時延超過某值，則以低時延作為路由選擇的標準。考慮到多媒體信息對于實時性的要求十分高，所以把數據包的時延作為主要衡量的指標，在基本的時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量。如圖2所示。

圖2 優化的AOMDV協議傳輸模式

(二)擁塞控制的實現

由于多媒體信息對實時性的要求很高，因此在傳輸時往往首選了UDP協議，而由于這種協議并未納入擁塞控制算法，假若在不加控制的情況下以UDP協議所的設定的固有速率向網絡中發送多媒體信息數據，就容易影響網絡的整體性能，導致比較嚴重的網絡擁塞。因此，只有進行有效的速率調節，才能提升AOMDV網絡的可靠性，最大限度地避免擁塞。

考慮到移動Ad Hoc網絡具有終端可移動的特點，所以應盡可能地降低終端的數據負擔，所以，擁塞控制的方法是在系統的發送端來對速率進行調節。具體的做法是:設置3個傳輸參數閥值，分別是:(1)min_threld，(2)mid_thr，(3)max_thr。于是，在系統多媒體數據發送端緩沖區不超過min_thr的時候，可以把發送速率提升至當前發送速率的2倍;在系統多媒體數據發送端緩沖區介于min_thr和mid_thr之間的時候，可以將發送速率定位于一個常量incr;在系統多媒體數據發送端緩沖區在min_thr和mid_thr之間的時候，以恒定速率進行發送;在系統多媒體數據發送端緩沖區超過max_thr的時候，可以把發送速率降低至至當前發送速率的0.5倍。表示如下:

(三)優先級調度的實現

在優先級調度方法中，有著不同的實現方法，一些方法把一個通信信道區分為不一樣的部分，如果業務的優先級高，就為其分配比較多的信道資源，如果業務的優先級低，就為其分配比較少的信道資源。而本設計并不劃分信道優先級，劃分的是居于信道的多媒體數據流的優先級，接著結合這些多媒體數據包優先級的不同，分別對其實現差別調度，從而實現保護優先級高的數據包的目的。這種實現方式的關鍵在于如何還原基本層的多媒體信息數據，否則容易導致數據流的無法恢復。所以，在實現優先級調度的時候，應該注重保護重要的數據包，并且在多媒體數據的實際傳輸中，對這些數據包優先傳輸，從而盡可能降低由于過大的時延導致這些包的不可用的概率。本研究的做法是，在數據包排隊隊列過長的時候，如果必須刪除一部分包，則通過早期刪除隊列，選擇那些比較次要的包，同時為重要的一些數據包通過預留存儲空間來達到避免擁塞時丟失的目的。總的來說，就是通過給不同等級的多媒體數據包預先設置優先級，在進行數據包調度時，結合這些包的具體優先級，實現區分服務。

(四)MAC協議的設計

移動Ad Hoc的網絡傳輸平臺兼具無線通信網與分組交換網絡的優勢，若能構建一個具有針對性的MAC協議，則一方面能夠保證在數據傳輸分組出現沖突的時候，一就是先在不同的移動臺間交換數據信息，另一方面也能夠降低分組傳輸延遲，增強系統吞吐量。怎樣優化MAC層協議是移動通信領域的研究熱點之一。因此，許多的優化都針對MAC層協議的硬件部分進行優化，盡量減少對MAC層的調整，而是通過改動其中的參數來實現協議的適用性。具體來講，就是通過修改參數來優化MAC協議的重傳機制，使MAC的重傳具備選擇性。

在傳統的MAC層，假若接收方可以正確接收一個數據包，則會隨之返回一個ACK信息包，作為響應。假若發送端在規定的時間內并未收到來自接收方的ACK包，那么即可確認接收端沒有收到，則發送方便會重新發送數據包。結合IEEE中的MAC協議，數據包自動重傳的次數最多達到七次，假若發送端進行了7次重傳，還是未收到來自接收方的ACK包，則原數據包將會被丟棄，接下來傳輸下一個數據包。這樣的數據包傳輸機制能夠最大限度地使數據包丟失幾率降至最低，缺點則是使端到端的時延明顯加大，一旦出現網絡擁塞，會由于反復重傳而導致網絡擁塞的程度加劇。所以，本設計對MAC協議的這個參數進行修改，使其在重傳數據包時擁有一個判斷性，將數據包分為具有差錯保護和不具有差錯保護兩種，對于前者，丟包時應進行多次重傳處理，而對于后者，則直接丟棄。

(五)系統安全設計

無線信道具有廣播性的特征，這就導致了移動Ad Hoc數據信息面臨被偵聽、截取的風險，所以，保證服務的安全性和私密性是移動Ad Hoc網絡體系的另一個需要解決的問題。對于移動Ad Hoc多媒體數據傳輸而言，目前的傳統數據加密保護手段并不適合。如果存在過度的加密，一方面提升了多媒體的服務信息荷載以及移動終端的實現難度，另一方面也造成技術的過度使用。這是因為并不是所有的多媒體信息都需要高度的信息安全。因此，構建了簡化而高效的移動多媒體信息安全方案。

鑒于多媒體編碼的關鍵性，導致協議的基本層中的信息數據很重要，假若難以完全恢復基本層的信息數據，便會導致整個多媒體流不可恢復。本設計的做法是，通過對協議族BL層的關鍵幀實現數據包的加密，這就造成只有信息的發送端和信息的接收端才有權限解密，一旦發生在信息傳輸中的數據竊取，由于竊取方難以解密基本層的數據，所以不能還原所竊取的信息。由于本文僅僅對系統的BL層的關鍵幀進行加密處理，一方面降低了系統實現的復雜度，另一方面降低了加密/解密時間。

二、結語

本文在分析實時多媒體的網絡需求的前提下，結合移動Ad Hoc網絡的實際特點，構建了基于移動Ad Hoc的多媒體信息傳輸方案。在基于移動Ad Hoc的多媒體流的傳輸過程中，構建了2－路徑傳輸方案，引入自適應碼率調節與聯合信源信道的編碼模式，使用錯誤彈性編碼方式，達到最佳的視頻效果，同時提高了多媒體傳輸的魯棒性。

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2012－04－14

沈建國(1974－)，男，江蘇泰州人，碩士，講師。