基于802.11e的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中視頻傳輸優(yōu)化方案*

陸 淳，朱秀昌

（南京郵電大學(xué) 江蘇省圖像處理和圖像通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210003）

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，多媒體業(yè)務(wù)越來(lái)越普遍地應(yīng)用在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。視頻會(huì)議、IPTV、手機(jī)電視等相繼出現(xiàn)，并在人們的工作生活中占據(jù)重要位置。這些視頻業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)特性的要求較為嚴(yán)格，特別是帶寬、延遲、抖動(dòng)等。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種新型的寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有高容量、高速率、易組網(wǎng)等特點(diǎn)。它的多跳性使網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)多個(gè)站點(diǎn)的中繼傳輸來(lái)提供更大范圍的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

為了能夠提供對(duì)寬帶視頻業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）的支持，IEEE 802.11e在原有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增加了QoS條款，通過(guò)引入4種接入類別（AC）來(lái)實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的QoS需求。通過(guò)對(duì)視頻編碼數(shù)據(jù)特點(diǎn)的分析，改進(jìn)了一種數(shù)據(jù)映射方案，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻質(zhì)量的提高。

2 802.11e的數(shù)據(jù)映射方案

IEEE 802.11e中，每個(gè)AC都是分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）增強(qiáng)的變體。DCF的幀間間隔（DIFS）在增強(qiáng)DCF（EDCF）中稱為仲裁間隔時(shí)間（AIFS）（AIFS≥DIFS），其他競(jìng)爭(zhēng)參數(shù)CWmin，CWmax也有不同的取值。低參數(shù)值的AC比高參數(shù)值的AC將經(jīng)歷更少的平均等待時(shí)間和退避時(shí)間，因此具有相對(duì)較高的媒體接入優(yōu)先級(jí)。將不同的業(yè)務(wù)類別（TC）映射到相應(yīng)的AC，可以滿足不同業(yè)務(wù)對(duì)信道資源的需求，映射關(guān)系如表1所示[1]。其中語(yǔ)音、視頻業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)較高，通過(guò)把它們映射到高的接入類別，保護(hù)它們優(yōu)先競(jìng)爭(zhēng)信道，從而得到較好的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

表1 TC到AC的映射

3 改進(jìn)的視頻數(shù)據(jù)映射方案

對(duì)于視頻業(yè)務(wù)，將其映射到AC2，獲得較低的競(jìng)爭(zhēng)參數(shù)，一定程度上減少了盡力而為業(yè)務(wù)對(duì)它的競(jìng)爭(zhēng)，保證了視頻數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，但在通信質(zhì)量一般的情況下，視頻業(yè)務(wù)的QoS依然得不到保證。如果從視頻編碼的角度來(lái)分析，總是希望編碼后的重要數(shù)據(jù)能夠得到較好的傳輸。

在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)沫h(huán)境下，編碼器將每個(gè)網(wǎng)絡(luò)提取層（NAL）各自獨(dú)立、完整地放入1個(gè)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(shù)集，圖像參數(shù)集等這些數(shù)據(jù)單元相對(duì)重要，需要分配更高的優(yōu)先級(jí)。因此需要通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)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(yǔ)義

nal_unit_type為 5，7，8時(shí)，當(dāng)前 NAL分別是 IDR 圖像中的片、序列參數(shù)集、圖像參數(shù)集。此時(shí)，NAL單元相對(duì)重要，因此需要賦予更高的優(yōu)先級(jí)。nal_unit_type為1時(shí)，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(yōu)先級(jí)。nal_unit_type=2，3，4時(shí)，由于只是片中的一個(gè)分區(qū)，需要判斷該分區(qū)所在片的類型，若是參考幀的片，則賦予更高的優(yōu)先級(jí)。

表3是在表1的基礎(chǔ)上根據(jù)表2中不同的NALU類型改進(jìn)的映射方案，其中語(yǔ)音業(yè)務(wù)和盡力而為業(yè)務(wù)的映射關(guān)系不變，只是區(qū)分了視頻數(shù)據(jù)的重要性，將IDR圖像中的片、序列參數(shù)集、圖像參數(shù)集以及參考幀的片（I片、P片）映射到具有最高優(yōu)先級(jí)的AC3，而其他的視頻數(shù)據(jù)仍然映射到AC2[3-4]。

表3 改進(jìn)方案的優(yōu)先級(jí)映射關(guān)系

4 仿真結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)是在NS2網(wǎng)絡(luò)行為模擬器環(huán)境中進(jìn)行的。在NS2中搭建的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是1個(gè)包含25個(gè)節(jié)點(diǎn)（5×5）的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，各接入類別的競(jìng)爭(zhēng)參數(shù)如表4所示。實(shí)驗(yàn)分別在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重2種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行。

4.1 較輕的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

表4 各接入類別的競(jìng)爭(zhēng)參數(shù)

模擬網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕的情況：節(jié)點(diǎn)0向節(jié)點(diǎn)24發(fā)送視頻流；節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)20之間傳送普通的數(shù)據(jù)流（盡力而為業(yè)務(wù)）。分別采用表3的改進(jìn)映射方案和表1的原始方案設(shè)置數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)。仿真結(jié)果如圖2、圖3所示，其中的延遲和吞吐量均是針對(duì)視頻數(shù)據(jù)測(cè)得。

圖2 2種方案視頻數(shù)據(jù)延遲對(duì)比

圖2是2種方案的延遲對(duì)比，在0～1時(shí)間內(nèi)，改進(jìn)的映射方案比原始方案延遲小，因?yàn)榇藭r(shí)改進(jìn)方案中視頻的重要數(shù)據(jù)優(yōu)先搶占信道，獲得較小的競(jìng)爭(zhēng)窗口。1～2時(shí)間內(nèi)2種方案差別不大，在以后的時(shí)間里，新方案的延遲呈現(xiàn)2種狀態(tài)：一部分（AC3的數(shù)據(jù)）優(yōu)先級(jí)高，延遲很小，優(yōu)于原始方案；另一部分（AC2的數(shù)據(jù)）則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原始方案。這是由于優(yōu)先級(jí)高的視頻數(shù)據(jù)抑制了優(yōu)先級(jí)較低的視頻數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)際視頻傳輸中，這種方案對(duì)延遲的改善意義并不大，因?yàn)閮?yōu)先到達(dá)的數(shù)據(jù)并不能立即恢復(fù)出視頻，必須等到某一幀的數(shù)據(jù)全部正確接收以后才能開(kāi)始解碼。圖3是第24節(jié)點(diǎn)（視頻接收節(jié)點(diǎn)）的吞吐量對(duì)比圖。改進(jìn)方案在0～1時(shí)間內(nèi)，吞吐量明顯高于原始方案，隨后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的持平，在2個(gè)時(shí)間單位以后逐漸小于原始方案。因?yàn)閷?duì)于節(jié)點(diǎn)24來(lái)說(shuō)，總的業(yè)務(wù)量是一定的（視頻數(shù)據(jù)一定），這是一個(gè)此消彼長(zhǎng)的過(guò)程。

圖3 2種方案第24節(jié)點(diǎn)的吞吐量對(duì)比

改進(jìn)方案最明顯的優(yōu)勢(shì)在于改善了丟包率情況。采用原始方案造成564個(gè)丟包，其中有79個(gè)視頻包（視頻包占14%）；改進(jìn)方案丟包減少到376個(gè)，其中37個(gè)視頻包（視頻包占9.8%）。丟包率的改善主要有2點(diǎn)原因：一方面，改進(jìn)的映射方案減少了數(shù)據(jù)包的碰撞；另一方面，將一部分的視頻數(shù)據(jù)映射到更高的優(yōu)先級(jí)，獲得較小的競(jìng)爭(zhēng)參數(shù)，使接入延遲時(shí)間減小了，從而增加了數(shù)據(jù)包成功發(fā)送的概率。

4.2 較重的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況

模擬網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重的情況：節(jié)點(diǎn)0向節(jié)點(diǎn)24發(fā)送視頻流；節(jié)點(diǎn)5向節(jié)點(diǎn)9發(fā)送CBR數(shù)據(jù)流（模擬語(yǔ)音業(yè)務(wù)，優(yōu)先級(jí)為最高）；節(jié)點(diǎn)15和節(jié)點(diǎn)19之間、節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)20之間傳送普通的數(shù)據(jù)流（盡力而為業(yè)務(wù)）。以上產(chǎn)生4條業(yè)務(wù)流，分別采用表3的映射方案和表1的原始方案設(shè)置數(shù)據(jù)的接入類別，并將仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖4中改進(jìn)方案的延遲情況仍然分為2種：一部分延遲很小，接近0，因?yàn)檫@部分的視頻數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)最高；另一部分仍為次高優(yōu)先級(jí)的視頻包，延遲大于原始方案，這是由于受到更高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的抑制。圖5表明改進(jìn)方案的視頻數(shù)據(jù)吞吐量要小于原始方案，這是由于改進(jìn)方案將部分視頻數(shù)據(jù)映射到AC3，導(dǎo)致該隊(duì)列中數(shù)據(jù)量加大，競(jìng)爭(zhēng)更激烈。

圖4 視頻數(shù)據(jù)的延遲對(duì)比

圖5 第24節(jié)點(diǎn)的吞吐量對(duì)比

由此可以看出，在負(fù)載量很大的情況下，采用改進(jìn)的映射方案，網(wǎng)絡(luò)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(jìn)方案的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)在于大大降低了數(shù)據(jù)（包括視頻數(shù)據(jù)）的丟包率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：原始方案中共丟包966個(gè)，其中視頻包為221個(gè)（視頻包占22.9%）；改進(jìn)方案中共丟包775個(gè)，其中視頻包100個(gè)（視頻包占12.9%）。這樣接收端正確接收的視頻包數(shù)目增加，恢復(fù)出的視頻質(zhì)量有所提高。

5 小結(jié)

IEEE 802.11e能夠提供對(duì)寬帶視頻業(yè)務(wù)的QoS支持，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用改進(jìn)的方案，將視頻數(shù)據(jù)中重要的部分（序列、圖像參數(shù)集以及參考片）映射到更高的優(yōu)先級(jí)（語(yǔ)音業(yè)務(wù)級(jí)別）。從仿真結(jié)果可以看出，在業(yè)務(wù)量較小的情況下，改進(jìn)方案對(duì)于延遲、抖動(dòng)、丟包都有所改善；而在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較大的情況下，改進(jìn)方案的優(yōu)勢(shì)并不明顯，但丟包率仍有改善。為了進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能，還需要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載的情況，提出新的改進(jìn)算法[5]。

[1]方旭明.下一代無(wú)線因特網(wǎng)技術(shù)：無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)[M].北京：人民郵電出版社，2006.

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[4]黎勤，劉峰.無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中視頻通信的一種跨層QoS保證方案[C]//中國(guó)電子學(xué)會(huì)第十五屆信息論學(xué)術(shù)年會(huì)暨第一屆全國(guó)網(wǎng)絡(luò)編碼學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（下冊(cè)）.北京：國(guó)防工業(yè)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.