（信号与信息处理专业论文）基于有线无线混合网络视频流传输的qos算法研究.pdf

南京邮电大学硕士学位论文摘要 摘要 随着宽带无线网络的发展以及对因特网上多媒体应用需求的增加，现在对于 无线视频业务的需求也越来越大，视频流在网络中传输的一些关键技术也得到了 很大的发展。 本论文提出了一种新的基于端到端的，在异构的有线一无线 ( w i r e d w i r e l e s s ) 混合i p 网络上，可以进行视频流传输的服务质量( q o s ， q u a l i t yo fs e r v i c e s ) 控制的协议w v t p e ( w i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 。 当视频流经过有线一无线口网络进行传输的时候，视频分组将经历有线i p 网络的拥塞丢失和无线i p 网络的比特丢失。为了更加精确地控制视频流的传输， 本文首先研究了无线信道的特性，建立模型，进行仿真。再根据无线信道的特性 修正w v t p 协议的控制算法得到w v t p e 协议。该协议交替发送大小分组，记录 丢包历史，并进行统计，得到当前网络中的拥塞状况和无线信道的衰落状况。针 对有线网络中拥塞引起的分组丢失，通过改进的a v t c ( a d a p t i v ev i d e o t r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 算法对视频流的传输速率进行控制。 通过在n s 中的仿真表明，在传输视频数据时，无论是在运行单个流还是存 在竞争的情况下，w v t p c 都能到达较好的吞吐量，具有较好的带宽利用率，并且 保持t c p 友好性。那么通过w v t p c 协议对在有线一无线混合d 网络中进行传 输的视频流进行控制，使得视频分组的时延、抖动以及分组丢失率都保持在可以 接受的范围内，满足了实时性的要求。 关键词：有线一无线混合口网络，t c p 友好性，无线丢包，拥塞丢包 南京邮电大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sw i d e b a n dn e t w o r kt e c h n i q u e s ，p e o p l e s o l i c i t o u s l ye x p e c ta p p e a r a n c eo fn e ww i r e l e s sm u l t i m e d i as e r v i c e s ，e s p e c i a l l yv i d e o s e r v i c e so nw i r e l e s sn e t w o r k i nt h i sp a p e r , w ep r o p o s ean e wt r a n s i t i o na n dc o n t r o la l g o r i t h m ( w v t p c ， w i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) f o rv i d e os t r e a m i n go v e rw h e d w i r e l e s si p n e t w o r k w h e nv i d e os t l e a l t li st r a n s m i t t e dt h r o u g ht h ew i r e d - w i r e l e s si pn e t w o r k ，t h e v i d e op a c k e t sw i l ls u f f e rf r o mt h ec o n g e s t i o ni nw i r e di pn e t w o r ka n db i te r r o ri n w i r e l e s si pn e t w o r k t oc o n t r o lt h et r a n s m i s s i o no fv i d e os t r e a ma c c u r a t e l y , w ef i r s t r e s e a r c ht h ec h a r a c t e r so fw i r e l e s sc h a n n e l ，b u i l du pt h em o d e la n dd ot h es i m u l a t i o n o n et h eb a s eo ft h e s ec h a r a c t e r s ，w ew o r ko u tt h ew v t p et h r o u g hm o d i f y i n gt h e w v t pw v t p c g e t st h ec o n g e s t i o ns t a t u sa n db i te r r o ru s i n gaw a y o fs e n d i n gt h eb i g p a c k e ta n ds m a l lp a c k e ta l t e r n a t e l y w v t p ec o n t r o l st h es e n d i n gr a t eo f v i d e op a c k e t b ya d o p t i n gt h ee x t e n d e da v t c ( a d a p t i v ev i d e ot r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1 ) a l g o r i t h m w h e np a c k e tl o s sd u et ot h ec o n g e s t i o n w ec a l t yo u tt h es i m u l a t i o n st h r o u g ht h en s t h ee x p e r i m e n ts h o w sw v t p c c o u l di m p r o v et h et h r o u g h p u tr e d u c et h ec o n g e s t i o nl o s sr a t ea n dk e e pf r i e n d l yw i t h t c pf l o we v e ni ft h e r ea l ec o m p e t i n gf l o w s t h r o u g hw v t p c ，t h ed e l a y , j i t t e ra n d l o s sr a t eo fv i d e op a c k e t sa l ec o n t r o l l e da na c c e p t a b l el e v e l k e y w o r d s ：w i r e d - w i r e l e s si pn e t w o r k ，t c p f r i e n d l y , r a n d o ml o s s ，c o n g e s t i o nl o s s i l i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：骚，掌生日期：丝盔车鸲 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：鞋鸡b 导师签名： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 得益于市场需求的驱动和各种宽带网络技术的进步，近年来宽带网络得到了高速 的发展。基于m 协议的交换技术的发展，使传统电信业务和互联网数据业务在口分 组网络的基础上进行整合成为了可能。各国纷纷把宽带网络技术作为i t 产业发展的 战略制高点，投入了大量的人力与资金进行研发，这使得全球范围内的宽带网技术出 现了一个发展的高潮。 当今宽带网络的发展中又以宽带无线网络的发展最让人激动：从g s m 到c d m a ， 到即将到来的3 g ；由采用8 0 2 1 1 系列协议的无线局域网快速发展到预计今年末会有 产品投入市场的w i m a x 。无线宽带网络的快速发展，引发了在无线网络上视频多媒 体数据传输的热潮。这也是当今通信领域研究的热点问题。 随着宽带无线网络的发展，特别是随着3 g 移动通信标准实用化进程的加快，人 们主要使用移动终端来得到各种多媒体服务已经成为一个必然的发展趋势。现在，人 们对因特网上多媒体应用的需求正呈日趋增长的趋势。其中，无线视频业务的提供是 一个主要的发展方向。网上视频点播、可视会议、网上可视电子商务、网上政务、网 上购物、网上学校、远程医疗、网上研讨会、网上展示厅、可视网上聊天、可视咨询 等层出不穷的视频业务都将采用无线业务的方式提供，这显然将大大的增加得到服务 的方便性。而这些的实现显然需要一些关键技术的支持，视频流在无线网络中进行传 输的一些相关技术的发展，特别是服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e s ) 保证，是其中 的关键技术之一【1 】。 鉴于当前网络的现状，许多无线业务的提供都是基于异构的有线一无线( w i r e d - w i r e l e s s ) 混合碑分组网络，而且可以这么说，脱离了因特网而提供的无线业务其 意义也将大大地降低。但是，在异构的w i r e d - - w i r e l e s s 混合i p 网络中进行视频通信 对研究者提出了一些新的问题。对该种类型网络传输进行的分析可知，信道产生的错 误包括：有线网络中拥塞而引起的分组丢失；无线网络中的传输错误( 衰落、阴 影的影响) 而引起的分组丢失或是比特错误。而且在两种网络( 有线网络和无线网络) 中，起主导作用的错误原因是不同的，在有线i p 分组网络中，由于网络质量比较好， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 因此引起分组丢失的主要是因为网络节点的拥塞；但是在无线网络中，我们可以认为 由于拥塞引起的分组丢失是次要的，主要原因是信道衰落所引起的比特错误。 这里给研究者提出了一个需要解决的任务，当视频分组在有线网络中传输的时 候，如何做才能使得视频分组因网络节点拥塞而引起的丢失对接收端视频解码质量的 影响下将到最小。同时，如何进行信道编码来尽可能地抑制在无线信道中的传输错误 对视频解码质量的影响。但是，在w i r e d w i r e l e s s 混合i p 分组网络中，当视频分组 传输时，在接收端的视频解码质量将受到两种类型错误( 有线网络中的拥塞错误和无 线信道中的比特错误) 的共同影响，如何区分这两种错误成为该种类型应用的一个必 须解决的问题。 本课题的目标是提出一种端到端的，在异构的w i 捌w i r e l e s s1 t 分组网络上进 行视频流传输的q o s 控制策略。当前所提出的一些q o s 机制中，根据网络所能提供 的服务的等级，一般而言，我们可以分为3 个等级：尽力而为的服务、区分服务和保 证服务。三种服务都有其优点和不足的地方。后两个服务等级在一定程度上可以保证 视频流传输应用的q o s ，但是后两种服务等级的提供需要网络节点的参与，这在因特 网这种异构的巨大网络中实施是困难得。如果视频流的应用是以后两种等级的网络服 务为前提的话，那么，该种应用的使用范围将大大受限。考虑到当前因特网中提供的 唯一的服务等级是尽力而为的转发服务，所以，我们提出的是一种端到端的q o s 控 制算法，而尽可能少地要求网络节点的参与。 1 2 无线环境下视频传输面临的挑战 宽带无线网络的出现使得人们对在无线网络上进行图像视频传输产生了极大的 兴趣。但是，在无线环境中实时传输高质量的视频是一个极富挑战性的任务。这主要 是因为以下原因【2 】。 ( 1 ) 信道带宽资源有限 无线网络的信道带宽资源非常有限，而视频业务对实时性有严格的要求，需要网 络为视频流传输提供足够的带宽。为了能在有限的网络带宽中传输海量的图像视频 数据，除了要对图像视频数据进行高效压缩外，还要最大可能的提高带宽利用率。 因此，在异构的w i r e d - w i r e l e s si t n 络上的q o s 控制策略要能很好的利用网络带宽。 ( 2 ) 信道的高误码率 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 与有线网络相比，无线信道具有很大的噪声。无线网络的时变特性与噪声影响常 常使传输的可靠性大为降低，在无线传输中经常会出现连续的、突发性的传输错误。 无线信道误码率比较高。而高度压缩后的视频码流存在很强的相关性，因此对传输时 所产生的误码非常敏感，一旦发生了误码，不仅影响该误码数据的恢复，还会影响与 之相关的其它数据的恢复，造成“误码扩散”( e r r o rp r o p a g a t i o n ) ，使恢复出来的信号 面目全非，从而对重建的视频质量有着破坏性的影响。因此，为了提高视频传输的可 靠性，必须设计可以有效抗信道误码的差错控制机制。 1 3 本文所做的主要工作 由上一节知道，无线通信网络因为资源有限和节点的运动，而导致带宽受限，易 于出错，拥塞严重，视频传输质量大幅度的下降。在无线口网络上，主要有两种丢 包，一种是由于无线信道的随机比特错误，另一种是由于网络的拥塞。很明显，针对 不同的丢包，有不同的解决方法。问题是我们如何知道丢包的原因呢。近年来，这个 问题已经成为研究的热点。 区分网络状况的方法大致可分为两种【3 】：( 1 ) 分裂连接；( 2 ) 端到端的方法。 分裂连接的方法要在有线和无线网络的边缘安置一个代理来分别统计两种网络中的 情况【4 6 】。使用这种方法的话，在整个无线通信网络中的每个基站或者接入点都要 加入这种代理，这对于网络管理者来说是相当麻烦的事，同时还有开销的问题。 端到端的方法主要通过使用某些被动的方法( 比如包到达时间的特性) 来区分是 拥塞引起丢包还是比特错误引起的丢包【7 9 】。端到端的方法一般来讲是使用某些特 定的模型来区分网络拥塞和比特错误的。与分裂连接的方法相比，端到端的方法有其 便捷性；但是，无线网络状况变化很大，每次使用的模型能不能正确的适应网络状况 就是一个重要问题。 在以前的研究中，已经出现了若干种端到端区分丢包原因的方法( l d a s ： e n d - t o - e n dl o s sd i f f e r e n t i a t i o na l g o r i t h m s ) 。例如利用发包间隔长短的b i a z 算法【1 0 1 ， 利用单向传送时间( r o t t ：r e l a t i v eo n e - w a yt r i pt i m e s ) 的s p i k e 算法【1 1 】和z i g z a g 算法【1 2 】。前两种方法的性能要依赖于网络的拓扑和竞争流。c e n 等人提的z i g z a g 算法和它们相比，在不同的网络环境下性能稳定。 论文的研究工作得到江苏省自然科学基金( n o 8 k 2 0 0 5 1 4 7 ) 资助。针对 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 w i r e d w i r e l e s si p 混合网络上的视频传输问题，本文的贡献主要有以下两方面： ( 1 ) 根据无线信道的特征，建立基尔波特( g e ：g e l b e r t - e l l i o t ) 差错模型，并在 n s 下仿真实现，得出无线信道的特点：分组丢失率随着分组长度的增大而增大；尤 其在比特错误率( b e r , b i te r r o rr a t e ) 较小时，分组丢失率与分组尺寸近似为线性增 长关系，这是下面将要提出的w v t p e 协议的重要理论基础。 ( 2 ) 本文提出了一种在传输层和应用层上的视频控制协议w v t p e ，是对w v t p 协议( 晰r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 【1 3 】的改进。w v t p c 协议的速率控制机 制采用a v t c ( a d a p t i v ev i d e ot r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 算法：区分丢包原因则采用交替发 送大小包，记录丢包历史的方法，从三方面修改了w v t p 协议。第一，将判断是否要 降低速率的门限值改为大小包总的拥塞丢包占大小包丢包总和的比率；第二，丢包历 史记录不再使用大小包丢失的个数而改用大小包的丢失率；第三，接收端本来反馈总 的丢包率改为仅反馈拥塞丢包率。 仿真表明，w v t p c 协议在有线一无线混合i p 混合网络中能够探测当前网络丢包 的原因主要是拥塞引起的还是无线随机差错引起的，按照一定概率调整发送速率，与 z i g z a g 算法相比，能够更加有效地利用当前信道的带宽，同时还保持对t c p 流的友好 性。 论文的其它章节安排如下：第二章介绍无线信道的特征，建立差错模型。第三章 介绍了一些速率控制机制。第四章介绍了端到端区分丢包原因的一些算法，并详细描 述了w v t p c 协议。最后在n s 平台下实现w v t p c 协议，进行仿真，和其它算法进 行比较。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道的模拟 2 1 无线信道 第二章无线信道的模拟 这一章中，主要讨论的问题是课题中所采用的无线信道模型。无线信道或者移 动信道与传统高斯白噪声信道和有线计算机网络信道的主要区别是它们所产生的错 误类型以及错误的严重程度不同。无线信道的一个主要特征是多径衰落，是由同一个 信号经过不同路径，从不同角度，不同时间到达接收端，经叠加而产生的衰落。 在课题中，我们使用无线信道模型来模拟实际的无线信道所具有的特征( 这里我们 忽略了各种天空中的损耗因素) ：短期衰落、长期衰落以及路径丢失( 主要是由阴影 效应引起) 。 ( 1 ) 多径衰落【1 4 1 。波在移动环境中的传播模式是一种多径模式。接收天线接收 到的是通过直射径、各种反射径和散射径到达的合成波。由于各路径分量的幅度和相 位各不相同，造成合成信号起伏很大，这称为多径衰落，它是一种快衰落。在多径传 播条件下，接收信号还会产生时延扩展( t i m ed e l a ys p r e a d ) ，这是由于各路径长度不 一致而产生的。时延扩展值的大小将决定信号的衰落是否具有频率选择性。在数字移 动通信中，当码元速率较低，信号带宽远小于信道相关带宽时，信号通过信道传输后 频率分量的变化具有一致性，信号波形不失真，无码间干扰，此时的衰落为平坦衰落； 反之，当码元速率较高，信号带宽大于信道相关带宽时，将引起波形失真，造成码间 干扰，此时的衰落为频率选择性衰落。由多径效应所引起的信道传输信号幅度的变化 我们称之为短期衰落。本文的研究中只考虑前一种情况。 ( 2 ) 阴影效应【1 5 1 。移动台在运动过程中，周围地形地物造成对电波传播路径的 阻挡，形成电磁场的阴影，这种随移动台运动而不断变化的电磁阴影引起接收点场强 中值起伏变化的现象叫做阴影效应。阴影效应引起的信号电平衰落称为阴影衰落。由 于阴影衰落的信号电平起伏是相对缓慢的，因此，阴影衰落属于慢衰落。慢衰落的特 点在于：衰落速率与工作频率无关，而取决于地形和地物的分布，高度以及移动体的 运动速度。通常，阴影衰落是距离( 位置) 的函数。阴影效应是造成移动通信电波传播 慢衰落特性的主要原因。其实产生慢衰落现象还有其它的原因，例如大气折射引起的 衰落也属于慢衰落，但是，大气折射衰落是时间的函数。与阴影效应相比，它对电波 传播衰落的影响远小于阴影效应。因此，在这里我们对大气折射造成的衰落忽略不计。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道的模拟 阴影效应降低了信号的强度，所以，很容易引起在信道中传输的分组的连续丢失。根 据路径丢失模型所引起的期望的能量层的波动我们称为长期衰落影响。 2 2 课题中提出的无线信道 为了得到信号在无线信道中传输时的特性，我们就必须知道无线信道的特性。但 是，从实际的无线信道中直接得到这些特征数据显然是困难的，而且与实际的环境有 关，具有一定的局限性。一个简单的方法是：提供一个无线信道的模型，利用仿真的 方法来得到信道的特性。显然，这种方法易于实行，而且通过改变参数就可以得到不 同情况下的无线信道。 2 2 1 无线信道模型 移动无线信道传输视频数据时传输差错具有突发性，在发生突发性差错时，b e r 可达1 2 ( 这种状态称为“坏 状态) ，在没有突发性差错情况下，b e r8 t t , j , ，接近 为0 ，( 这种状态称为“好 状态) 。突发性差错的产生可能是尖锐的强噪声、接收机 失去同步、信号衰落等原因引起的。文献【1 6 1 中提到对于二进制突发差错信道可以 用g i l b e r t e l l i o t 模型，即一个二阶马尔可夫( m a r k o v ) 模型。因此，我们所用来模拟 无线信道的总体模型如图2 1 所示： p g b 弓g 图2 - - 1g i l b e r t - - e l l i o t t 模型 无线信道可以通过一个两状态( “好 状态g 和“坏状态b ) 的交互过程来进行模 型化，这两个状态具有如下的特征： 1 、在环境改变的时刻，信道会以一定的概率离开一个状态，进入另一个状态。 状态之间的转移概鞭阵为滋乏 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道的模拟 p g b ：离开g 状态转移进入b 状态的概率； ：离开b 状态转移进入g 状态的概率； ：保持在g 状态的概率，= 1 一； ：保持在b 状态的概率，= 1 - - 。 2 、在每一个状态中，分组的丢失机制是离散无记忆信道的丢失机制，分别具有 各自的丢失概率尼和忍。在课题中，我们对这样的g e 信道模型进行了假设：在好 状态的时候，分组被成功地发送，即尼= o ：而在坏状态的时候，分组发送以概率尼 失败。 3 、状态之间的转换可以针对分组，即当一个分组完成传输之后，在下一个分组 需要传输之前，决定是否转换状态。 4 、用刀g 表示信道处于“好 状态的概率，表示信道处于“坏状态”的概率， 则存在如下的约束关系式： 2 丽 b g ( 2 - - 1 ) 。麓( 2 - - 2 ) 则移动无线信道的平均误码率可以由下面的公式计算： p嘴=eo死g+pb冗b(2-3) 这样就产生了上面所述的两状态模型，它被广泛地用来预测信道性能。改变好坏 状态之间的转移概率以及坏状态时的分组错误率b ，我们就可以得到不同的信道状 况。 2 2 2 无线信道仿真和分析 我们利用n s 进行了对该信道模型的实现，并在其基础上进行了试验。n s 的差 错模型的出错率不支持b i t 为单位，所以好坏状态时的出错概率名、岛设置以b y t e 为单位。以b y t e 为单位和以b i t 为单位的出错率的关系为： 只打=1一(1一只班)8(2-4) 因此我们可以根据式( 2 - - 1 ) ( 2 - - 4 ) 换算出以b i t 为单位的平均出错概率( b i t e r r o r r a t e ，简称b e r ) ： 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道的模拟 b e r = 1 一( 1 一! 糌) 8 ( 2 5 ) 此外，9 0 0 mg s m 系统的状态转移概率大致是= 0 0 0 5 、= 0 0 0 3 1 【1 7 。 这种状况下，一但处于某种状态就很难离开进入另一种状态。如果要得到准确的数据， n s 需要运行很长的时间。为了方便起见，我们参考文献【1 6 1 ，设定如= 0 0 4 、p b g = 0 0 6 ，这样就可以缩短运行时间；设定玮= o ，即在“好状态的时候，所有分组 都是正确接收。我们只要改变兄的值，就可以得到不同强度干扰下的无线出错导致 的丢包情况，具体参数设置见表l 。 表2 - 1 信道b e r 和岛对应关系 b 3 e 51 争42 e - 43 e - 44 e - 45 e 46 e - 4 b e r1 5 e 65 0 0 0 1 e - 61 e 51 5 0 0 1 e 52 0 0 0l e 52 5 0 0 2 e 53 0 0 0 3 e 5 巳 8 e - 4l e 31 2 e 32 e 32 2 e - 33 e 3 b e r4 0 0 0 6 e 55 0 0 0 9 e 56 0 0 1 3 e - 51 0 0 0 4 e - 41 1 0 0 4 e - 41 5 0 0 8 e - 4 在n s 下进行仿真，采用u d p 协议，设定信道带宽远远大于视频传输速率，使 信道上不存在拥塞丢失。分组大小分别设置为1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 、7 0 0 、 8 0 0 、9 0 0 、1 0 0 0 b y t e s 。按照表1 中参数设置的信道，接收端得到不同的分组丢失率。 在m a t l a b 下处理得到结果如下面6 幅图所示。 葶 铬 球 悄 矧 众 图2 - 2 原始曲线 8 卜b e r - - 1 5 e - 6 + - 一b e r = 5 0 0 0 1 0 - 6 一b e r - - l e - 5 台一b e r = i 5 0 0 1 争5 日一b e r = 2 0 0 0 l e - 5 斗卜一b e r = 2 5 0 0 2 e - 5 弓l 一一b e r - - 3 0 0 0 3 争5 毛卜b e r = 4 0 0 0 6 e - 5 hb e r - - 5 0 0 0 9 e - 5 卜一b e r - - 6 0 0 13 0 - 5 鲁一b e f 持i 0 0 0 4 e 4 i 卜b e r = 1 1 0 0 4 e 4 一b e r - - 1 5 0 0 8 e - 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道的模拟 我们对实验得到的原始数据采用三种不同形式进行了拟合，如下面的等式所示： 线性拟合：0 砌= a x + b ( 2 6 ) 二次拟合：弓砌= 倒2 + k + f ( 2 7 ) 指数拟合：0 洳= 7 1 口一k a 。 ( 2 8 ) 图2 - 3 、2 - 4 、2 5 分别为不同信道状态下，接收端所得到的分组丢失率数据的线 性拟合、一二次拟合和指数拟合的关系曲线。 零 褥 水 悄 囊 求 孚 褂 圃 悄 图2 3 线性拟合曲线 图2 - 4 二次多项式拟合曲线 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道的模拟 零 瓣 水 啪 囊 求 图2 - 5 指数形式的拟合曲线 对这些拟合曲线数据进行分析，我们用平均绝对误差，绝对平均均方误差( m s e ： m e a ns q u a r ee r r o r ) ，平均相对误差和相对m s e 来衡量拟合曲线和原始曲线的接近程 度。误差的计算如式( 2 - - 9 ) ( 2 - - 1 2 ) - ( 置一只) 平均绝对误差= ? 而一 ( 2 9 ) ( 五一只) 2 绝x f fm s e = 上矿 ( 2 1 0 ) f 丝 平均相对误差= - 焉0 ( 2 1 1 ) ( 华) ： 相对m s e - 二_ 一( 2 - - 1 2 ) 1 0 其中i - 1 0 0 ，2 0 0 ，3 0 0 ，4 0 0 ，5 0 0 ，6 0 0 ，7 0 0 ，8 0 0 ，9 0 0 ，1 0 0 0 ：z 为拟合曲线 值：只为原始数据。 下面四幅图为各种误差的计算结果，图2 - 6 为平均绝对误差，图2 7 为平均相对 误差，图2 - 8 为绝对m s e ，图2 - 9 为相对m s e 。横坐标b e r 为表1 中的1 3 个值， 取1 0 为底的对数，可以使观察点分开，看得更清楚：纵坐标表示拟合曲线的误差。 i o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道的模拟 i o g ( b e r ) 图2 - 6 拟合曲线的平均绝对误差 i o g ( b e r ) 图2 - 7 拟合曲线的平均相对误差 槲嗒靛嘏餐餐每如皲 榭瑙靛罂星螺钽姐套 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道的模拟 l o g ( b e r ) 图2 - 8 拟合曲线的绝对m s e l o g ( b e r ) 图2 - 9 拟合曲线的相对m s e 1 2 山主稍喽靛黑s餐置啦鞲 山=州嗒靛罂g婿雹如套 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线信道的模拟 由以上四幅图看出，在b e r 较小的时候，线性拟合误差较小；在b e r 较大时， 指数拟合误差较小。这说明b e r 较小时，线性拟合比较接近原始曲线；在b e r 较大 时，指数拟合更接近原始曲线。 斜率p e r ( i ) - - p e r ( s ) l e n ( i ) - - l e n ( s ) 一b e r = 1 5 e - 6 一b e r - 5 0 0 0 1 e - 6 一b e r = l e - 5 盆r b e r = 1 5 0 0 1 e - 5 卜一b e r = 2 0 0 0 1e - 5 书卜一b e r = 2 5 0 0 2 争5 弋卜一b e r = 3 0 0 0 3 e 5 弋卜一b e r = 4 o 0 0 6 e - 5 一毛卜一b e r = 5 0 0 0 9 e 6 _ 一b e r = 6 0 0 13 e - 5 叫 _ 一b e r = 1 0 0 0 4 e - 4 b e r - i 1 0 0 4 e 4 一b e r = i 5 0 0 8 e 4 图2 - 1 0 分组丢失率曲线的斜翠变化 图2 1 0 显示在不同信道状态下，分组丢失率曲线斜率的变化情况。计算公式为： 斜率= 三! ! 苎兰芸铲( s 是分组大小) ( 2 1 3 ) 该图表明在b e r 较大时，分组丢失率曲线的斜率随着分组大小的增大而不断减 小；在b e r 较小时，信道分组丢失率曲线的斜率基本不变，即在b e r 较小的时候，分 组大小与丢包率呈线性关系。 2 2 3 无线信道特性 由以上的仿真结果，我们看出，当信道b e r 固定时，分组丢失率随着分组长度 的增大而增大：由线性拟合，二次拟合和指数拟合曲线以及曲线拟合的平均绝对误差， 平均相对误差，绝对m s e 和相对m s e 看出，在信道b e r 比较低的情况下( b e r 2 e 5 ) ， 线性拟合效果较好，也就是说分组丢失率随分组尺寸的增加近似呈线性增长关系。在 一一coii)cmj，()jm乱i一一)jo正 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道的模拟 信道b e r 较高的情况下，指数拟合效果较好。针对无线衰落信道，通过g e 模型来 模拟实际的无线环境，可以更好的逼近实际的信道状态，特别是突发信道状态。实验 结果表明在较低b e r 信道状态下，分组丢失率与分组尺寸近似成正比关系。这是我 们下文将要介绍的w v t p e 协议的理论基础。 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章速率控制算法 第三章速率控制算法 用于有线一无线混合网络上的视频传输协议和基础视频传输协议一样，使用带拥 塞控制机制的u d p 连接，在此基础上再扩展各种端到端的丢包区分算法( l d a s l o s s d i f f e r e n t i a t i o na l g o r i t h m s ) 。对于拥塞控制机制，我们使用a v t c 算法，本章详细描述 了一些相关的拥塞控制算法。 3 1 速率控制算法的介绍 为了使得视频流具有t c p 友好性，有研究人员提出了多种速率控制算法。其中 广为使用的就是下面的t f r c 【1 8 1 ( t c p 友好的码率控制，t c p f r i e n d l y r a t ec o n t r 0 1 ) 和m i m d ( 乘性增乘性减算法，m u l t i p l i e a t i v e i n c r e a s ea n dm u l t i p l i c a t i v e d e c r e a s e ) ， 本节先简单介绍一下t f r c 和m i m d 控制算法，下一节再介绍a v t c 算法。 3 3 1t f r c 拥塞控制算法 端到端的以等式为基础的t f r c 算法【1 9 最基本的一个方面是流量等式的选取。 t f r c 算法所采用的等式是( 3 1 ) 【1 8 】： 吃= ( 3 1 ) 对t f r c 算法我们简述如下： r t o 表示t c p 的重传时间。上式中，参数r t t ( 回环时间r o u n dt r i pt i m e ) 和 p ( 丢包率) 是起决定性作用的。分组丢失率p 的计算应该在接收端进行；而参 数r t t 既可以在接收端计算，也可以在发送端进行计算。 每隔若干个i m 时间，接收端把参数p 和i 册反馈到发送端。 发送端利用接收端反馈的信息，计算得到发送速率t ，根据t 增加或减少当前的 发送速率。 t f r c 拥塞控制算法最主要的目的不是侵略性地发现和使用网络的可用带宽，而 是在遇到网络拥塞时，保持t c p f r i e n d l y 的同时，尽可能地使发送速率保持相对稳定。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章速率控制算法 3 3 2 以速率为基础的m l1 1 1 ) ( a - b ) 拥塞控制算法 m 蹦d b ) ( m u l t i p l i e a t i v e i n c r e a s em u l t i p l i c a t i v e d e c r e a s e ) 与以窗口为基础的 a i m d ( a , b ) 2 0 1 ( a d d i t i v e - - i n c r e a s em u l t i p l i c a t i v e - - d e c r e a s e ) 有一定的区别。该算 法可以做如下的描述： a 和b 是m i m d ( a , b ) 模型的速率增加和减少参数。首先，我们定义一个拥塞点作 为新的拥塞控制周期的开始，在该拥塞控制周期( 一个或若干个i 册时间) 内，发送端 的传输速率为r 。若在该拥塞周期内没有包丢失发生，则发送端的传输速率为( a + 1 ) r ，否则，发送端的传输速率为( 1 - b ) 木r 增加和减少发送速率拥塞控制周期的长度可以不同，一般而言，减少发送速率的 拥塞控制周期要短于增加发送速率的拥塞控制周期，这样做是为了尽量地模拟t c p 的拥塞控制策略，以满足t c p f r i e n d l y 性质。我们取减少的拥塞控制周期为1 个王唧 时间，增加的拥塞控制周期是3 个r 1 广r 时间。 文献 2 0 1 对拥塞控制算法的平滑性，反应性以及侵略性分别进行了定义。由于 m 1 m d ( a , b ) 算法是乘性增加，根据定义，确定性m i m d ( a , b ) 和确定性a 1 m d ( a , b ) 在具 有相同b 值的情况下，两者具有相同的反应性和平滑性，但是由于m i m d ( a , b ) 是乘性 增加的，因此具有更高的侵略性。当然同时它也降低了与t f r c 算法结合的复杂度。 3 2a v t c 速率控制算法 1 2 1 】一文提出了在有线m 网络中实时视频流传输的q o s 控制算法a v t c 。这 是一种结合了t f r c 和m i m d 的拥塞控制算法： 实现的时候，用丢失事件率p 来近似地表示等式( 3 1 ) 中的分组丢失率p 。 我们使用平均丢失间隔；( a v e r a g el o s si n t e r v a l ) ( 用相邻两个分组丢失事件之间所收 到的分组的数目来表示) 间接地得到平均事件丢失率p ，p = 去。平均丢失间隔的计 j 算可以用等式( 3 2 ) 来表示： n - i zw i + ，墨 ；= 鼍- 一( 3 - - 2 ) d s 。w 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章速率控制算法 墨表示最近的第i 个丢失间隔的包数，表示最近的包丢失间隔。在计算平均丢 失间隔的时候，采用了带有加权系数的滑动窗口。等式( 3 2 ) 中，m 表示滑动窗 口统计平均丢失间隔的加权系数。我们具体实现时，n 取8 。其中： w t = 1 ，1s f 聆2 ，( 3 3 ) 嵋- 1 - 篇川2 渤 ( 3 4 ) 矾：m 觚( o 5 ，坠) f l( 3 5 ) d o = 1 ( 3 6 ) 因为；是对许多的分组丢失间隔的平均，而不是对接收到的包的平均，它可以比 较迅速地反应拥塞增加的情况，但是对于拥塞减小的情况，其反应就不够的灵敏。因 此，在计算丢失事件间隔的时候，增加了一个参数z 来及时地反应拥塞减小的情况。 在没有包丢失的情形下，发送端的速率控制完全依靠以速率为基础的 m i m d ( 1 2 0 1 拥塞控制算法，在仿真中实现该算法的时候，取a - 1 为，b = 1 1 0 。 在遇到有包丢失的情况下，则首先根据t f r c 拥塞控制算法得到稳态情况的 t c p 吞吐量。对得到的t c p 吞吐量进行判断：和当前的发送速率相比有较大的差别， 则并不采用这个t c p 吞吐量进行控制，而是用m i m d ( a ，b ) 拥塞控制算法进行控制。 1 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章端到端的丢包区分控制算法 第四章端到端的丢包区分控制算法 4 1 有线一无线混合i p 网络上的视频传输 在多媒体无线应用日益增多的今天，如何提高多媒体视频在有线一无线混合i p 网络上的传输性能是一个十分重要的课题。在日常的应用场合，典型的多媒体视频无 线应用的结构如下。 图4 一l ：典型的视频无线应用的结构 这里的终端可以使用2 0 ( 3 g ) 的手机或者使用8 0 2 1 1 无线局域网接入的移动终 端。在这样的网络结构中，视频数据的传输主要是通过有线网络来完成，只有最后一 跳是在无线网络中完成的。本文中有线一无线混合口网络的仿真正是基于这样的网络 拓扑。 用上一章中提到的a v t c 算法控制视频流对拥塞的反应较灵敏，同t c p 流也能保 持友好性。但和t c p 遭遇到类似的问题。在无线网络中，a v t c 也无法区分分组丢失 是由于拥塞引起的还是无线信道比特错误引起的。在遭遇到分组丢失之后，a v t c 会 错误地把分组丢失原因判断为网络拥塞，按照控制策略，就是降低发送速率。这种不 必要的降低发送速率，首先会降低端到端的视频重建质量，其次会造成端到端延迟的 大幅动抖动。而且在这种情况下，网络并没有出现拥塞，降低速率并不能降低分组丢 失率( 降低的只是分组丢失的数目) 。所以，改善a v t c 控制算法在有线一无线混合i p 网络上性能的核心问题就是：如何区分引起分组丢失的原因。 端到端的方法主要用某些被动的方法( 比如包到达时间的特性) 来区分拥塞丢 包还是比特错误引起的丢包。一般来讲是使用某些特定的模型来区分丢包原因。但是， 无线网络状况变化很大，每次使用的模型能不能正确的适应网络状况就是一个重要问 题。 1 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章端到端的丢包区分控制算法 传输协议可以从两方面来利用端到端的丢包区分算法。第一种是普遍的性能优化 方法，仅仅使用拥塞丢失作为拥塞信号，无线丢包不会用来限制发送速率t 2 2 - 2 4 。 第二种方法是向视频编码端提供很好的反馈。例如证明存在无线丢包，编码端就调整 信源编码和信道编码的比特分配。本课题研究第一种方法。 我们把带有拥塞控制机制的算法进行扩展，形成丢包区分算法。对于拥塞控制， 我们使用a v t c 算法，扩展a v t c 算法形成各种端到端的l d a s ，然后评价各种l d a s 的性能。具体的机制是当接收端检测到丢包的时候，启动丢包区分算法。如果这个丢 包被分类为拥塞丢失，那么a v t c 发送端记录这个丢包事件，用来计算丢失事件率， 得出拥塞丢包率；相反，如果被分类为无线丢失，那么a v t c 接收端将不把这个丢包 记为丢失事件，也就不用来计算拥塞丢包率。必须注意，这里每个丢失的包都不会再 重传。 我们先介绍以前的丢包区分算法，z i g z a g 丢包区分算法和w v t p 协议的丢包区 分算法，再介绍本课题研究的w v t p c 协议的丢包算法。 4 2z i g z a g 算法 z i g z a g 算法判断丢包原因是基于两个要素：丢包的个数n 和单向传送时间 ( r o t t ：r e l a t i v eo n e w a yt