毕业设计（论文）-基于H.264的视频传输技术研究.doc

西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：_ 日期_西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。(保密的论文在解密后遵守此规定)本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。本人签名：_ 日期_导师签名：_ 日期_摘要视频传输是近年来研究的热点，H.264视频编码以其优秀的性能在各种传输网络中得到了广泛的应用。本文设计了一种Ad Hoc网络下基于H.264的综合视频传输解决方案。为了满足视频业务的实时性要求，在网络传输设计中针对视频数据做了处理，整个网络优先传输视频数据。设计了以TDMA为基础，TDMA与CSMA的混合多址接入方案，保证实时业务的实时性以及一般业务数据的接入速率。根据H.264的码流特点，视频帧的关键信息利用ARQ进行传输，非关键信息利用非ARQ传输。非ARQ传输时采用TDMA的方式，减少碰撞丢包和时延；ARQ方式采用CSMA方式，保证数据的接入速率。在整体上，传输方案满足了视频业务的实时性要求，保证了关键性信息的传输。文章对三种视频传输方式，完全ARQ方式、区别式ARQ方式和非ARQ方式做了仿真分析，证明了区别式ARQ方式在视频传输中的有效性，对视频传输中负载的长度进行了分析，进一步改进了整个视频传输系统的性能。关键字：Ad Hoc网络视频传输H.264混合接入业务优先级 ARQAbstractVideo transmission has been a hotspot in recent years, and H.264 video codecis widely used in kinds of transmission networks by its outstanding performance. In this paper, we design a video transmission method in Ad Hoc network based on H.264.To satisfyreal-time requirements of the real-time service, real-time service data is given a high priority.It designs a TDMA and CSMA hybrid access to ensure real time and access rate in MAC layer. According to property of H.264 video codec, the critical information of video frames are transmitted with ARQ method and non-critical information with no-ARQ method.No-ARQ method using TDMA to reduce collisions packet loss and delay while ARQ method using CSMA to ensure data rate.On the whole, the transmission scheme not only meets the requirements of real-time video services, but also ensures the transfer of critical informationThree kinds of video transmissionwere simulated in this paper, completely ARQ mode, non-ARQ mode and distinguish ARQ mode,and it demonstrated the effectiveness of the transmission schemeand improved transmission scheme by reducing the load length.Keywords：Ad Hoc network Video TransmissionH.264Hybrid Accessthe Priorityof ServicesARQ目录第一章绪论11.1 Ad Hoc网络的发展11.2论文的研究背景及意义21.3 无线视频传输的研究现状31.4 论文的组织结构4第二章 Ad Hoc网络及H.264的相关技术52.1 Ad Hoc网络的MAC协议52.1.1 时分多址（TDMA）协议62.1.2 载波监听多路访问（CSMA）协议62.2 差错重传技术72.2.1停等式ARQ82.2.2 回退n帧ARQ（n-ARQ）92.2.3 选择重发ARQ92.3 H.264视频编码介绍92.3.1VCL112.3.2 NAL11第三章 Ad Hoc网络的H.264视频传输方案设计133.1 网络需求133.2 H.264视频传输方案设计143.2.1 MAC层153.2.2 DLC层173.2.3 H.264视频区别式ARQ传输183.3 本章小结24第四章仿真分析254.1 OMNeT+仿真环境及性能指标254.1.1 OMNet+介绍254.1.2 搭建仿真环境254.1.3 性能指标264.2性能分析274.3 方案的进一步探索30第五章总结与展望33致谢35参考文献37第一章绪论5第一章 绪论1.1Ad Hoc网络的发展移动Ad Hoc网络是一种没有基础设施支持的移动无线网络，网络中的节点都由移动节点构成。一般认为无线自组织网络（Ad Hoc网络）出现在上世纪70年代，起源于美国国防部资助的一项特别研究分组无线网络张海英.并发无线分组网络媒质接入控制协议仿真研究D.西安电子科技大学,2013.（Packet Radio Network）。这个研究就是想让信息传输不受固有网络设施的限制，服务于环境恶劣的战场。在战争环境下，一方面有些地方根本就没有可供通信的固定网络；另一方面，即使有，也可能会被敌方第一时间摧毁，无法提供可靠的通信传输。因此这个网络一开始就被定义为快速自组织网，可以不受基础网络的约束。在结构上，该网络由一些动态或者静态的节点组成，以自组织的形式构成网络，不依靠现有网络，彼此之间以无线形式进行传输。这项工作开辟了移动自组织网（MobileAd Hoc Network, 简称Ad Hoc网络或MANET）的先河。在90年代中期，随着美国国防部对相关技术的公开，移动自组织网络成为了无线网络中的一个新的研究热点，逐渐成为了无线网络中的一个独立分支。除了一开始的军事用途外，无线自组织网络在救灾、农业、矿业、汽车业以及家庭电器等方面同样有着巨大的发展空间，运用好无线自组网可以给我们的生活和工作带来很多便利。我们可以看到的是在未来的网络中发展中，无线自组织网大有可为，很多现在正在发展的技术都有赖于Ad Hoc网络的发展。随着汽车业的发展，汽车越来越多的介入到我们的生活当中，而通过无线通信技术改进汽车体验以及增加汽车安全是近些年来人们一直努力的方向，车载自组织网吴信德.车辆网络信息验证机制D.国立中山大学,2013.（vehicular Ad Hoc networks）就是汽车与电子信息结合下的产物。车载自组织网络结合GPS、Ad Hoc以及蜂窝网，为处于高速运动中的车辆提供一种高速率的数据接入网络，进而为车辆的安全行驶、计费管理、交通管理、数据通信和车载娱乐提供一种解决方案，也为智能交通的建设提供了技术支持。自组织网助力物联网F. Bao, and I.-R. Chen.Trust Management for the Internetof Things and Its Application to Service Composition, inIEEE WoWMoM 2012 Workshop on the Internet of Things:Smart Objects and Services, San Francisco, CA, USA, June2012.的发展，以前我们的网络接入主体都是PC、手机、或者pad类的专用网络设备。现在物联网开始让冰箱、汽车、电饭煲等日常工具连上网络，通过网络跟我们进行远距离的通信，更好的为我们进行服务；在那些需要大面积监测的地方，如何通过传感器进行监测，并把信息传递我们远程监控的网络中，进行安全方便的实时监控，这也具有很强的实际意义。无线传感器网络 Gabriel Y. Keung, Bo Li,Qian Zhang. The Intrusion Detection in Mobile S-ensor Network.AC TransactionsonNetwork, Vol. 20, NO. 4, August 2012.（MSN）作为物联网中的一种，将大量传感器采集到的信息，以自组织网络传输出去，让人们在无干预的情况下，通过网络获得监测信息。与现有的蜂窝网以及固有宽带网络相比，Ad Hoc网络有许多自身的优缺点：1) 独立组网：无需固定基站，独立节点间可以相互通信；2) 无中心自组织：每个节点都是独立平等的，节点可以随意自由的加入和离开网络，少量节点故障或者离开网络不会影响网络的正常运行，具有很强的自恢复能力。除此之外，网络中的所有节点都是通过分层的网络协议和分布式算法协调各自行为，快速自动组网；3) 多跳路由与动态拓扑：受限于单节点发射功率和发射距离的影响，要想使得两个相距较远节点之间进行通信，需要中继节点的转发来完成。另外由于无线信道复杂的物理特征，信道之间的相互干扰，以及网络中节点的移动，离开或者加入网络，都会使得移动节点通过无线信道形成的拓扑发生改变；4) 资源有限：移动节点使用的都是电池供电，续航能力有限。如何保证网络中的移动节点最大续航能力是研究的热点；除电源外，移动节点的其它资源，比如带宽小、cpu处理能力差，运行内存小，都是设计中面临的挑战；5) 安全性差：由于无线自组织网是一个无中心的自组织网，所有节点都是移动的，节点间通过无线信道相连，节点自身充当路由器，传统的安全机制不适于Ad Hoc网络，需要重新考虑网络的安全性；6) QoS保证:现有的Ad Hoc网络对一些多媒体业务没有提供足够的QoS保证，难以实现复杂业务下资源的灵活分配。1.2论文的研究背景及意义随着Ad Hoc网络的出现和发展,如何在Ad Hoc网络中处理视频流的传输就成为一个热点问题。视频在Ad Hoc网络中的传输近年来逐渐成为热点，大家都想利用Ad Hoc网络搭建一个有效的视频传输平台，摆脱有线的束缚，能够随意的布置监控节点，高效便利的实现对所关心场景的监控或者是对现场画面的实时传送。另外，在无线电台组网的实际项目中，电台不仅仅作为一个文件和话音的传输工具，能够进行实时视频传输变得更加具有实际意义。实时视频传输能够把最新的环境情况反映出来，为决策者提供更好的判断依据。然而Ad Hoc网络中的实时视频传输又面临一系列的问题，处理不好就会导致视频传输效果不理想。我们在做相关项目的时候，就遇到这样的问题。在项目的开发过程中，没有把视频传输从上到下综合考虑，编解码跟底层协议都是独立开发的，没有对视频中的不同数据进行有针对性的处理，导致视频传输效果很差。在此背景下，对视频编码跟MAC进行综合考虑，获得更好的视频传输效果。1.3无线视频传输的研究现状随着无线局域网（Wireless Local Area Network,WLAN）的快速发展，无线视频传输也得到了广泛的关注。然而由于无线传输环境的复杂性，导致视频在WLAN网络中的传输效果要比相同情况下的有线环境质量要差，考虑的因素也多Mei-Hsuan Lu, Peter Steenkiste and Tsuhan Chen.H.264 Video Transmission Over WLAN In OPNET Modeller. Journal of ElectricalEngineering,VOL.64,NO.2,2013, 112117.。无线信道是动态有错的，这在传输对错误和时延敏感的视频压缩数据包来说是比较困难的。特别是为了减少对带宽的占用，视频数据采用复杂的压缩算法，一个视频帧数据的出错并不仅仅是当前视频图像的出错，还会导致接下来视频图像的恢复。除此之外，视频数据包的传输时延必需保证在一个确定的时延门限之内，下一个视频帧数据必须在当前帧显示完之前来到解码端，这在实时视频传输系统中显得尤为重要。因此减少数据传输的错误率和控制传输时延就成为了无线环境下设计视频传输系统的两个主要问题。在过去五年，WLAN下的视频传输取得了明显的进步，IEEE802.11系列标准不断更新，加大了对WLAN下新业务的支持。其中802.11eIEEE.IEEE Standard 802.11e Part 11, WirelessLAN Medium Access Control (MAC) and PhysicalLayer (PHY) Specifications Amendment 8:Media Access Control (MAC) Quality of ServiceEnhancements S, 2009.中特别引入了一些列的高优先级信道接入参数来保证视频流的传输，减少视频流的传输时延；802.11aaIEEE.IEEE Standard 802.11aa Part 11, WirelessLAN Medium Access Control (MAC) and PhysicalLayer (PHY) Specifications Amendment 3:MAC Enhancements for Robust Audio VideoStreamingS, 2011.则引入了一组新的错误恢复机制来保证视频在WLAN下的多播传输。除了这些标准化的物理层和媒质接入层的改进，还发展了许多非标准化的视频传输设计策略。这些设计主要分为单层优化策略和跨层优化策略。单层优化策略有基于应用层的，如从视频编码自身的差错恢复考虑 WAJAHAT J,AAMIR K,KHURRAM S,et al.Analysis of Video Coding and Error ResilienceTools of H.264 in Wireless EnvironmentJ. InternationalJournal of Computer Applications,2012, 50(1):1-7.、速率失真优化方法 HE Zhihai, CAI Jianfei, CHEN C W. Joint SourceChannel Rate-Distortion Analysis for AdaptiveMode Selection and Rate Control in WirelessVideo CodingJ. IEEE Transactions on Circuitsand Systems for Video Technology, 2002, 12(6):511-523.、以及联合信源编码ZHAI Fan, EISENBERG Y, PAPPAS T N, et al. AnIntegrated Joint Source and Channel CodingFramework for Video Transmission over PacketsLoss NetworksC/ Proceedings of InternationalConference on Image Processing(ICIP04): October 24-27, 2004. Singapore. IEEEPress, 2004: 2531-2534.。基于物理层的，如物理层的自适应方法 REBAI A R, FLISS M, JARBOUI S, et al. A NewLink Adaptation Scheme for IEEE 802.11WLANsC/ Proceedings of New Technologies,Mobility and Security (NTMS08): November5-7, 2008. Tangier, Morocco. IEEE Press,2008: 1-5.、可操作的多输入多输出（Multi-input Multi-output，MIMO）方法 ZHANG Hongyuan, MOLISCH A F, ZHANG Jin.Applying Antenna Select-ion in WLANs forAchieving Broadband Multimedia CommunicationsJ. IE-EE Transactions on Broadcasting,2006, 52(4): 475-482.，物理层的方法主要是从提高接入带宽考虑。基于媒质接入层MAC（Media Access Control）的，如争用访问策略 YEN C M, CHANG C J, CHEN Y S. An AdaptiveP-Persistent MAC Scheme for MultimediaWLANJ. IEEE Communications Letters, 2006,10(11): 737-739. LiuHuabing, Zhao Yun. Adaptive EDCA AlgorithmUsing Video Prediction for MultimediaIEEE802.11e WLANC. Proceedings ofInternational Confer-ence on Wireless andMobile Communications (ICWMC06): July29-31, 2006. Bucharest, USA. IEEE Press, 2006:10-16.（Contention access mechanism）优化，争用免费的访问机制（Contention free access mechanism） LEE K Y, CHO K S, RYU W. Efficient QoSScheduling Algorithm for Multimedia Servicesin IEEE 802.11e WLANC Proceedings ofIEEE Vehicular Technology Conference (VTC11):September 5-8, 2011. San Francisco, CA, USA.IEEE Press, 2011: 1-6.、以及自适应有限次重传机制 LIN C H, CE-KOEN S, CHILAMKURTI N K, et al. A RED-FEC Mechanism for Video Transmissionover WLANsJ. IEEE Transactions on Broadcasting,2008, 54(3): 517-524.。单层优化策略由于各层之间缺少交互，其对系统的整体性能提升是有限的。在网络中，有些层的性能严重依赖于其它层的表现，在这种情况下，跨层设计逐渐成为了过去十年中网络设计的一个趋势。近些年来也出现了很多跨层设计方法，比如MAC层和应用层的跨层设计，物理层和应用层的跨层设计，物理层和MAC层的跨层设计以及应用层、MAC层和物理层的跨层设计。其中MAC层和应用层的跨层设计是使用最多的，不同的应用在MAC层采用不同的接入策略，在基于竞争的信道访问机制中，文献 KSENTINI A, NAIMI M, GUEROUI A. Toward anImprovement of H.264 Video Transmissionover IEEE802.11e Through a Cross-Layer ArchitectureJ. IEEE Communications Magazine,2006, 44(1): 107-114.第一次把视频流业务与802.11e的优先级队列对应起来。他们利用H.264的数据分区技术产生不同的优先级数据并把它们与优先级队列相对应。PHY层与应用层的跨层设计中，把应用层视频流的数据特性与物理层的自适应速率算法相结合，文献FALLAH Y P, MANSOUR HM, KHAN S, et al. ALink Adaptation Scheme for Efficient Transmissionof H.264 Scalable Video over MultirateWLANsJ. IEEE Transactions on Circuitsand Systems for Video Technology, 2008,18(7): 875-887.中就把可适应性视频编码（scalable video coding）的视频数据流映射到物理层的速率模式。利用PHY层和MAC层的跨层设计，可以进一步提升数据的传输速率 LIN Yuxia, WONG V W S. Adaptive Tuning ofMIMO-Enabled 802.11e WLANs with NetworkUtility MaximizationC/ Proceedings of IEEEWireless Communications and Networking Conference(WCNC08): March 31-April 3, 2008.Las Vegas, NS, USA. IEEE Press, 2008: 1751-1756.。PHY层、MAC层和应用层的三层跨层设计是未来跨层设计的一个方向，跨多层设计虽然能够获得很好的效果，但是实现起来也更加复杂，其成功的关键在于怎样减少随着跨层交互的增加而呈指数增长的状态参数风险。在文献中 OH B J, HUA Guogang, CHEN C W. SeamlessVideo Transmission over Wireless LANs Basedon an Effective QoS Model and Channel StateEstimationC/ Proceedings of 17th IEEE International Conference on Computer Communicationsand Networks (ICCCN08): August3-7, 2008. St. Thomas, US Virgin Islands,USA. IEEE Press, 2008: 1-6.，提出了一种根据H.264解码出的图像序列等级来进行评估的QoS模型。应用层的QoS与跨层设计中的PHY层的速率自适应和MAC层的重传次数限制有很大关系。Ad Hoc网络是无线局域网的一部分，但是相比于我们通常用到的Wi-Fi（使用802.11系列协议的局域网）又有不同。Wi-Fi是具有热点AP(Access Point,无线访问节点、会话点或存取桥接器)的局域网接入方法，Ad Hoc是动态、无中心自组织的网络，节点的带宽更小，cpu处理能力更差，在这种网络环境中进行视频传输的挑战就更高，当然在设计上我们仍然可以借鉴上面提到的一些策略，比如跨层优化设计。文献Mei-Hsuan Lu, Peter Steenkiste,Tsuhan Chen. A time-based adaptive retry strategy for video streaming in 802.11 WLANs. WirelessCommunication And Mobile Computing, 2007:187203.中使用的跨层设计思想，根据实时视频帧的时间要求，进行动态的重传控制。本文就提出一种根据视频帧重要性的不同，进行区别式重传的设计方案，提升视频的传输质量。1.4论文的组织结构本文的组织结构如下：第一章是绪论，主要介绍视频业务在Ad Hoc网络中的发展及本文研究的意义。第二章对Ad Hoc网络中的MAC接入技术以及H.264视频技术进行了介绍。主要是关于Ad Hoc网络的MAC接入介绍及差错控制技术；H.264视频编解码以及如何用RTP协议传输H.264视频数据。第三章设计一个Ad Hoc网络传输视频数据，主要是混合多址接入MAC，H.264视频关键帧与非关键帧的分开传输，即关键帧用ARQ方式传输，非关键帧用非ARQ方式传输。第四章是本文的仿真分析，在OMNet+的环境下仿真设计的视频传输方案，对不同的视频传输方式进行对比。提出通过减少传输包的大小，来提高非ARQ方式的传输成功率。第五章是总结与展望，给出了本文的不足和对进一步工作的展望。第二章Ad Hoc网络及H.264的相关技术13第二章 Ad Hoc网络及H.264的相关技术2.1 Ad Hoc网络的MAC协议介质接入技术是移动Ad Hoc网络协议的基础，无线信道资源是有限的，如何设计一个好的控制接入技术，达到对信道的最大访问效率决定着移动Ad Hoc网络的性能。移动Ad Hoc网络的MAC层协议来自于802.11标准。自第二次世界大战以来，无线通信因在军事应用取得的成果而备受重视，然而一直发展的无线通信却缺乏广泛的标准，直到1997年，美国电气和电子工程师协会（IEEE）制定出了第一个版本标准802.11 IEEE, 1996, Wireless LAN Media Access Control (MAC)and Physical Laye(PHY) Specification, IEEE 802.11 DraftVersion 4.0, (May 1996).。802.11标准主要定义了媒体接入控制层（MAC）和物理层，也就是ISO协议的最低两层，如图2.1。这样的好处就是任何局域网的应用程序、网络操作系统或者TCP/IP、Novell Netware喻勇,王世业,何子凡. Novell Netware IPX协议下实时通信的一种新的实现方案.计算机工程.1991.都能够在802.11协议上兼容运行。现在基本上所有的无线网络都采用了802.11标准作为自己的PHY层和MAC协议。图2.1 802.11与ISO协议关系介质接入控制（Medium Access Control，MAC）协议是一种信道共享机制，其主要目的就是为了让网络中的各个节点公平有效的分配共享信道资源。根据设计的网络结构，它可以分为分布式MAC协议和集中式MAC协议，也可以根据其资源分配形式分为固定分配、随机分配和按需分配。无线Ad Hoc网络无中心的特点要求MAC协议不能依赖于某个固定的节点，因此，集中式的MAC协议不适合移动Ad Hoc网络，移动Ad Hoc网络的MAC接入协议必须分布实施。在移动Ad Hoc网络中，可利用的带宽是很有限的，再加上节点竞争信道时产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰以及信道间干扰等多种因素，导致移动Ad Hoc节点可用的实际带宽非常小。在这种情况下，一个好的MAC协议能够大大的提高整体网络的性能。目前的Ad Hoc网络MAC协议大致可以分为：基于竞争方式的，如：802.11DCF，MACA，CSMA，FAMA，MACAW等；基于预留方式的，包括：TDMA，CDMA等戚云军，黄凯。毛玉全.新型TDMA战术网的时隙动态分配研究.船舶电子工程，25(2006):119-112,2005.。其中TDMA以及CSMA/CA是Ad Hoc网络中常用的MAC协议。2.1.1 时分多址（TDMA）协议时分多址（TDMA：Time Division Multiple Access）是在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一个帧分成若干时隙（帧和时隙互相不重叠），每个时隙就是一个通信信道，分配给网络中的一个节点，所有节点在时间上轮占用信道资源叶林睿.基于TDMA的Ad Hoc网络MAC协议研究D.电子科技大学,2011.张弛.基于TDMA的Ad Hoc网络MAC协议比较D.西安:西安电子科技大学,2007.，各节点之间不存在碰撞问题。根据分配方式不一样，TDMA可分为固定分配的TDMA、动态分配的TDMA以及固定分配与动态分配相结合的TDMA袁韵结, 李波.多预约信息转发的协作信道预约多址接入协议. 西安交通大学学报, 2012.陈轶, 李波. 基于多步信道预约机制的多址接入协议研究. 计算机科学, 2011.。固定分配的TDMA是全网统一分配，典型的策略是平均分配时隙，即假设节点数为N，时帧长为T，则每个节点分配的传输时隙为T/N。动态TDMA则一般按本节点掌握的局部网络信息，根据需要动态预约传输时隙。由于当某个节点在自己的时隙无分组发送时，其它节点不能占用时隙，导致浪费，因此TDMA的网络在业务量小或者业务分布不均的时候，效率不高。由于Ad Hoc网络是分布式的，所以节点之间没有统一的时钟。而TDMA是要求统一时钟的，因此采用支持分布式结构的同步策略是必须的。分布式同步有两种方式：一种是中心式的，即以某节点为中心，其它节点与它同步；另一种是节点之间相互计算同步误差，利用数学迭代方法逐步收敛到同步位置上。前者简单且快，但节点之间同步关系是相对的，即同步的节点的绝对时间之间本身是有时延差的，这是因为无线传输是有时间的。后者是采用数学迭代方式，收敛后接近绝对时间上的同步，但同步时间长，且易被破坏。采用中心同步方式要好。总的来说，TDMA网络有固定的时延，没有碰撞，这对于实时性要求高的业务来说是必须的，所以在有话音或者视频等业务的网络中，一般都需要有TDMA接入以保证实时业务的QoS。2.1.2 载波监听多路访问（CSMA）协议最早的竞争式MAC协议是夏威夷大学(The University of Hawaii)开发的ALOHA协议N.Abramsson.The ALOHA system another alternative for computercommunications. Proc. of AFIPS Conf. 1970,37:695-702.。ALOHA协议没有碰撞避免机制，当节点需要发送分组时立即发送，因此，随着节点数的增加和业务量的增加，节点碰撞的概率也在增加，信道利用率很低。载波侦听多址接入协议（Carrier Sense Multiple Access，CSMAKleinrock L and Tobagi F A. Packet switch in radio channels:Part I-carrier sense multiple access models and their throughput-delay characteristics. IEEE Trans.Commun. 1975,23(12):1400-1416.）在ALOHA的基础上引入了碰撞退避机制，节点在发送数据之前，通过检测发射机附近的信号强度，并通过一定的控制策略来避免碰撞。当节点需要发送分组时，如果载波检测信道中信号强度超过门限则立即发送分组，如果检测到信道中信号强度超过门限，则根据一定的退避算法进行退避，因此CSMA能有效的避免碰撞，吞吐量也更大。但是碰撞如果是发生在接收节点方时，发送节点方通过载波侦听并不能完全避免冲突。另外，由于节点只能检测到一跳范围内的节点信号，不能检测到一跳以外节点的信号，在多跳网络中，存在隐藏终端和暴露终端的问题王亚军.Ad Hoc网络MAC层协议研究及仿真D.安徽大学,2012.。对于隐藏终端和暴露终端的问题，有多种解决方法。其中比较典型的方法就是通过发送较短的RTS/CTS盛文辉.一种基于RTS/CTS机制的自适应功率控制协议的研究D.复旦大学，2013.（Request to Send-Clear to Send）来尽量减少较长的帧的DATA数据的碰撞，典型的协议有CSMA/CA、MACAShiraz Shahabudeen, MehulMotani. Performance Analysis of a MACA basedProtocol for Adhoc Underwater Networks.MobiCom,2009.以及MACAWVaduvurBharghavan,Alan Demers et al. MACAW:A Media Access Protocol for Wireless LANs.ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 1994.。基于RTS/CTS机制的MAC协议基本思想是，在发送数据之前，通信双方利用RTS/CTS帧预约信道，听到RTS或者CTS的邻节点在预约的时间内抑制自己的传输，预约时间的长度由RTSCTS分组中网络分配矢量（Network Allocation Vector，NAV）来决定，发送节点收到CTS后发送分组DATA，接收节点收到DATA后回复ACK，每个分组之间有一定的短帧间隔（Short Inter-Frame Space，SIFS），按照RTS-CTS-DATA-ACK方式循环反复直到所有分组发送完成，这样在增加短帧开销的基础上，解决了隐藏终端和暴露终端的问题。图2.2 RTS/CTS预约过程2.2 差错重传技术ARQ是一种闭环的差错控制方法，如果接收端有丢包事件，则通知发送端重新传输该丢失的数据包直到正确接收的一种差错方法。该方法广泛应用于数据链路层，保证数据的可靠传输。根据对出错报文的处理机制不同，传统的ARQ分为3种，停等式（stop-and-wait）ARQ、回退n帧（go-back-n）ARQ、以及选择重传式（selective repeat）ARQ。其中停等式ARQ是后两种ARQ技术的基础，后两种ARQ技术是滑窗处理与停等式ARQ的结合体。三者的的效率依次越来越高，复杂度也随着效率的上升而增加。2.2.1停等式ARQ停等式ARQ的基本思想是在开始下一个分组传送以前，必须确保当前分组被正确接收。假定A发，B收。具体的传送过程如下：A发送一个分组后，B如果接收正确，则B向A返回一个短帧ACK；如果接收错误，则B向A返回一个否定应答NAK。A必须在收到B的正确ACK之后，方可进行下一个分组传输。正确的传送过程如图2.3所示。图2.3 正常情况下的数据传送图2.4是异常情况下的数据传送过程。图2.4 异常情况下数据重传由于A到B之间的双向链路都有可能出现错误，需要采取一定的策略来保证协议的正常工作。基本的方法是在传输的DATA中增加发送序号（SN）和接收序号（RN）。停等式ARQ的协议严格描述如下：假定A向B发送分组，节点A的发送算法如下：1) 置SN= 0；2) 如果从高层收到一个分组，则将SN指配给该分组，如果没有则等待；3) 将第SN个分组装入物理帧中发送给节点B，启动超时计时器t；4) 如果从B接收到的RNSN,则将SN = SN+1，返回2）；5) 如果超时ttout，没有从B收到有效应答RNSN的帧，返回3）；接收节点B的处理如下：1) 置RN = 0；2) 从A收到一个数据分组时，假如RN等于SN，把数据送给高层，RN加1；3) 收到一个A的分组后，在有限的时间内回复A一个ACK或者NAK。在上面的算法中，RN和SN取RN= RN mod 2，SN = SN mod 2 。2.2.2 回退n帧ARQ（n-ARQ）n-ARQ是一种运用最广泛的ARQ协议，已应用于HDLC、SDLC、ADCCP蹇搴,蒋红艳,黄生叶等.随机反馈延时下回退式ARQ协议的延时分析J.计算机工程.2010.21.039.和LAPBCho JH,Jung DK,Lee et al.Crystal structure and functional analysis of the extradioldioxygenaseLapB from a long-chain alkylphenol degradation pathway in Pseudomonas.J.The Journal of Biological Chemistry,2009,284(49):34321-34330.等标准的数据链路层协议中。n-ARQ的基本思路是：发送端在没有收到对方应答的情况下，可以连续发送n个分组。收端仅接收正确顺序的分组，其应答中的RN表示RN以前的分组都已经被正确接收，其最大特点是不需要每收到一个正确的分组就发出一个应答，可对接收到的正确顺序最大分组序号进行应答。参数n叫做（滑动）窗口宽度。2.2.3 选择重发ARQ选择重发ARQ戴云,孙军,杜伟娜等.基于多个无线信道的自适应联合选择重发ARQJ.计算机工程与应用,2005.是对n-ARQ的改进。在返回n-ARQ中，如果前向传输过程中某一个分组出错，会导致后面收到的所有分组都需要被重传，而不管后面的分组是否传输正确。选择重发ARQ在n-ARQ的基础上，仅仅重传有错的分组。2.3H.264视频编码介绍2001年，联合视频小组JVT(Joint VideoTeam)由ITU.T视频编码专家组VCEG(Video Coding Experts Group)和ISO/IEC运动图像专家组MPEG(Moving Picture Experts Group)合作成立,着手制定新的视频压缩标准。该小组在2003年3月发布了新标准的正式版本H.264Draft ITU-T Recommendation and FimalDraft International Standard ofJoint Video Specfication,2002.。H.264标准以其优异的性能，迅速被用于数字电视广播、视频实时通信、网络视频流媒体传递以及手机电视等各个方面。相比于其它的压缩算法，H.264的主要优点如下：1) 高压缩率：在给定固定精度下，比现有压缩算法节省50%的比特率；2) 采用简洁的设计算法：语法描述简单，避免过多的选项和配置，尽量应用现有的编码模块；3) 灵活的延时处理：对不同的业务，灵活的利用相应的时延限制；4) 错误恢复：加强对误码和丢包的处理，增强解码器的差错恢复能力；5) 提高网络适应性：采用网络友好的结构和语法，以适应IP网络、移动网络的应用；6) 在编解码器中采用复杂度可分级设计，在图像质量和编码处理之间可分级，以适应高和低复杂性的应用；7) H.264的基本框架开源，无需版权孙同伦. 基于H.264标准的视频编解码器的实现、性能研究与优化.中国科学技术大学,2005.；H.264定义了三个不同层面的应用，分别是基本档次（baseline）、主档次（mainline）和扩展档次（extendedline）。图2.5 H.264视频编码档次示意图为了更好的适应于复杂的、异构的视频传输网络，H.264在设计上将整个编解码系统分为两层，分别是视频编码层（Video Coding Layer，简称VCL）和网络适配层（Network Abstraction Layer，简称NAL）惠鏸,刘涵,吴亚丽等.一种基于视频编码标准H.264的智能视频监控技术J.计算机应用,2005,25(11):2589-2591.，如图2.6所示。视频编码层主要做的是利用高效的编码方式表现视频，即进行视频压缩，做到与NAL独立，它是H.264编码的核心。NAL层主要是在VCL产生的视频编码数据和传输环境之间做一个适配，使得产生的视频数据适合在各种网络间传输。NAL支持从VCL数据到各种网络传输协议间的映射。图2.6 H.264编码器分层结构2.3.1 VCLH.264视频编码层VCL主要通过改进各种成熟的压缩技术和先进算法，对数字视频进行高效率编解码，提供具有高质量、高压缩比、健壮性、可分级等特性的视频编码流。其采用的主要技术有帧内预测编码、帧间预测编码、整数变换、量化与变换系数扫描、熵变换以及加权预测刘西振,杨静,王威等.基于FPGA的H.264帧内预测实现和优化J.计算机工程.2012.07.084.。2.3.2 NAL网络适配层NAL 的设计采用了友好的网络界面，能够简单、高效地将视频编码层VCL应用于各类网络系统中。在编码端，NAL把VCL层视频流进行协议封装后，无缝集成到传输层；在解码端，其作用正好相反。通过引入NAL层，将编码与信道隔离，大大提高