无线移动网络中可分级编码视频的仿真平台

梁建胜， 乐江源

(1. 东莞职业技术学院， 广东 东莞 523808； 2. 赣南师范大学 物理与电子信息学院， 江西 赣州 341000)

0 引 言

随着移动无线终端计算能力与能量效率的飞速提高，移动互联网的多媒体应用呈现出爆发式增长[1]，根据思科公司对网络流量的分析，目前多媒体数据已经占据了互联网数据的一半以上[2]。当前的移动互联网用户对视频服务质量的要求日益提高，智能手机、平板电脑等各种终端一般通过移动自组织网络拓扑形式构建网络[3]，因此，提高多媒体流量在无线自组织网络的传输性能是当前的研究热点[4]。

实验室建设一直是高等职业院校的教学重点，虽然移动互联网的视频传输已经取得了较好的性能，但移动自组织网络的视频传输仿真实验平台则是目前国内高等教育实验领域的一个空缺。

为了提高实验室建设的先进性与实用性，设计了可分级视频流的移动无线网络仿真平台，该仿真平台包括2个视频流的传输场景，① 传统的视频流传输方案[5]，将视频传输速率设为定值，在网络中发送数据；② 目前前沿的视频流传输方案[6]，根据无线自组织网络的实时可用带宽自适应地调节视频传输流量。

本文提出了可分级视频流(以H.264/SVC编码为例)在移动自组织网络传输的仿真平台，可以为移动无线网络实验室提供一个完整的仿真平台。并且设计了WMNQoS路由协议，获得网络的可用带宽估计，WMNQoS协议的自适应反馈机制可以根据路由状态与网络的可用资源状态调节源节点的传输速率，满足了可分级视频编码的实验条件。虽然移动无线网络中节点的移动性影响了可分级视频编码的视频流传输质量，然而，自适应可分级视频编码方案可以明显地提高接收视频的质量。

1 自适应可分级视频流

将视频传输方案分为两个类型[7]：传统视频流传输方案与自适应的视频流传输方案。

传统方案在视频服务商与客户端之间建立一个会话，采用一种协议发送视频流数据，传统视频传输方案将视频内容下载至本地的缓存中，当缓存的数据流足以流畅播放时，才进行视频的播放，如果播放速率超过了下载速率，则减缓播放速率直至缓存了足够的数据。传统视频传输方案可以提供完整的视频数据与实时性，然而该方案需要一个稳定的源节点-目标节点链接，因此缺少灵活性与容错性，如果传输信道发生拥塞，则会导致视频质量明显地下降，如图1所示。

自适应视频流传输方案估算可用的网络带宽与CPU计算能力，自适应地调节用户端视频的质量。自适应视频传输方案主要分为3种类型：① 编码转换技术，② 流媒体切换技术，③ 可分级视频编码技术。其中可分级视频编码技术将视频分为多个层，主要解决带宽限制了数据传输的问题，通过某种方法使得视频流拥有可分级性，当网络带宽较小的时候，只保持基本的视频信息被传输，并根据实际的网络环境决定是否传输增强的视频信息以使得图像质量得以加强，由此实现自适应性，该方式可以保持拥有网络连接的大部分终端都可以以适当的码流来使用多媒体信息，而不考虑原码流的需求。图2所示为可分级视频流的调节方法示意图。

图1 传统的视频流传输方案示意图

为了动态地调节视频流的传输数据流，首先需要一个机制来准确地估计网络的可用带宽。本文设计了WMNQoS跨层协议，该协议具有3个功能：① 估计无线网络的可用带宽，② 负责网络跨层信息的交换，③ 建立移动自组织网络的路由。

1.1 可分级视频编码(SVC)

H.264/AVC是一种SVC编码的标准化规范[8]，使用H.264/SVC编码的视频具有分层的结构，主要有3种分层(分级)机制：按质量分级、按时间分级、按空间分级，图3所示是H.264视频编码的3种分级示意图。

QCIF格式

CIF格式

4CIF格式

20 Hz

40 Hz

视频质量低(SNR值低)

视频质量高(SNR值高)

图3 H264视频编码的3种分级示意图

H.264/SVC标准编码的3种分级策略可以根据网络带宽的条件自适应地选择最优的分级组合[9]。质量分级将原图像的参考图像作为清晰度最低的图像，在基层中传输，增强层则包含更多的图像信息来提高图像的SNR值。空间分级将图像分为不同的分辨率级别，客户端根据网络的条件选择解码的图像分辨率。时间分级将图像分为不同的帧率，客户端根据网络的条件选择合适的帧率，帧率越高，视频质量越高。图4所示是一个SVC视频流量编码的实例，该实例设置了3个时间分级[T0,T1,T2]与2个质量分级(Q0,Q1)，共有6个分级组合，图4中基层设为较低的时间分级T0与较低的质量分级Q0。

图4 SVC视频流量编码的实例

H.264/SVC标准中将codec分为2个子系统：视频编码层与网络抽象层。视频编码层负责视频编码，网络抽象层根据传输层需求构建传输的数据流。编码的视频数据被封装成网络抽象数据结构体(NALU)，NALU包含完整或者部分的编码数据帧的信息，每个NALU包含3个ID信息：空间ID(DID)、时间ID(TID)、质量ID(QID)，这3个ID分别代表了视频在空间域、时间域与质量域的可分级维度。将DID、TID与QID的值组合为(D,T,Q)的元组形式，例如：基层的NALU一般为(0,0,0)，如果增强层由T2与Q12个分级组成，应当表示为(0,2,1)。

1.2 质量可分级MGS

H.264/SVC标准提供了3种质量分级：CGS(Coarse-Grained Scalability)，MGS(Medium Grain Scalability)[10]与FGS(Fine Grain Scalability)[11]。MGS可以提高视频编码的效率，并且在解码端可以切换任意时刻的分层，所以本文采用MGS作为视频质量的分级方案，图5所示表示了MGS相较于其他2个质量分级方案的优点。CGS方案独立地估算每个增强层，该方案有几个缺点：如果增强层的一部分丢失，后续帧的估计中会发生错误(图5(a))。FGS方案从每个帧的基层预测其增强层，如果增强层的数据包在一段时间内丢失，接收端则仍然从基层解码其增强层。MGS方案比FGS与CGS方案灵活，并且引入了参考帧的概念，将参考帧作为基层数据[11]。

(a) CGS质量分级方案(b) FGS质量分级方案

(c) MGS质量分级方案

图5 按质量分级的方法

2 SVC_MANET_Platform仿真平台

设计了一个可分级视频流在无线移动网络传输的仿真平台，称为SVC_MANET_Platform，用于评估可分级视频编码自适应速率调节的性能。

近期一些开发工作者开发了一些可分级视频编码的仿真平台，例如：EvalSVC与myEvalSVC，但这些平台不支持调节可分级编码视频流的比特率，本文的SVC_MANET_Platform仿真平台根据估算的可用带宽自适应的调节流量源的比特率，并且将SVC_MANET_Platform与NS-2网络仿真平台[12]集成，可以全面地仿真可分级视频流在移动自组织网络传输的各种场景，具有较高的实用性。

图6描述了SVC_MANET_Platform仿真平台的总体框图，整个框架共包含3个阶段：编码、仿真与解码。

(1) 编码阶段。将YUY格式的源视频编码为H.264/SVC格式，编码软件为JSVM软件[13]，JSVM软件的编码配置包括：确定可分级编码的类型、编码视频的分层数量等。然后，使用BitStreamExtractor SJVM工具软件基于H.264/SVC编码视频生成NALU追踪文件，该NALU追踪文件包含了编码视频的重要参数，例如：报文大小、DTQ值与报文类型，解码端需要这些参数对编码视频进行解码。此外，SVC_MANET_Platform仿真平台还需生成2个附加的追踪文件：比特率追踪文件与NS-2流量追踪文件。比特率追踪文件中包含了传输SVC编码视频各层所需的比特率参数，例如：编码层ID、帧率(f/s)、比特率(Kb/s)、DTQ值与PSNR值。NS-2流量追踪文件则是将NALU追踪文件转化为NS-2仿真平台所需的格式，输入NS-2仿真平台。

图6 SVC_MANET_Platform仿真平台的总体框图

(2) 仿真阶段。视频报文在移动自组织网络的传输过程中，采用WMNQoS协议(第4小节)获得网络的可用带宽估计，并将该信息发送至自适应速率调节模块，自适应速率调节模块决定了可分级编码的最大(D,T,Q)值，也决定了视频传输的最高分层。因此，选择的视频最高层应当小于或等于网络的可用带宽。“可分级视频编码平台流量代理”模块根据最大(D,T,Q)值选择过滤出符合调节的视频流量，并将流量输入NS-2仿真平台中进行仿真。

(3) 解码阶段。“可分级视频编码平台后处理”获得NALU追踪文件，将该文件输入NALU-FIlter工具软件，NALU-FIlter工具软件包含3个处理操作：① 删除播放停止点之后的NALU，② 根据发送顺序记录NALU，③ 删除解码依赖不合理的NALU。将过滤后的NALU追踪文件输入BitStreamExtractor工具与JSVM编码工具重建H.264/SVC视频流，然后，使用JSVM H.264静态解码工具将SVC视频流解码为YUV文件，将最终的YUV文件与源视频YUV文件比较，评估端到端视频质量的损失。此外，通过NS-2网络仿真器可以获得移动自组织网络的性能，例如：丢包率、端到端延迟等。

3 WMNQoS路由协议

AODV协议[14]是移动自组织网络的一个重要的协议，但AODA协议无法根据网络的可用资源状态调节视频的传输速率，本文对AODV协议进行了修改，使其满足移动自组织网络中自适应调节可分级编码视频流速率的要求，修改后的AODV协议称为WMNQoS协议。

为AODV协议增加了新的数据域，路由请求报文中增加了带宽需求与会话ID信息，用于识别网络的各个流量；回放报文RREP与路由误差报文RERR均加入了QoS相关的新数据域，修改后的RREP与RERR命名为WM_RREP与WM_RERR。

WMNQoS协议与其他基于AODV方案的主要差异是：WMNQoS协议的自适应反馈机制可以根据路由状态与网络的可用资源状态调节源节点的传输速率。

图7所示为WMNQoS路由协议的模块框图，WMNQoS路由协议的主要模块为带宽估计模块、路由模块与路由发现模块。带宽估计模块估计路由的可用带宽，并将结果返回应用层，该过程使用Hello报文，AODV协议的这些报文用于发现邻居节点的处理过程，流量源节点根据可用带宽的信息调节传输速率。路由模块接收来自源节点的路由请求，并且执行路由协议传输数据。路由发现模块负责检查连接的故障与重建路由。

图7 WMNQoS路由协议的模块框图

4 仿真平台的性能评估

为了评估SVC_MANET_Platform仿真平台的仿真效果，仿真了两种可分级视频流在移动自组织网络的传输性能，分别为：自适应与非自适应可分级视频编码。自适应可分级视频编码策略使用本文设计的WMNQoS协议，非自适应可分级视频编码策略使用AODV协议，一方面评估SVC_MANET_Platform仿真平台的有效性，另一方面评估WMNQoS协议的效果。

4.1 仿真环境

采用NS-2网络仿真器，表1所示为NS-2仿真器的参数设置。采用视频序列CREW视频作为实验的视频，视频共有900帧，每帧像素为352×288。H.264/SVC编码采用两个分级维度：时间与质量，使用JSVM软件[13]进行H.264/SVC编码，表2所示是视频的相关参数。编码的SVC视频流包含5个时间级别，表示为(T0,T1,T2,T3,T4)，包含4个质量级别(Q0,Q1,Q2,Q3)，共有20个时间、质量分级的组合，表示为(TiQi)。传输层的比特率范围为94.4 Kb/s～1 Mb/s。表3所示是可分级编码20层的比特率与帧率。

表1 NS-2网络仿真器仿真参数设置

表2 视频流相关参数设置

表3 H.264编码视频每层的参数

图8所示是不同时间分级与质量分级对应的视频流比特率。

图8 不同时间分级与质量分级对应的视频流比特率

4.2 仿真结果

模拟无线移动网络的网络场景，在一个1 000 m×1 000 m的区域中设置30个移动节点组成无线蜂窝网络。各节点随机地向目标移动，移动速率为0.1～2 m/s，服从随机路点模型。当一个节点到达目标点，该节点随机暂停0～80 s，然后向另一个目标移动。

随机地选择2个节点传输视频流数据，在仿真的开始阶段，源节点以最大的可行速度开始传输数据，即1 Mb/s。此外，3个10 Kb/s的固定码率流量通过UDP端口在网络中传输。自适应可分级视频编码方案允许11%以下的丢包率。

图9所示为2种可分级视频编码数据流在无线移动网络传输的结果。从图9(a)可看出，自适应可分级视频编码方案的丢包率明显高于非自适应可分级视频编码方案；从图9(b)可看出，成功解码的帧数量随着移动剧烈程度的提高而提高，对于自适应可分级视频编码方案，其原因主要在于根据可用的带宽调节了源节点的流量传输速率；对于非自适应可分级视频编码方案，其原因在于丢包率过高与缺少NALU信息；从图9(c)可看出，自适应可分级视频编码方案接收的视频质量明显的高于非自适应可分级视频编码方案，移动节点的剧烈程度越高，自适应可分级视频编码方案的优势越明显。

(a) 丢包率(b) 解码帧速率

(c) YUV格式的Y-PSNR结果

图9 移动无线网络的实验结果

节点的移动性影响了可分级视频编码的视频流传输质量，然而，自适应可分级视频编码方案明显地提高了接收视频的质量。此外，自适应可分级视频编码方案有助于防止或减缓网络的拥塞，最小化对网络中其他流量的影响。

5 结 语

本文提出了可分级视频流(以H.264/SVC编码为例)在移动自组织网络传输的仿真平台，可以为移动无线网络实验室提供一个完整的仿真平台。此外，设计了WMNQoS路由协议，获得网络的可用带宽估计，WMNQoS协议的自适应反馈机制可以根据路由状态与网络的可用资源状态调节源节点的传输速率，满足了可分级视频编码的实验条件。

移动节点的移动性影响了可分级视频编码的视频流传输质量，然而，自适应可分级视频编码方案明显地提高了接收视频的质量。此外，自适应可分级视频编码方案有助于防止或减缓网络的拥塞，最小化对网络中其他流量的影响。

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