摘 要: 對壓縮編碼視頻流在靜態(tài)多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中實時傳輸?shù)男阅苓M(jìn)行了研究，比較了AODV、Bellmanford、DSR、Fisheye、ZRP等多種路由協(xié)議對實時視頻業(yè)務(wù)的支持能力。結(jié)果表明，視頻分組成功投遞率（PDR）對視頻流的解碼回放質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，在路由跳數(shù)大于某一門限值以后，PDR隨著中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多呈近似線性下降，即使是PDR性能的Bellmanford路由協(xié)議，在多于5跳（PDR降至72%以下）的情況下也無法提供可接受的視頻質(zhì)量。

　　0 引言

　　無線移動自組織網(wǎng)絡(luò)（Wireless Mobile Ad-hoc Networks，簡稱Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)）是由一組自治無線移動通信節(jié)點(diǎn)組成的臨時性網(wǎng)絡(luò)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)無需預(yù)先設(shè)置中心控制節(jié)點(diǎn)，也被稱為infrastructure-less網(wǎng)絡(luò)，在基礎(chǔ)設(shè)施無法搭建、成本過高等臨時性場合，如軍事通信網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)急搶險救災(zāi)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、個人信息網(wǎng)絡(luò)等有著廣泛的應(yīng)用前景。

　　Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)便利性的代價便是無線節(jié)點(diǎn)功能復(fù)雜度的提高和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓又疅o線信道自身的時變特性，使得Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)面臨著許多問題，包括帶寬問題、能量消耗、鏈路斷合、傳輸延時、數(shù)據(jù)丟失等。對于終端用戶來說，要想在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中確保服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service, QoS）是一件非常困難的事情，需要進(jìn)行良好的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計和高效的無線收發(fā)器的開發(fā)。
　
　　有別于2G和3G等商用通信網(wǎng)絡(luò)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)一般為專用網(wǎng)絡(luò)，需要研究開發(fā)人員針對不同的應(yīng)用場景進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)。當(dāng)前大量的研究論文對于協(xié)議性能的評價都是基于“散布式”網(wǎng)絡(luò)場景的，即某一固定區(qū)域內(nèi)散布著一定數(shù)量（一般為幾十個）的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)路點(diǎn)（Random Waypoint）移動[1][2][3]。但是，在實際應(yīng)用場合，節(jié)點(diǎn)的配置和移動都是具有特定要求的，數(shù)量也未必需要很多，如科羅拉多大學(xué)進(jìn)行的無人機(jī)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)研究[4][5]。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于有中心單跳網(wǎng)絡(luò)的一個很大的表現(xiàn)在于其多跳特性，能夠有效擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋距離，進(jìn)行協(xié)作式組網(wǎng)，實現(xiàn)信息共享。本文主要考察靜態(tài)鏈狀多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的性能。這種拓?fù)涞腁d Hoc網(wǎng)絡(luò)可以用作無人機(jī)遠(yuǎn)程偵察、傳感器遠(yuǎn)程信息獲取、網(wǎng)區(qū)內(nèi)信息共享、無中心視頻會議等應(yīng)用場合。

　　本文的組織結(jié)構(gòu)如下：第2部分構(gòu)建了實驗所需的實時視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)仿真平臺；基于此平臺，第3部分進(jìn)行了靜態(tài)多跳鏈狀A(yù)d Hoc網(wǎng)絡(luò)的實時視頻傳輸仿真實驗，得到了多種路由協(xié)議條件下實時視頻傳輸?shù)男阅埽坏?部分對實驗結(jié)果進(jìn)行了討論；總結(jié)了本文的工作，并指明下一步的研究方向。

　　1 網(wǎng)絡(luò)實時視頻傳輸仿真平臺

　我們構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)視頻實時仿真?zhèn)鬏斊脚_，此平臺可以將實時視頻流進(jìn)行模擬傳輸，通過改變網(wǎng)絡(luò)的配置，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒐?jié)點(diǎn)數(shù)量、協(xié)議棧配置、移動性參數(shù)、背景業(yè)務(wù)流量等網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)，可以直接觀察到實時視頻流的接收質(zhì)量，進(jìn)行主觀評價；同時通過記錄的參數(shù)得到視頻分組成功投遞率（Packet Delivery Ratio, PDR）、延時、抖動等參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的定量比較與客觀評價。

　　1．1 實時仿真平臺對網(wǎng)絡(luò)模擬器的要求

　　我們開發(fā)的實時視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)仿真平臺要求將視頻編碼器的輸出碼流遞交給網(wǎng)絡(luò)模擬器，網(wǎng)絡(luò)模擬器根據(jù)模擬網(wǎng)絡(luò)的配置情況，經(jīng)過應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、路由算法、介質(zhì)訪問控制（Media Access Control, MAC）子層、鏈路層、物理層、天線發(fā)送出去，經(jīng)過信道的衰落（Loss）、多徑（Multi-Path）、陰影（Shadowing）效應(yīng)，經(jīng)過可能的多跳傳輸?shù)竭_(dá)接收節(jié)點(diǎn)，接收節(jié)點(diǎn)再執(zhí)行發(fā)送的逆過程進(jìn)行解碼回放，由視頻解碼器進(jìn)行播放，我們便可以觀察到接收視頻質(zhì)量了。

　　由以上過程可以看出，實時視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)仿真平臺對于起關(guān)鍵作用的網(wǎng)絡(luò)模擬器提出了實時性要求，接收端視頻實時解碼器在某一緩沖時間內(nèi)如果未能接收到期望的視頻數(shù)據(jù)，則不應(yīng)繼續(xù)等待下去，要進(jìn)行相應(yīng)的視頻差錯恢復(fù)和隱藏工作，限度地恢復(fù)接收視頻質(zhì)量。如果網(wǎng)絡(luò)模擬器的速度不能滿足實時性處理的要求，接收端視頻回放就會出現(xiàn)大量的丟包現(xiàn)象，導(dǎo)致觀看到的接收視頻無法反映真實的網(wǎng)絡(luò)傳輸情況。這個現(xiàn)象在我們使用低配置的機(jī)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬時得到了印證。

　　針對網(wǎng)絡(luò)模擬傳輸?shù)膶崟r性要求，我們選擇了美國Scalable Networks Technologies公司的QualNet網(wǎng)絡(luò)模擬器。QualNet能夠支持成百上千個無線移動節(jié)點(diǎn)的實時模擬，其MANET模型庫中配備了多種常見的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，使得我們可以將大量的精力投入到網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)和實驗當(dāng)中。

　　1．2 視頻的編碼、打包和收發(fā)

　　目前廣泛用于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊曨l編解碼器有MPEG-2、MPEG-4、H.263、WMV等，每一種視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)都有各自不同的率失真（Rate-Distortion, RD）性能、差錯恢復(fù)和隱藏算法。我們希望考察盡可能多類型的視頻編解碼器來評估不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的視頻傳輸效果。但是對每一種視頻編碼器采取重新編碼其工作量非常巨大，對于我們的實驗平臺也是沒有必要的，我們盡可能利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，借助其他軟件來進(jìn)行轉(zhuǎn)碼（Transcoding）。

　　我們選用了www.videolan.org開發(fā)的VLC media player作為轉(zhuǎn)碼和實時傳輸播放工具。VLC是一個開放源代碼的跨操作系統(tǒng)平臺的網(wǎng)絡(luò)視頻播放器，我們使用的版本號是0.8.5-svn-20051102-1951。VLC能夠支持多種音頻和視頻的本地播放、轉(zhuǎn)碼、網(wǎng)絡(luò)實時接收播放，能夠很好地滿足我們提出的視頻評估實驗平臺的要求。

　　1．3 實時視頻傳輸仿真平臺的開發(fā)

　　我們開發(fā)了實時視頻傳輸仿真平臺，該平臺包括至少三臺連接在同一局域網(wǎng)內(nèi)的計算機(jī)，平臺的構(gòu)架如圖1所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 實時視頻傳輸仿真平臺

　　我們可以通過改變視頻編解碼器的類型和參數(shù)、模擬網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洹⒘髁俊f(xié)議棧配置等來進(jìn)行各種情況下網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸?shù)膶嶒灐?

　　2 仿真實驗

　　我們進(jìn)行了多次的靜態(tài)多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)實時視頻傳輸實驗，得到了大量的實驗數(shù)據(jù)，對視頻質(zhì)量進(jìn)行了主觀定性和客觀定量評價，并得到了相應(yīng)的評價。

　　2．1 實驗設(shè)置

　　我們設(shè)置的靜態(tài)多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 靜態(tài)多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　其中，節(jié)點(diǎn)的MAC協(xié)議和PHY協(xié)議都采用802.11b。節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行移動，節(jié)點(diǎn)之間的間隔保證了一個節(jié)點(diǎn)只能與其左右兩個緊鄰（如果有左右兩個緊鄰節(jié)點(diǎn)的話）的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行視距直接通信，而大于此距離就需要經(jīng)過中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)了。左端的節(jié)點(diǎn)是視頻流發(fā)送節(jié)點(diǎn)，右端的節(jié)點(diǎn)為視頻流接收節(jié)點(diǎn)，通過改變節(jié)點(diǎn)的個數(shù)，就可以實現(xiàn)不同跳數(shù)情況下視頻流的

　　我們采用了多種路由協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，包括AODV、DSR、OLSR、Fisheye等常見的Ad Hoc路由協(xié)議，協(xié)議參數(shù)取值皆為路由協(xié)議的默認(rèn)值。

　　實驗從1跳（兩個節(jié)點(diǎn)）開始到10跳（11個節(jié)點(diǎn)）結(jié)束，共有13種路由協(xié)議可以選擇，我們共進(jìn)行了10×13 = 130次模擬實驗，得到了每次實驗對應(yīng)的PDR量。由于是實時傳輸，在接收端超過5MS沒有到達(dá)的數(shù)據(jù)包都認(rèn)為是已經(jīng)被網(wǎng)絡(luò)丟棄，而不予解碼處理，并調(diào)用相應(yīng)的解碼差錯恢復(fù)算法進(jìn)行差錯隱藏。

　　我們選擇了一個經(jīng)過微軟的WMV編碼的視頻片斷進(jìn)行傳輸，分辨率320×240，長度1分42秒，共傳輸2121個視頻分組，分組平均長度為1.3KB。模擬網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)流量只有我們發(fā)送的實時視頻流，沒有任何其它的背景流量。
仿真實驗在QualNet 3.8下運(yùn)行成功，仿真實驗成功記錄了模擬網(wǎng)絡(luò)輸入的實時視頻流數(shù)據(jù)包個數(shù)、經(jīng)過傳輸遞交給視頻解碼器的數(shù)據(jù)包個數(shù)，還記錄了視頻數(shù)據(jù)接收結(jié)果以便于進(jìn)行離線回放觀察從而執(zhí)行視頻質(zhì)量的主觀評價。

　　2．2 實驗結(jié)果

　　我們得到了上述130次實驗的結(jié)果，列于表1當(dāng)中。由于FSRL、OSPFv2、STAR這三種路由協(xié)議的性能太差，在超過1~3跳時的PDR就降到了0%，所以沒有列出。

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