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多跳Ad Hoc网络压缩视频实时传输性能评估
2006年8月3日 10:20  来源:慧聪网通信行业频道  作者:赵玉亭

    摘  要: 对压缩编码视频流在静态多跳Ad Hoc网络中实时传输的性能进行了研究,比较了AODV、Bellmanford、DSR、Fisheye、ZRP等多种路由协议对实时视频业务的支持能力。结果表明,视频分组成功投递率(PDR)对视频流的解码回放质量起着至关重要的作用,在路由跳数大于某一门限值以后,PDR随着中继节点数量的增多呈近似线性下降,即使是PDR性能最好的Bellmanford路由协议,在多于5跳(PDR降至72%以下)的情况下也无法提供可接受的视频质量。

    关键词:半实物仿真;无线;自组织网络;压缩视频;实时
 
    0  引言

    无线移动自组织网络(Wireless Mobile Ad-hoc Networks,简称Ad Hoc网络)是由一组自治无线移动通信节点组成的临时性网络。Ad Hoc网络无需预先设置中心控制节点,也被称为infrastructure-less网络,在基础设施无法搭建、成本过高等临时性场合,如军事通信网络、应急抢险救灾、传感器网络、家庭内部网络、个人信息网络等有着广泛的应用前景。

    Ad Hoc网络便利性的代价便是无线节点功能复杂度的提高和网络拓扑的变化,加之无线信道自身的时变特性,使得Ad Hoc网络面临着许多问题,包括带宽问题、能量消耗、链路断合、传输延时、数据丢失等。对于终端用户来说,要想在Ad Hoc网络中确保服务质量(Quality of Service, QoS)是一件非常困难的事情,需要进行良好的网络协议设计和高效的无线收发器的开发。

    有别于2G和3G等商用通信网络,Ad Hoc网络一般为专用网络,需要研究开发人员针对不同的应用场景进行优化设计与实现。当前大量的研究论文对于协议性能的评价都是基于“散布式”网络场景的,即某一固定区域内散布着一定数量(一般为几十个)的节点进行随机路点(Random Waypoint)移动[1][2][3]。但是,在实际应用场合,节点的配置和移动都是具有特定要求的,数量也未必需要很多,如科罗拉多大学进行的无人机Ad Hoc网络研究[4][5]。Ad Hoc网络区别于有中心单跳网络的一个很大的表现在于其多跳特性,能够有效扩展网络通信覆盖距离,进行协作式组网,实现信息共享。本文主要考察静态链状多跳Ad Hoc网络的性能。这种拓扑的Ad Hoc网络可以用作无人机远程侦察、传感器远程信息获取、网区内信息共享、无中心视频会议等应用场合。

    本文的组织结构如下:第2部分构建了实验所需的实时视频传输网络仿真平台;基于此平台,第3部分进行了静态多跳链状Ad Hoc网络的实时视频传输仿真实验,得到了多种路由协议条件下实时视频传输的性能;第4部分对实验结果进行了讨论;最后总结了本文的工作,并指明下一步的研究方向。

    1  网络实时视频传输仿真平台

    我们构建了网络视频实时仿真传输平台,此平台可以将实时视频流进行模拟传输,通过改变网络的配置,包括网络拓扑、节点数量、协议栈配置、移动性参数、背景业务流量等网络相关参数,可以直接观察到实时视频流的接收质量,进行主观评价;同时通过记录的参数得到视频分组成功投递率(Packet Delivery Ratio, PDR)、延时、抖动等参数,进行网络协议的定量比较与客观评价。

    1.1 实时仿真平台对网络模拟器的要求

    我们开发的实时视频传输网络仿真平台要求将视频编码器的输出码流递交给网络模拟器,网络模拟器根据模拟网络的配置情况,经过应用层、传输层、网络层、路由算法、介质访问控制(Media Access Control, MAC)子层、链路层、物理层、天线发送出去,经过信道的衰落(Loss)、多径(Multi-Path)、阴影(Shadowing)效应,经过可能的多跳传输到达接收节点,接收节点再执行发送的逆过程进行解码回放,由视频解码器进行播放,我们便可以观察到接收视频质量了。

    由以上过程可以看出,实时视频传输网络仿真平台对于起关键作用的网络模拟器提出了实时性要求,接收端视频实时解码器在某一缓冲时间内如果未能接收到期望的视频数据,则不应继续等待下去,要进行相应的视频差错恢复和隐藏工作,最大限度地恢复接收视频质量。如果网络模拟器的速度不能满足实时性处理的要求,接收端视频回放就会出现大量的丢包现象,导致观看到的接收视频无法反映真实的网络传输情况。这个现象在我们使用低配置的机器进行网络模拟时得到了印证。

    针对网络模拟传输的实时性要求,我们选择了美国Scalable Networks Technologies公司的QualNet网络模拟器。QualNet能够支持成百上千个无线移动节点的实时模拟,其MANET模型库中配备了多种常见的Ad Hoc网络路由协议,使得我们可以将大量的精力投入到网络的改进和实验当中。

    1.2  视频的编码、打包和收发

    目前广泛用于网络传输的视频编解码器有MPEG-2、MPEG-4、H.263、WMV等,每一种视频编码标准都有各自不同的率失真(Rate-Distortion, RD)性能、差错恢复和隐藏算法。我们希望考察尽可能多类型的视频编解码器来评估不同网络环境下的视频传输效果。但是对每一种视频编码器采取重新编码其工作量非常巨大,对于我们的实验平台也是没有必要的,我们尽可能利用现有的网络资源,借助其他软件来进行转码(Transcoding)。

    我们选用了www.videolan.org开发的VLC media player作为转码和实时传输播放工具。VLC是一个开放源代码的跨操作系统平台的网络视频播放器,我们使用的版本号是0.8.5-svn-20051102-1951。VLC能够支持多种音频和视频的本地播放、转码、网络实时接收播放,能够很好地满足我们提出的视频评估实验平台的要求。

    1.3  实时视频传输仿真平台的开发

    我们开发了实时视频传输仿真平台,该平台包括至少三台连接在同一局域网内的计算机,平台的构架如图1所示。

图1  实时视频传输仿真平台

图1  实时视频传输仿真平台

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    我们可以通过改变视频编解码器的类型和参数、模拟网络的拓扑、流量、协议栈配置等来进行各种情况下网络视频传输的实验。

    2  仿真实验

    我们进行了多次的静态多跳Ad Hoc网络实时视频传输实验,得到了大量的实验数据,对视频质量进行了主观定性和客观定量评价,并得到了相应的评价。

    2.1  实验设置

    我们设置的静态多跳Ad Hoc网络拓扑结构如图2所示。

图2  静态多跳Ad Hoc网络拓扑结构

图2  静态多跳Ad Hoc网络拓扑结构

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    其中,节点的MAC协议和PHY协议都采用802.11b。节点不进行移动,节点之间的间隔保证了一个节点只能与其左右两个紧邻(如果有左右两个紧邻节点的话)的节点进行视距直接通信,而大于此距离就需要经过中继节点进行多跳转发了。最左端的节点是视频流发送节点,最右端的节点为视频流接收节点,通过改变节点的个数,就可以实现不同跳数情况下视频流的。

    我们采用了多种路由协议进行网络传输,包括AODV、DSR、OLSR、Fisheye等常见的Ad Hoc路由协议,协议参数取值皆为路由协议的默认值。

    实验从1跳(两个节点)开始到10跳(11个节点)结束,共有13种路由协议可以选择,我们共进行了10×13 = 130次模拟实验,得到了每次实验对应的PDR量。由于是实时传输,在接收端超过5MS没有到达的数据包都认为是已经被网络丢弃,而不予解码处理,并调用相应的解码差错恢复算法进行差错隐藏。

    我们选择了一个经过微软的WMV编码的视频片断进行传输,分辨率320×240,长度1分42秒,共传输2121个视频分组,分组平均长度为1.3KB。模拟网络中的业务流量只有我们发送的实时视频流,没有任何其它的背景流量。

    仿真实验在QualNet 3.8下运行成功,仿真实验成功记录了模拟网络输入的实时视频流数据包个数、经过传输递交给视频解码器的数据包个数,还记录了视频数据接收结果以便于进行离线回放观察从而执行视频质量的主观评价。

    2.2  实验结果

    我们得到了上述130次实验的结果,列于表1当中。由于FSRL、OSPFv2、STAR这三种路由协议的性能太差,在超过1~3跳时的PDR就降到了0%,所以没有列出。

跳数

AODV

Bellmanford

DSR

Fisheye

IARP

IERP

LAR1

OLSR

RIP

ZRP

1

2121

2121

2121

2120

2121

2121

2121

2120

2120

2121

2

2121

2121

2121

2120

2081

2120

2121

1995

2121

2121

3

2067

2114

2117

1941

1891

1161

2046

1983

2111

1744

4

2065

2047

2048

939

526

773

1766

1630

2045

1814

5

1736

1785

1670

259

620

196

1437

1181

1784

537

6

1099

1545

1319

362

90

261

1058

1029

1517

642

7

906

1403

1261

217

112

152

922

827

1365

270

8

810

1291

1129

185

246

155

773

713

1241

101

9

791

1067

958

0

0

41

438

495

1054

60

10

594

1138

939

0

0

99

0

463

1129

310

    表1  不同路由协议条件下实时视频传输实验视频分组的成功接收数量

    3  实时视频传输的性能评价

    基于我们的实验结果,我们对Ad Hoc网络实时视频传输的性能进行了评价,评价分为主观评价和客观评价两个部分。

    3.1  接收视频质量的主观评价

    我们记录了各种实验情况下的接收视频流,通过离线回放进行了主观评价。下面以AODV路由协议为例,给出了视频序列中同一图像在不同跳数情况下的截图,如图2所示。

图2  AODV协议下1~8跳的视频截图

图2  AODV协议下1~8跳的视频截图

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    可以看到,在超过3跳的中继传输以后,我们已经无法得到令人满意的视频质量。

    3.2  PDR的客观评价

    基于记录的分组成功接收数量,我们计算出了PDR,PDR随跳数的变化曲线如图3所示。

图3  PDR随跳数的变化曲线

图3  PDR随跳数的变化曲线

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    从图3可以看出,在静态多跳Ad Hoc网络中,PDR对视频流的解码回放质量起着至关重要的作用;在跳数大于某一门限以后,PDR随着中继节点数量的增多呈近似线性下降;Bellmanford路由协议的性能最好,主观评价表明,Bellmanford最多在5跳时候还能够提供差强人意的图像质量;在PDR降低到75%以下时,接收视频质量就无法令人接受了。

    4  结语

    我们对静态多跳Ad Hoc网络中实时视频传输的性能质量进行了评估,下一步将进行静态多跳Ad Hoc网络中音频以及音视频混合流的实时传输性能的评估工作。(北京华仪盛科科技有限公司供稿)

    参考文献:

    [1] JUNGKEUN YOON, MINGYAN LIU, and BRAIN NOBLE, Random waypoint considered harmful [J], IEEE INFOCOM 2003, pp. 1312--1321.
    [2] SHIWEN MAO, DENNIS BUSHMITCH, SATHYA NARAYANAN, SHIVENDRA S. PANWAR, MRTP: a multiflow real-time transport protocol for ad hoc networks [J], IEEE TRANSACTIONS ON MULTIMEDIA, VOL. 8, NO. 2, APRIL 2006, pp. 356- 369.
    [3] CARLOS T. CALAFATE, M. P. MALUMBRES, P. MANZONI, Performance of H.264 compressed video streams over 802.11b based MANETs [J], Proceedings of the 24th International Conference on Distributed Computing Systems Workshops (ICDCSW’04), pp. 776-781.
    [4] T.X BROWN, S. DOSHI, S. JADHAV, and J. HIMMELSTEIN, Test bed for a wireless network on small UAVs [A], AIAA 3rd "Unmanned Unlimited" Technical Conference [C], Workshop and Exhibit, Chicago, IL, 20-23 September 2004.
    [5] T.X BROWN, B. ARGROW, C. DIXON, S. DOSHI, R.G. THEKKEKUNNEL, D. HENKEL, Ad hoc UAV-Ground network (AUGNet) [A], AIAA 3rd "Unmanned Unlimited" Technical Conference [C], Workshop and Exhibit, Chicago, IL, 20-23 September 2004.
    [6] 赵玉亭,戴冠中等,基于QualNet仿真器的Ad Hoc路由协议比较研究[A],’05全国仿真技术学术会议论文集[C],青海西宁,2005年7月。

    作者简介: 赵玉亭,1977年生, 博士研究生, 主要研究方向:移动自组织网络、无线网络视频通信。

 
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