多跳无线网络中具有时间意识的视频流控制协议

沈 航 白光伟，3 赵 露 唐振民

(1南京理工大学计算机科学与技术学院，南京210094)

(2南京大学计算机软件新技术国家重点实验室，南京210093)

(3南京工业大学计算机科学与技术系，南京210009)

多跳无线网络包括移动自组网(MANETs)、无线传感器网络(WSNs)、无线网状网(WMNs)等.目前，实时视频通信是多跳无线网络支持的主要业务之一.然而，在无线网络环境下为实时多媒体应用提供有效的QoS支持面临诸多挑战.一方面，多跳无线网络应用环境的多变性、复杂性、移动性与自组织等特征都会严重影响无线通信的质量和效率［1-2］;另一方面，实时视频通信需要在较长的时间内传送连续的视频数据，并在接收方实时播放，具有严格的端到端QoS需求［3-4］.

现有的视频通信性能优化方法包括流控制［4-5］、区分服务［6-7］、分组调度［8-9］等.对于无线实时视频通信而言，端到端时延是最关键的QoS指标.一个高效的视频流控制协议应能限制超时和失效数据的传输，同时保障关键视频帧的成功传输.然而，无线通信设备之间存在的时钟不同步问题，导致通信协议无法准确计算数据的延迟.大多数路由协议和MAC层协议不具备视频感知功能，无法为关键帧提供保护，从而降低了视频播放质量.此外，由于不通部分的视频帧之间形成了很强的解码依赖关系，网络传输差错造成的部分数据丢失或损坏会导致另外一些与之相关的视频数据帧即便被正确接收也无法解码;而现有的流媒体通信协议没有考虑视频数据之间的依赖关系，导致有效视频吞吐量降低.

针对多跳无线网络中典型协议支持实时流媒体应用存在的问题，本文提出了一种具有时间意识的视频流控制协议(time-aware control protocol，TACP)，以改善实时视频通信性能.

1 视频流和网络模型

本文采用实际的多描述编码(multiple description coding，MDC)以及单描述编码(single description coding，SDC)视频片段作为数据源.相应的视频比特流可分为视频序列(sequence)、图像组(group of picture，GOP)、图像(picture)等层次.图像对应于视频帧，视频中的GOP作为1个可以独立解码的单位，由1个I帧和若干个依赖于它的P帧组成.根据发送顺序为视频帧进行编号(从1开始).传输层为视频流分配唯一的流ID，并将视频帧分割为数据包进行传输.根据编码规则，GOP序列号和视频帧类型可表示为

式中，G，F，L分别为GOP序列号、视频帧序列号和GOP长度;T为视频帧类型，I帧和P帧分别用1和2表示.本文采用的视频片段GOP长度为固定值.

视频接收方通过设置缓存来减轻抖动带来的影响，用户可根据实时性需要设置缓存时间.将视频流的接收方缓存时间记为B，中间节点接收到数据包时的传输时延记为D.若D＞B，则视为超时.

2 TACP描述和分析

首先，提出了基于跨层设计的协议框架;在此基础上，对TACP的视频同步机制和时延估计方法进行描述;最后，研究并探讨了一种基于GOP的路径探测机制.

2.1 跨层协同框架

本文在网络层的路由子层上增加了一个新的协议子层，记为TACP层.如图1所示，TACP的协议包头长度为24 bit，由视频流ID(I)和视频帧序列号(F)2部分组成.

图1 TACP的协议包头(单位:bit)

图2为基于跨层设计的协议框架.由图可知，本文设计的跨层体系涉及应用层、传输层、网络层和链路层.端到端视频流控制工作在TACP层进行.从结构上看，该跨层体系可分为3个部分:①源节点将应用层和传输层的视频参数传递给网络层的TACP模块，其中参数M为源节点最近一次发出的视频帧序列号.这些参数既可用于填充TACP包头，又可根据需要通告视频同步信息.②目的节点的应用层和传输层分别用于记录参数B和I.当B发生变化时，相应的参数会被传递到TACP模块.③ 节点收集链路层和路由层失效视频参数(包括超时和因路径中断、拥塞等丢弃的视频数据)，并传递给TACP模块.在视频传输过程中，节点根据视频帧之间的依赖关系以及视频数据的延迟状况，限制不可解码和超时视频数据的传输.

图2 基于跨层设计的协议框架

2.2 视频流同步与时延估计

为了准确判断是否超时，节点需要计算出传输时延D并掌握相应视频流对应的缓存时间B.缓存时间的获得及更新容易实现，如何准确计算传输时延则是研究的难点所在.其原因在于:① 无线设备之间时钟不同步;②如果通过获取节点相关参数(如可用带宽、队列长度等)逐跳估计时延，会产生额外的开销，且容易出现较大误差.对于接收到的视频包(携带有参数I和F)，若中间节点能够计算出源节点当前时刻最新发出的视频帧序列号(记为Mc)，则根据下式可以较为准确地估计传输延迟:

式中，R为视频帧发送速率.本文采用恒定发送速率.若经过中间节点的视频数据超时，则丢弃.

TACP工作流程可分为2个阶段:同步阶段和控制阶段(见图3).图中，T1～T5为时间点.在同步阶段中，首先目的节点将参数B和I以单播形式发送给源节点;然后，源节点将同步参数I，M，L和R进行通告，中间节点收到通告信息后记录同步参数.该阶段的控制消息称为同步包.同步包一般只在新视频流被触发以及缓存时间被重新设定时才会被触发，因而不会产生较多的开销.

图3 TACP工作流程

进入控制阶段后，按照如下公式计算Mc:

式中，Tc表示当前时间;Tr表示信息被记录的时间.在一个理想的状态下(即源节点同步包的传输不存在延迟)，根据式(3)和(4)便可准确定位超时视频数据.然而，数据传输延迟的存在导致Mc的计算存在误差.将该误差记为E，若满足

则误差E处于可容忍的范围，这是由于采用式(3)得出的传输时延精度为1/F.

下面利用仿真方法对误差 E进行分析.在1 200×800的区域内设置60个IEEE 802.11无线节点，节点的最大移动速度为10 m/s;随机选择视频源节点和接收节点，视频帧发送频率为25帧/s;设置了5对干扰源.实验共统计了4 062个端到端同步时延数据.按照概率特性对其进行分析，结果见图4.由图可知，统计数据大多小于0.04，满足式(5)的要求.

图4 端到端同步时延的概率特性

2.3 基于GOP的路径探测机制

将视频传输过程中出现的失效视频数据分为超时数据和不可解码数据2种.根据视频帧的依赖关系可知，若节点将后续失效视频数据全部丢弃，视频流将出现空洞，即在一段时间内没有视频数据传输.若属于I帧的视频包失效，空洞时间将达到上限.视频传输路径处于空闲状态(即没有数据通过)时，则没有反馈信息(例如路由错误消息)产生，相关节点无法及时更新路由.当属于下一个GOP的I帧视频包到来时，若无法成功投递，就会导致整个GOP失效.如此循环，致使视频通信性能降低.

为此，本文引入了一种基于GOP的路径探测机制，为高优先级视频包提供有效的通信路径.工作流程为:当失效视频包出现时，相关节点提取其路径信息;然后，根据其路径信息向目的节点发送探测包，检测路径连通性;最后，将失效视频包丢弃.当探测包无法投递时，相关节点可以及时更新路由，以保证下一个GOP中高优先级I帧的可靠传输.探测包的长度较短，不会占用过多的网络带宽.

探测包中携带有失效视频信息，相邻节点监听到传输中的探测包后，保存其中的失效视频信息，用于过滤不可解码视频包，特别是有利于及时减少上游通信路径中不可解码视频包的发送和转发.图5为路径探测和失效视频参数反馈过程.由图可知，路径N1—N2—N3—N4正在传输属于一个GOP的视频包序列.根据依赖关系，若节点N3出现视频包失效，则上游节点正在传输的视频包不可解码，应及时清除.此时，节点N3会向下一跳发送探测包，其上游节点N2监听到后判断当前发送视频包不可解码，同样会发送探测包.因此，失效视频参数会快速逐跳反馈到上游节点，从而有效节约网络带宽.

图5 路径探测和失效视频参数反馈过程

3 性能分析与评价

3.1 仿真环境和实验设计

在NS2中实现了TACP，通过一系列仿真实验，对其QoS支持功能进行全面分析和评价.选取了具有代表性的无线网络路由协议 SMR［10］和DSR与 TACP协同工作，并将其分别简称为SMR+和DSR+.采用一个中等质量的MDC视频片段作为SMR的数据源，通过多路径方式并行传输，平均比特率和峰值比特率分别为96和825 kbit/s.采用一个对应的SDC视频片段作为DSR的数据源，进行单路径传输，平均比特率和峰值比特率分别为77和828 kbit/s.在1 200×800的区域内布置60个IEEE 802.11无线节点，节点的最大移动速度设为10 m/s，随机选择一对视频源和接收节点，干扰源发送速率为12 kbit/s.分别考虑负载变化和视频缓存时间变化时的实时视频通信性能.为了减少随机性，每一组数据都是在随机场景下进行10次实验后计算的平均值，每次实验持续3 700 s.

3.2 结果分析

负载变化对实时视频通信性能的影响见图6.实验中干扰源数目从5个增加到10个，可解码视频帧率可以反映有效视频吞吐量.由图可知，随着干扰源数目的增加，网络可用带宽减少，数据发送时发生冲突的可能性随之增加，可解码帧率呈下降趋势(见图6(a)).使用TACP后，SMR+和DSR+所提供的可解码帧率得到了提升.由图6(b)可知，随着干扰源数目的增加，网络可用带宽逐渐减少，4种协议的失效视频帧率均呈增长趋势.TACP能够较好地限制失效视频数据的传输，因此，相比DSR和SMR，DSR+和SMR+的失效视频帧率始终维持在一个较低的数值.图6(c)和(d)分别显示视频帧平均端到端时延和抖动的变化趋势.一方面，随着可用带宽的降低，DSR和SMR无法满足实时视频通信的QoS需求;另一方面，TACP的引入提高了网络带宽利用率，显著降低了端到端时延和抖动.

视频缓存时间变化对实时流媒体性能的影响见图7，这里将缓存时间的变化范围设为0.5～3 s.实验中干扰源数目设定为5个.图7(a)为缓存时间变化对可解视频码的影响.由图可知，TACP使得相关节点可以适应缓存时间变化对实时性的要求.缓存时间的增加，在一定程度上降低了对视频传输时延的要求;由图7(b)可知，将视频缓存时间设为0.5 s时，TACP能够将原始SMR和DSR的失效视频帧率分别减少约2%和5%.在传统的分层网络体系结构中，网络层无法获得高层的用于协调自身传输行为的信息.因此，随着视频缓存时间的增加，SMR和DSR的视频帧平均端到端时延和抖动没有发生变化(见图7(c)和(d)).采用TACP后，中间节点可以根据时延需求的变化动态地调节视频传输行为，以满足视频通信的端到端时延需求.

图6 负载变化对视频通信性能的影响

图7 缓存时间变化对视频通信性能的影响

4 结语

本文提出了一种用于多跳无线网络中具有时间意识的视频流控制协议，为实时视频通信提供有效的端到端QoS支持.该协议通过跨层设计方法，在网络层上增加了独立的TACP子层，将来自应用层、传输层、网络层和数据链路层的视频参数映射至该子层.考虑到视频传输对实时性的需求以及视频帧之间的解码依赖关系，采用一种分布式时延估计方法来限制失效视频数据的转发，从而提高了网络带宽利用率.然后，为了保证高优先级视频数据的可靠传输，研究了一种基于GOP的路径探测机制，将其与流控制协议协同工作以提高视频播放质量.最后，通过一系列仿真实验，对其QoS支持功能进行全面分析和评价.实验结果表明，TACP可明显改善视频流质量，提高网络带宽利用率，并能够适应实时性需求的变化.

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