无线网络中视频流的路径分集传输研究分析

王华林，宋建新

（南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003）

1 引言

随着网络技术的发展和多媒体技术的不断成熟，网络上所传输的信息已不再局限于简单的文字和图像，而是向传输由视频、音频组成的多媒体信息方向发展。由于无线网络的动态性、不可预测的延时、丢包率和可用带宽，视频传输在尽力而为的Internet网络传输中面临着很大的挑战。

在无线视频通信中，接收方希望对收到的视频流进行不间断、流畅地播放，这就对网络提供的服务质量保证提出了很高的要求，视频编解码和传输系统需要克服信道的高误码率、包丢失等问题。为了应对这些挑战，利用路径分集在多条路径上传输已经成为一个有效的方式来克服这些困难。

2 路径分集

2.1 路径分集介绍

分集技术的基本思想是：通过一定的形式使接收端同时接收到多个衰落特性互相独立的信号，然后对这些信号进行特定的处理并加以合并从而减小衰落信号电平的起伏程度。在物理层进行的频率分集、时间分集、空间分集已经研究了很多年，但是网络层的路径分集近几年才开始得到重视[1]。

路径分集是一种传输技术，是指在分组网络中通过两条或更多的路径传输数据。路径分集既可以使用多条路径同时传输，也可以在传输过程中选择较好的一条路径进行切换。这与传统的单路径传输所有的数据包有很大区别。多路径可以源于单个源节点，也可以源于多个源节点。由多个源节点产生的路径分集也称为服务器分集或者源节点分集。两种路径分集方式的架构如图1所示。路径分集已经应用于无线Mesh网络、ad-hoc网络、内容分发网络以及Overlay网络[2-3]。

2.2 路径分集的优点

通过聚集网络资源，路径分集能有效地改善流媒体传输性能[4-5]。路径分集的一个最直接优点就是通过同时使用所有路径增加可用带宽。增加带宽既可以通过多源的路径分集，也可以通过单个源节点和中继节点聚集带宽。由于增加了可用带宽，采用路径分集还能够将一条流分配到多条路径上从而实现业务流量负载平衡。

路径分集的另一个优点是通过复制一些数据包在其他路径上同时传输，可以减小丢包率和延时。只要不是所有的路径上都发生丢包，接收端既能获得最小的路径延时，又能减小一条路径上的丢包对视频接收造成的影响。在多条路径上平均分配数据包不仅可以减小丢包率的波动性，使丢包率维持相对平稳，还增加了每条路径上的包间距，使一定时间内由网络拥塞造成的突发性丢包更少。与相同数量的连续丢包相比，视频更容易从多个孤立的丢包中恢复出来。

图1 路径分集架构

3 路径分集在视频传输中的应用研究

在使用路径分集时，视频流传输通常采用两种源编码方式：多描述编码（multiple description coding）[6-9]和可分级编码（layered coding 或者 scalable coding）[9-11]。 多描述编码是指将原始信息编码成多个子流，也称为多个描述。多描述编码有两个重要的性质：1）每个描述都可以独立解码，得到原始信号一定有效程度的复制信号；2）多个描述之间包含互补信息，正确接收到的描述数量越多，解码信号的质量越好。可分级编码是将视频流分成一个基本层和多个增强层。解码端首先必须接收一个基本层以确保基本的图像质量，而接收需要的增强层信息则用来进一步提高解码图像精细部分的质量。与多描述编码相比，如果可分级编码基本层的数据包丢失，那么即便收到增强层的信息也无法进行解码。

3.1 多描述编码视频流的路径分集传输

文献[6]介绍了一种在2条路径的路径分集系统中传输多描述编码视频的失真模型。对于2条路径的路径分集，存在一些路径1与路径2都要经过的联合链路、只有路径1经过的非联合链路、只有路径2经过的非联合链路。多描述编码视频的失真主要取决于丢包同时影响两个描述还是只影响单个描述。多描述源的失真行为可以用4状态模型来表示。状态00表示两个描述都收到，状态01，10表示只收到一个描述，另一个描述丢失，状态11表示两个描述都丢失。笔者提出了快速预测多描述在路径分集下的失真模型，研究结果显示与传统的单描述编码视频在单路径上传输相比，使用多描述编码与路径分集能减少失真。

文献[7]基于多描述编码和路径分集提出了一种TCP友好率分配算法。路径分集采用服务器分集的形式，两个发送端通过不同的路径将互补的子流发送给接收端。每个子流都使用FEC编码进行保护。每个发送端有不同的可用带宽，丢包程度也不相同。笔者提出的算法首先使用TCP友好率控制算法估计可用带宽和丢包率，再调整每个发送者的传送速率和传输的包的数量，使得接收端的总失真最小。研究显示这种算法能增加对网络拥塞造成丢包的容忍程度。

3.2 可分级编码视频流的路径分集传输

在文献[9-10]中，作者提出了一种可分级编码结合选择性ARQ（LC+ARQ）的视频流多径传输方法。视频流被编码成一个基本层和一个增强层。基本层可以在两条路径上同时传输，而增强层选择一条路径传输。如果基本层出现丢包，接收端在两条路径上发送ARQ请求。由于重传会对后面的包造成一定的延时，发送端只在增强层的路径上对丢失的数据包进行重传。实验结果表明这种方法能显著减小解码端重建帧的差错传播。将这种LC+ARQ传输方式与多描述运动补偿视频编码MDMC、基于反馈的参考帧选择RPS等传输方法进行比较，结果表明LC+ARQ传输方式能获得最好的解码视频帧平均PSNR。

文献[11]提出了一种在无线多跳网络中基于路径分集的可分级编码视频流传输方案。在该传输方法中，MAC层根据链路的带宽、视频包的解码期限以及排队延时计算最大的重传次数。传输时采用路径分集，根据视频包的视频期望失真度和路径的误码率对视频包进行最优排队并选择最优路径。

每个视频包 υ有解码期限dυdeadline、包长 Lυ、失真减小值△υ等特征。失真减小值用均方误差MSE表示，代表了视频包的重要程度。无线网络采用多跳Overlay网络拓扑结构，节点按照IEEE 802.11e的HCCA机制为每个视频流预留一个事先决定的传输机会间隔。发送者与接收者之间的拓扑结构由一个拥有M条路径的连通性结构P表示，P=｛p1，p2，…，pM｝，li，j为路径 pi的第 j条链路。 每个节点能主动监测其输出链路的状态矢量，但只能估计超出范围链路的状态信息。由于分析全拓扑结构比较复杂，笔者在多跳网络中提取出一个基本单元作为研究对象以简化分析过程。通过这种基本单元，无线多跳网络能分解成多个基本单元。多跳拓扑结构和基本单元的模型如图2所示。

图2 网络拓扑模型

没有链路出现失败时，笔者引入了一个网络感知的失真减少度量 △υr作为 △υ的扩展。 △υr根据超出范围链路的误码率期望值进行更新。视频包的最优传输就在多个参数约束下，选择最合适的包通过最优路径传输使接收端期望失真减少值最大。计算了不采用路径分集时接收端的总失真减少值 △GoP｛fail-free，no-diversity｝与采用路径分集时接收端的总失真减少值 △GoP｛fail-free，diversity｝。通过比较两者的关系，可以得出以下结论：当没有链路出现失败时，最优化的应用层路径分集并不能增加解码端的期望失真减少值，达到改善性能的目的。

链路出现失败时，数据包在重传时主要是根据失真减少值，选择对一些较重要的包采用路径分集，在两条路径上同时传输，而不是基于初次传输的确认信息选择一条最优路径重传。此时传输一个GoP解码端得到的相应失真减少值为△｛failure，diversity｝。通过理论分析和仿真，结果表明如果选择合适的分集比例，使用路径分集能获得更大的失真减少值，而且能使失真减少值变得稳定，改善了视频质量的稳定性。同时采用路径分集的包的比例也会对整个视频流的解码质量有影响，存在一个最优的分集比例，能使得解码端获得最大期望失真减少值，这个最优分集比例与视频本身失真减少△υ的模型以及各链路失败概率的期望值有关。

4 目前研究中存在的问题

在目前路径分集的研究中，拓扑控制、信道估计、路径选择 （服务器分集结构中主要是选择最优服务器）、传输调度以及重传设置都是改善系统传输性能的关键技术。上一节介绍了路径分集在视频传输过程中的应用研究，其中一些虽然表现出较好的性能，但仍然存在一些不足和需要改进的地方。

文献[7]的服务器分集研究模型比较简单，服务器与接收端之间只有一跳，路径不会改变，因此有一定的局限性，不适合较复杂的网络。如果单个服务器与接收端之间也存在多条路径，则还需要考虑选择最优路径以及单个服务器在各条路径上的速率分配。

文献[9]的LC+ARQ多径传输研究中没有对基本层的数据选择信道最好的路径进行传输，只是将基本层与增强层数据分别从两条不同的路径上传输。当基本层数据重传时，增强层的传输路径上将同时传输基本层与增强层数据，此时并没有对基本层数据采用优先传输，有可能导致较大的延时。而且如果增强层的传输路径信道质量不好，出现高误码率时，与在原始路径上重传时相比，在增强层路径上重传基本层数据并不能获得更好的传输质量。因此，采用LC+ARQ传输可以考虑结合路径选择与优先级调度进一步改善基本层数据传输的有效性，提高视频接收质量。

文献[11]的传输方案虽然假设同一个GOP中的视频包有相同的解码期限，但是在重传时忽略了再次传输的视频包与首次传输的视频包相比有着更小的剩余时延，导致重传的视频包不能获得优先传输的机会，增加了解码端接收到视频包却因超过解码期限而丢弃的概率。一个改进的方法就是对每个视频包考虑数据包传输的丢包率以及超时丢弃的概率，评估其被传输无效的风险概率，再通过这种风险概率在传输调度时进行优先选择传输，提高传输系统在时延方面的性能。此外，传输时还可以结合FEC对基本层数据进行纠错保护，减少重传，降低传输的冗余度。

通过结合适当的编码方式，路径分集显著地提高了视频流传输的服务质量。合适的重传策略能有效地降低传输的冗余度，提高无线环境下有限网络资源的利用率。由于多描述编码与可分级编码在性质上的差异，重传对可分级编码特别是基本层数据，有着更加重要的作用。

5 结束语

本文介绍了路径分集的基本原理以及它在无线传输网络中的优点，分析了多描述编码、可分级编码结合路径分集的无线传输。在未来的研究中，还可以考虑将路径分集与物理层调制和功率控制、MAC层重传、调度算法以及应用层相结合，实现跨层传输设计，更好地提高视频流传输的服务质量。

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