（计算机科学与技术专业论文）3g与wifi中多媒体传输策略研究.pdf

艺3 、； 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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， 也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 作者签名：匡】! 兰多日期烈皇年妇_ 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论 文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或 部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全 文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：幽导师签鱼巫年白笪日 m u l t i m e d i at r a n s m i s s i o ns t r a t e g yi n3 ga n dw i f i n e t w o r k s s p e c i a l t y ：c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y m a s t e rd e g r e ec a n d i d a t e ：z h o us h i f e i s u p e r v i s o r ：p r o f j i aw e i - j i a s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g ， c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y ，c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c m a y2 0 1 0 摘要 近年来互联网发展迅速以及多种异构网络的存在及流行，使得 跨网络的多媒体传输变得越来越重要。然而现有的互联网音视频传 输技术均未能有效地解决不同网络之间多媒体通信的瓶颈问题，尤 其是i p 网络中的传输质量及性能。 因此，本文以多媒体传输为主线，研究了3 g 与w i f i 中多媒体传 输的优化及控制策略。本文的具体工作为： ( 1 ) 提出了w i f i 网络间的一种基于无线接入点( a p ) 邻居表的滑 动平均值预测策略。通过运用背景扫描机制获取a p 信号强度。该策 略动态地计算信号强度平均值以决策移动终端( m h ) 发起切换的时间 点。为降低切换过程中数据传输的丢包率，该策略还结合了邻居表 将数据路由至候选a p ，使得删与候选a p 建立连接后接收到数据。 ( 2 ) 提出了3 g 与w i f i 网络之间的一种基于坡度预测的切换策 略。坡度预测策略通过计算所接收信号强度的一阶导数来决策是否 发起切换。这两种策略的结合使用提高了移动终端发起切换的效 率，缩短了切换过程中处于无连接状态的延时。 ( 3 ) 为提高音视频传输质量及网络带宽利用率，结合了前向纠 错( f e c ) r e e d s o l o m o n 冗余编码技术及交织恢复丢包技术，提出了 二项式概率传输模型。该模型根据接收端反馈的结果计算需要编码 出的冗余包个数，使用交织技术将音频冗余包与原始数据混合传 输，有效地节省了带宽资源。 总之，混合网络之间的多媒体数据传输具有广阔的应用前景， 有效地保证多媒体传输的质量及性能具有十分重要的意义。本文在 此背景下提出了混合网络间的切换算法并取得了很好的实验效果。 本文的未来工作将侧重于从传输策略的稳定性以及数据传输的安全 性两方面对所提传输策略进行优化和改进。 关键词：滑动平均值预测，梯度预测，冗余传输，交织技术，带宽 利用 t h e r e f o r e t 1 1 i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h eo p t i m i z a t i o na n dc o n t r o lo f m u l t i m e d i at r a n s m i s s i o n , 舔w e l la st h ep e r f o r m a n c ea n dq u a l i t y ，i n3 ga n dw i f i n e t w o r k s m o r ed e t a i l so fo u rc o n t r i b u t i o n sc a t lb ed e s c r i b e d2 l sf o l l o w s ： ( 1 ) am o v i n ga v e r a g es t r a t e g yb a s e do nn e i g h b o rg r a p h 甜g ) i sp r o p o s e d b e t w e e nd i f f e r e n tw i f i s t h r o u g he m p l o y i n gb a c k g r o u n ds c a n n i n gt oc o l l e c ts i g n a l s t r e n g t ho fc u r r e n ta c c e s sp o i n t ( a p ) ，t h es t r a t e g yd y n a m i c a l l yc a l c u l a t e st h em e a n v a l u eo fs i g n a ls t r e n g t h i tt h e nd e c i d e st oh a n d o f ft ot h ec a n d i d a t ea p a c c o r d i n gt o t h em e a nv a l u e i no r d e rt od e c r e a s et h el o s so fd a t ap a c k e t s ，t h es t r a t e g yf o r c e st h e p a c k e t st ob et r a n s m i t t e dt oc a n d i d a t ea pb yq u e r y i n gt h en g o fc u r r e n t 峨 ( 2 ) ag r a d i e n tp r e d i c t i o ns c h e m e ( g p s ) i sp r o p o s e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fh a n d o f fb e t w e e n3 gn e t w o r k sa n dw i f i g p ss t a r t st h ep r o c e d u r eo fh a n d o f f t h r o u g hc o m p u t i n gt h ef i r s td e r i v a t i v ev a l u eo ft h er e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h t h e c o m b i n a t i o no fm a f sa n dg p si m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fv e r t i c a lh a n d o f fa n d a b b r e v i a t e st h ed i s c o n n e c t i n gt i m e ( 3 ) f o rt h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gq u a l i t yo fv o i c ea n dv i d e ot r a n s m i s s i o na n d n e t w o r k sb a n d w i d t hu t i l i t y , t h i st h e s i sa n a l y z e st h er e l a t e dw o r ko fl o s sr e c o v e r y t e c h n o l o g ya n dp r o p o s e sb i n o m i a lp r o b a b i l i t ym o d e l ( b p m ) ，w h i c hi sb a s e do n f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ( f e c ) r e c d - s o l o m o nc o d e ct e c h n o l o g ya n di n t e r w e a v i n g l o s sr e c o v e r yt e c h n o l o g y b p mc a l c u l a t e st h en u m b e ro fr e d u n d a n tp a c k e t sa c c o r d i n g t ot h ef e e d b a c kf r o mt h er e c e i v e r b yu s i n gi n t e r w e a v i n gt e c h n i q u et ot r a n s m i tm i x e d p a c k e to f v o i c ea n dr e d u n d a n c y ，b p mc a ns a v eb a n d w i d t he f f e c t i v e l y t os u mu p ，t h ed a t ap r o p a g a t i o na m o n gt h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k so w n sa g r e a tr a n g eo fa p p l i c a t i o m t h e r e f o r e ，t h ew o r ka i m i n ga te n s u r i n ga n di m p r o v i n gt h e q u a l i t ya n dp e r f o r m a n c eo ft h et r a n s m i s s i o na l s os h o w sg r e a ts i g n i f i c a n c e b a s e do n t h i sb a c k g r o u n d ，t h i st h e s i sh a sp r o p o s e ds o m eh a n d o f f a l g o r i t h m sb e t w e e nd i f f e r e n t n e t w o r k sa n dv a l i d a t e st h e mt h r o u g he x p e f i m e m s t h i st h e s i sw i l lm a i n l yf o c u so n u i m p r o v m gt h er o b u s t i ca n d s e c u r i t y o ft h e s eh a n d o f fa l g o r i t h m sa n dd a t a t r e a n s m i s s i o ni nt h ef u t u r ew o r k k e yw o r d s ：m o v i n g a v e r a g ep r e d i c t i o n ，g r a d i e n tp r e d i c t i o n ，r e d u n d a n t t r a n s m i s s i o n ，i n t e r w e a v i n gt e c h n o l o g y ，b a n d w i d t hu t i l i z a t i o n i 目录 摘雪兽i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1课题来源l 1 2课题研究现状l 1 2 1 音频数据传输o l 1 2 2 视频压缩技术。2 1 2 3 现有的带宽检测算法3 1 2 4 现有的带宽利用方案4 1 3 本论文的主要研究内容6 1 4 本论文的组织结构6 第二章多媒体混合网络传输及性能分析7 2 1 多媒体技术7 2 1 1 多媒体基本技术7 2 1 2 多媒体网络传输7 2 2 多媒体传输机制8 2 2 1 音视频混合传输。8 2 2 2 冗余传输。9 2 3 混合网络传输模式l o 2 3 1 水平同构网络传输1o 2 3 2 垂直异构网络传输1 1 2 4 传输性能指标1 1 2 4 1 网络性能参数的概念l l 2 4 2 性能参数测量方法12 2 5 本章小结1 3 第三章w i f i 网络间的水平切换研究1 4 3 1 相关研究1 4 3 1 1 切换基本过程1 4 3 1 2 延迟分析l5 3 2m a 预测切换策略17 3 2 1 背景扫描机制1 7 3 2 2 切换决策1 9 3 3 模拟研究2l 3 3 1 性能分析2 1 3 3 2 实验结果2 2 3 4 本章小结2 4 第四章3 g 与w i f i 网络之间的垂直切换研究2 5 4 1 研究背景2 5 i v 4 1 13 g 到w i f i 的切换2 6 4 1 2w i f i 到3 g 的切换2 7 4 2 切换算法：。2 7 4 2 1 平均值预测法2 8 4 2 2 坡度预测法2 9 4 2 33 g 到w i f i 的切换3 0 4 3 性能分析3l 4 3 13 g 到w i f i 的切换性能分析31 4 3 2w i f i 到3 g 的切换性能分析3 1 4 4 实验结果3 2 4 4 13 g 到w i f i 的切换3 2 4 4 2w i f i 到3 g 的切换3 3 4 5 本章小结3 4 第五章w i f i 网络中冗余传输策略研究3 6 5 1f e cr e e d s o l o m o n 冗余算法3 6 5 1 1 前向纠错技术3 6 5 1 2r e e d s o l o m o n 冗余编码3 6 5 2 冗余传输3 8 5 2 1 概率冗余策略3 8 5 2 2 单向反馈4 0 5 3 性能分析与实验结果4 2 5 3 1 性能分析4 2 5 3 2 实验结果4 2 5 4 本章小结4 5 第六章结束语4 6 6 1 本文总结4 6 6 2 未来的工作4 6 参考文献：4 8 致谢5 3 攻读学位期间主要的研究成果5 4 v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了课题选题来源，然后从多媒体压缩技术及带宽利用两个方 面阐述了本课题当前的研究现状，最后给出了本文的研究思路和主要内容，并 对本论文的组织结构进行了说明。 1 1 课题来源 本课题主要来源于香港城市大学战略发展计划“企业跨平台无线网络安全 系统的设计与实现( g h p 0 2 3 0 7 ) 和香港创新科技基金“支持通信无间的数字 网络平台关键技术与设计 ( g h p 0 5 2 0 5 ) 两者启发下的自选课题。 1 2 课题研究现状 关于互联网音视频数据的传输模型，主要可以分为三种：音频数据传输、 视频数据传输和音视频数据混合传输。其中，音频数据传输的典型应用就是 s k y p e 网络电话。视频数据传输的主要应用为视频监控、远程桌面等。而音视 频数据混合传输的应用更为广泛，包括网上流行视频聊天工具，如q i c q 、 m s n 等，基于3 g 网络的音视频通话、多方会议，远程教学等。此外，互联网 还可以传输图像、文本等，本文不对此类媒体传输做详细地讨论。 1 2 1 音频数据传输 在文献【1 】中，b o n f i g l i o 等介绍了很多s k y p e 技术在传输音频前所采用的编 码方案。本文将介绍这些方案中应用较为普遍的音频编码方案。表1 1 包含了 三种典型编码方案及其相关的编码信息，表中m o s 表示平均意见得分，分数 越高意味着音频编码后的质量越好。 表卜1 音频编码 錾熟隧越题签娩勉趔厄毯k 基滋越瞧基：基幽 s a m p l es i z e ( b y t e s ) 8 0 103 2 0 s a m p l ei n t e r v a l ( m s ) 10 10 2 0 b i t r a t e ( k b p s ) 6 4812 2 p a y l o a ds i z e ( b y t e s ) l6 0 2 031 p a y l o a ds i z e ( m s ) 2 0 2 02 0 m o s4 13 9 24 0 1 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 a m b ( a d a p t i v em u l t i r a t e ) 音频编码f 2 】是i n t e r n e t 和3 g 网络通信中的一项标 准编码方案。该编码方案支持从4 7 5 k p b s 到1 2 2 k p b s 之间的7 种不用码率。同 时，该方案还能够根据当前网络状态动态的调整编码码率，使得在当前网络能 力下获得更好的音频传输质量【3 l 。 然而，一些研究者经过观察发现如果仅仅是传输音频数据，则使用这种音 频压缩方案能收到很好的效果【4 j 。因为除了音频之外，不再需要传输其他类型 的媒体数据，进而节省了网络资源。可是当需要实时地传输音频视频数据时， 由于视频数据包远比音频数据包大，从而会消耗大量的带宽资源，使得音频传 输质量受到严重的影响。故在传输前，还需要对视频数据进行编码。 1 2 2 视频压缩技术 视频帧在编码时被分成了i 帧和p 帧【5 】，其中i 帧是一种没有其他引用的关 键帧【8 】【9 】【1 0 j 。它能够修复由于丢包带来的解码错误。p 帧是非关键帧，其编码要 依据前一p 帧。p 帧包含了从前个i 帧发生了改变的数据，如颜色或者内容上的 变动。因此，p 帧要依赖i 帧来填补所有数据。由于i 帧比p 帧包含了更多的图 像的数据，因此其数据包也会变大【6 】。 b e r k e l e y 的m c c a n n e 在视频数据的分层压缩和传输方面做了非常优秀的开 创性工作u 。m b o n e ( m u l t i e a s t b a e k b o n e ) 上普遍使用的视频会议工具v i c 包含了 他的压缩和传送算法p v h ( p r o g r e s s i v ev i d e ow i t hh y b r i dt r a n s f o r m ) 。其算法的核 心思想是视频帧内首先采用小波变换划分子带，对l l 部分用d c t 压缩，l h 和h l 部分采用四叉树方法压缩 7 1 。帧间采用条件补偿方法，只传送变化的数据 块。时间轴上的各帧按照序号分别对应到一些多播通道组上，用户选择这些不 同的通道组，从而实现时间帧频上的层次。 m p e g t l 2 】标准是一种比较常用的视频压缩技术。它提供了空间分级的编码 方式。这种编码方式实现了对象素进行抽取和对各级差值进行编码的功能。它 不仅针对一定比特率下的视频、音频数据进行编码，而且还注重多媒体系统的 交互性和灵活性【1 3 1 。这个标准的主要应用包括视像电话、视像电子邮件等。它 对网络传输速率要求较低，在4 8 0 0 - - 6 4 0 0 b i t s s 之间，分辨率为1 7 6 1 4 4 t 1 4 1 。虽 然m p e g 利用很窄的带宽，但是它可以通过帧重建技术和数据压缩技术，在最 小带宽消耗的情况下获得最佳的图像质量和播放效果。经过m p e g 标准压缩编 码后，图像的视频质量变化不大。但是编码后的数据大小却可缩小几倍。因 此，在网络上传输时可以节省大量的带宽资源【1 5 】。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 现有的带宽检测算法 网络状况好坏直接影响到音视频数据传输质量，因此有效地检测网络状况 尤其是网络可获得带宽的变化以适当地调整传输速率对提高多媒体传输质量有 很大的帮助。关于互联网带宽检测，现在也有很多研究成果。 1 端到端带宽检测方法 s e l f - l o a d i n gp e r i o d i cs t r e a m ( s l o p s ) 0 6 】方法是种端到端带宽检测方法。 当终端发送媒体数据速率大于网络可容忍的最大速率时，周期性的数据包流的 单i 揪( o n e w a yd e l a y ，以下简写为o w d ) 会不断增加，从而导致整个传输 过程受阻。为了控制终端多媒体数据的发送速率，m a n i s hj a i n 等【1 6 】提出了 s l o p s 的带宽检测策略。假设从发送端到接收端的一条路径包含了日跳，其中 通信能力是g 。当数据流经过第f 跳链接时，带宽利用率为u , = ( c r a 3 g ，其中 a ，表示第f 跳链接可获得的带宽。假设发送端以r d 的速率向接收端发送k 个数 据包，总大小为工个字节。因此，数据包的发送间隔为产= 侬d 。于是，可以计 算出从发送端到达接收端的第七个数据包的( o w d ) 。 s l o p s 使用了两种统计参数来判断网络数据流是否存在增长的趋势。第一 种叫对偶比较测试( p a i r w i s ec o m p a r i s o nt e s t ，简写为p c t ) 。p c t 的值衡量了 o w d 对的增长程度。如果所有数据包的o w d 是独立的，则s e c t 期望的值是 o 5 。如果o w d 的增长趋势很快，则s p c r 的值就会趋向于l 。 另外一种统计参数为对偶差分测试( p a i r w i s ed i f f e r e n c et e s t ，简称p d t ) 。 p d t 的值表示o w d 的首个和最后一个值的变化程度，还跟相邻o w l ) 差值的 绝对值大小有关。其取值范围为1 都大于0 ，且最后收 到的信号强度n 小于指定的阀值位酬，这表明m t 在朝着w i f i 信号弱的方向 加速运动，且m t 收到的信号已经非常弱并可以发起切换。 若 r ，r2 ，l 中存在小于0 的坡度，则说明m t 在做减速运动，为保证 切换决策的有效性，此时应结合滑动平均值算法，通过计算信号强度的滑动平 均值来决定是否发起切换，从而发起有效的切换。因此在实际的切换决策过程 中，将两种策略结合运用，则可以尽量避免切换过程中存在的乒乓效应，保证 数据可靠传输和良好的用户体验。 中南大学硕士学位论文 第四章3 g 与w l a n 网络之间的垂直切换研究 一：? 4 2 33 g 到w i f i 的切换 当m t 从3 g 网络进入w i f i 网络，如图4 4 所示，m t 的m a c 层首先收到 w i f i 网络中a p 发送的b e a c o n 信号，m t 计算出收到的信号强度并与指定的信 号阀值o s i g i l a l 进行比较。如果所收到的信号强度f 。纯州，则m a c 层向s w i t c h m o d u l e ( s m ) 发送消息表明已经检测到一个新的a p ，同时将新a p 的b s s i d 6 3 1 发送至s m 。s m 将收到的b s s i d 与自身配置的b s s i d 进行比较并判断是否可 以发起关联请求。如果b s s i d 匹配，s m 通过m a c 层向新a p 发送关联请求。 如果不匹配，则s m 忽略所收到的b e a c o n 信号并要求m a c 层继续进行背景扫 描。当收到新a p 的关联确认信号并成功建立关联后，m t 使用d h c p 功能向新 a p 申请新i p 地址。申请成功后，m t 给g g s n 发送更新i p 地址的请求，同时 通知g g s n 新的数据链路已经成功建立并断开旧的数据链路，使用新a p 来传 输数据。 j = 旦型半塑i _ 一 id a t ap a t hli ：- 一一一一一一一一一一一： ： 图4 - 43 g 到w i f i 切换的信令流程 为了避免乒乓效应带来负面影响，减少m t 发起不必要的切换，可以使用 滑动平均值策略来决策切换的发起，即当m t 收到的信号强度大于平均值的个 数大于预设值时，m t 才发起切换。 由于m t 在与新a p 关联过程中并未断开与3 g 网络的连接，而是在切换整 个过程中始终保持与g g s n 的连接，直到m t 与新a p 成功建立新的数据链路 后才断开原来的连接，因此，m t 从3 g 切换到w i f i 可以实现真正的无缝切 换，其切换延迟非常小，用户无法察觉到这部分延迟的存在。另外，在这个切 换过程中，数据的传输是可靠的，能够最大限度满足用户需求。 甲一 荩| 坠n 一 型 | l t 萋l赢巫 中南大学硕士学位论文第四章3 g 与w l a n 网络之间的垂直切换研究 4 3 性能分析 由于3 g 网络覆盖的范围大，当终端进入w i f i 网络时，3 g 连接不会立刻中 断，在终端判断有可用的a p 时，终端在决定执行切换过程，同时断开3 g 网络 的连接，这个过程不会消耗太多的时间，而且消耗的时间也是用户可以接收 的。然而，当终端在进行w i f i 到3 g 的切换时，如果3 g 连接过程未能及时地 完成，则将会消耗很长的时间，这是用户难以接收的。因此，减少切换延迟是 十分有意义的。 本章首先定义切换延迟的概念【6 5 】，即终端无法收到来自任何一个网络发来 的数据包的持续时间。假设岛代表终端与w i f i 网络进行无线通信的数据传输延 迟；，c 代表终端与3 g 网络中的节点( 包括g g s n 、r n c 等) 进行通信的延迟时 间。设坊p 为终端与w i f i 网络通信的传输延迟，d 胁删，为s m 发送请求到 g g s n 所需的延迟时间，即建立通信隧道所需的时间，为r n c 返回消息处 理结果的传输时间，d 栅为m t 断开与w i f i 的连接且未与3 g 网络进行通信的 时间。 4 3 13 g 到w i f i 的切换性能分析 当终端从3 g 网络移动到w i f i 网络覆盖区域时，假设仇为终端从3 g 网络 切换至w i f i 网络所需的切换延迟，则 仇= 坍上k = 以 公式( 4 2 ) 其中，n 表示终端与a p 间交换信息的次数。由于终端与w i f i 网络的a p 进行通信的同时并不立刻断开与3 g 的连接。因此所需的断开并重新连接上a p 的时间是可以接受的。 4 3 2w i f i 到3 g 的切换性能分析 当终端从w i f i 网络移动到3 g 网络中时，使用坡度预测策略根据信号强度 动态地计算信号均值，最后发起决策进行切换。由公式( 3 1 ) n - - f 知该算法的时间 复杂度为酬刀) 。 设见为终端从w i f i 切换到3 g 网络的切换延迟，则 b = d 0 + + d + d 缸公式( 4 3 ) 假设在与w i f i 网络的a p 断开连接后，终端才开始与3 g 网络节点进行通 信，请求建立新的连接，则此时的切换时间变为 见= d k 腓，+ d 岛+ d i 幽c = 2 ，c + d k 公式( 4 4 ) 从上面的式子可以看出，切换延迟的瓶颈就是终端处于无连接状态所消耗 的时间，即在与3 g 网络节点通信过程中所花的时间。 中南大学硕士学位论文第四章3 g 与1 l a n 网络之间的垂直切换研究 4 4 实验结果 本次实验中使用w i n d o w s 作为运行切换程序的操作系统，终端使用h k c 9 0 8 e ，使用t d s c d m a 卡将终端连入3 g 网络，无线a p 采用p e r s o n a l g a t e w a y 。在切换过程中分为两种情况，一种是3 g 切换到w i f i ，另一种是 w i f i 切换到3 g 因此，以下将分别对两种情况分开进行实验并分析结果。 4 4 13 g 到w i f i 的切换 m t 从3 g 网络移动至w i f i 网络覆盖范围，检测到a p 后，m t 发起切换过 程，最后连接上a p 。 由图4 - 5 ( a ) 可以看出，在从3 g 切换至w i f i 后，3 g 网络的流量几乎为o ， 这说明用户在进入w i f i 网络并连接上w i f i 网络的a p 后，不需要再支付3 g 上 网流量的费用。同时，从图4 - 5 ( b ) n - 7 以看出，在切换过程中，采用m v s l p 策 岔 厶 d 岫j 煺 骧 籁 霎 薛 圃 憾 时间( s ) ( a ) 切换前后3 g 流量图 切换时间( s ) ( b ) 丢包率比较 3 2 中南大学硕士学位论文第四章3 g 与w l a n 网络之间的垂直切换研究 台 3 图 艘 辎 恩 实验次数 ( c ) 切换延迟比较 图4 - 53 g 到w i f i 的切换 生能比较 略预测m t 的运行方向并及时发起切换。由于切换过程所消耗时间比p f l v h o 算法少，因此丢包率也相应减少。 图4 - 5 ( e ) 是在相同实验环境中，通过1 0 次实验，m t 从3 g 切换至w i f i 的实验 结果。其中，m v s l p 为本文提出的滑动平均值与坡度预测结合的策略，p f l v h o 为模糊逻辑切换算法。m v s l p 切换延迟平均值比p f l v h o 少4 5 s 。 4 4 2w i f i 到3 g 的切换 m t 离开w i f i 进入3 g 网络，检测到晰f i 信号逐渐减弱后发起切换。 图4 - 6 ( a ) 显示m t 移出w i f i 网络后，3 g 流量开始增加，此时m t 不再使用 w i f i 提供的网络服务，并且m t 所获得的带宽资源也减少了。图4 - 6 ( b ) 贝j j 说明 了与p f l v h o 算法相比，使用平均值预测与坡度预测法后，从w i f i 网络切换 到3 g 网络过程中，切换延迟降低，从而使得由切换引起的丢包率也大为减 少，平均为3 0 ，切换效率得到了提高。 售 量 面 爝 寒 糕 2 2 0 1 5 1 0 眦nd a t a 051 01 52 0 切换时间( s ) ( a ) 切换前后w i f i 流量图 3 3 9 9 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 中南大学硕士学位论文第四章3 g 与w l a n 网络之间的垂直切换研究 褥 圃 峭 切换时间( ( ”丢包卒比较 实验次数 ( c ) 切换延迟比较 图4 - 6w i f i 到3 g 的切换性能比较 图4 - 6 ( c ) 显示了1 0 次m t 从w i f i 切换到3 g 网络的切换延迟的比较。由于 m v s l p 策略计算复杂度低，并进行了有效的预测从而减少了切换延迟。切换 过程的延迟平均为6 s ，而p f l - v h o 平均切换延迟为1 0 s 。可见本文所提算法有 效地减少了切换延迟，保证数据能够被高效可靠地传输。 4 5 本章小结 本文针对3 g 网络与w i f i 网络的切换进行了研究。首先分析了3 g 到w i f i 网络切换的过程，提出了对现有技术的改进措施，并设计了基于背景扫描的可 以提高切换效率的切换策略。然后分析了w i f i 到3 g 网络的切换过程，并提出 了基于b e a c o n 信号预测的切换发起改进策略，在m t 断开与w i f i 连接之前提 前与3 g 节点进行通信，并建立连接从而缩短由于w i f i 连接断开而3 g 连接未 儿他他o j a ；& & z t 6 & & 4 s曹f觳辎尽 中南大学硕士学位论文第四章3 g 与w l a n 网络之间的垂直切换研究 建立所带来的无连接状态的时间。实验结果显示本文提出的两个改进策略在实 际网络环境中取得了很好的应用效果，在3 g 切换与w i f i 的过程中，尽可能地 到达无缝切换的效果，最大程度地缩短了切换延迟。 中南大学硕士学位论文 第五章w i f i 网络中冗余传输策略研究 第五章w i f i 网络中冗余传输策略研究 通过互联网传输数据的不同终端进行通信时，常常会受到网络拥塞状况的 影响。尤其是当移动终端在不同网络间完成切换后，网络状况将发生很大变 化，这时终端的通信质量也将受到很大影响。无论发送端还是接受端，如果不 对数据的发送速率进行控制，不根据网络拥塞程度调整发送策略，则会导致网 络更加恶化。因此，本章将注重从带宽控制及有效利用两个方面入手，研究如 何根据网络状况来调整终端发送策略以提高传输质量。 5 1f e cr e e d s o l o m o n 冗余算法 5 1 1 前向纠错技术 f e c ! 删是目前最看好的一种改善v o l p 中语音质量的冗余编码技术，属于信 道编码。其目的在于保证终端产生的语音数据包能够被正确地传输到目的地 址。因此，f e c 需要对原始数据进行冗余，并将冗余包与音频数据一起传输。 在v o l p 中最简单的前向纠错算法是奇偶校验码。这种方式是每隔拧1 个数 据包就传输一个包含先前刀1 个数据包抑或操作的奇偶检验包。当网络每刀个 数据包只丢失一个包时，可从别的聍1 个数据包重构丢失的数据包。 f e c 技术具有以下几个优点：f e c 不依赖数据包的内容；其次可对丢失的 包进行精确地恢复。缺点是当发生连续丢包时，该技术的效果就很不理想。为 了解决大段的突发连续语音丢失带来的问题，可采用交织技术 6 刀。交织技术不 是真正的丢包恢复技术，因为它不能恢复已经丢失的包。然而这种技术可以减 少丢包带来的影响。交织技术是通过把原始数据分成若干个小的数据包，在发 送前，重新排序这些单元的顺序，使得每个小数据包中都包含来自不同原始数 据的语音帧。当这些混合后的数据包被丢弃时，实际上只是每帧的一些比特被 丢失，对听者产生的影响很小。 交织技术是对编码后的数据进行交织混合的，能很好地降低丢包带来的影 响。由于没有引入额外信息，带宽不会增加。然而当丢包达到一定程度时将导 致诸如话音抖动现象，影响语音质量，乃至让听者无法忍受。因此，本文将在 第4 节中具体描述如何将交织技术与音视频的分包传输结合运用。 5 1 2r e e d s o l o m o n 冗余编码 由于无线网络的传输中存在很多不稳定因素，这将导致接收端的网卡接收 中南大学硕士学位论文第五章w i f i 网络中冗余传输策略研究 到数据后发现数据出现误码，数据包在传输过程中被损坏，网卡就会主动将这 些数据包丢弃。因此，网络丢包现象比起有线传输就会更加普遍。为了提供错 误控制功能，本文使用了f e cr e e d s o l o m o n ( r s ) 编解码器【6 引。r s 码是差错控 制领域中一类重要的线性分组码，具有较强的纠正突发错误和随机错误的能 力，其编解码原理如图5 - 1 所示。发送端使用该算法将要发送的数据进行冗余 计算，将计算结果同原始数据一起发送到接收端。通过动态地调整输入组合参 数0 ，助使得有足够多的数据包到达接收端，从而保证接收端能够利用这些数据 将原始时间还原回来，其中刀为原始数据包的个数，七为使用r s 算法需要进行 冗余的包个数。 i 编码过程 - ；叵回鬻厘递一： 一：二二二一一一一一一一寸。 _ _ r 11 r l 计篙豁位p 屯覃州剿囱 墨笔曩 妲 l 型垩堡堡ll 鍪塑垂堡i 图5 - 1r s 编解码系统原理 正如前面所提到，当一个口数据包通过物理层和数据链路层的传输后，目 的端在收到这个数据包时有可能会产生数据错误。尽管已经有相关的工作使用 信道编码和插值的方式来避免这个错误，然而还是存在某些位错误使得这些方 式失效。本文使用了g i l b e r t e l l i o t 提出的双状态m a r k o v 模型来模拟由于错误码 流导致数据丢包。 假设物理信道包含了两种状态：好的状态( g ) 和坏的状态( b ) 。其中g 状 态的概率为n 矧，b 状态的概率为n 倒。因此，从g 状态转移到b 状态的转 移概率为，从状态b 转移到g 状态的概率为。从而可以得到两种状态 的概率转移矩阵为 = ( 1 - - p g b 。一纠 基于这个模型，当信道处于b 状态的概率为 占：生 + 如 因此，平均误码率( b e r ) 为 b e r = 占( 曰) + ( 1 占) ( g ) 3 7 公式( 5 - 1 ) 公式( 5 2 ) 公式( 5 - 3 ) 中南大学硕士学位论文第五章w i f i 网络中冗余传输策略研究 5 2 冗余传输 由于在互联网上或者无线网络上传输数据时，受到网络带宽的影响或者其 他网络状态的影响，会导致数据在网络上被丢弃。在这种情况下，目前已有相 关研究工作采用f e c 冗余编码的方式传输媒体数据和冗余包。 文献 6 9 1 认为f e c 存在一个缺点，即当有力个数据包丢失时，为了能够恢 复原始数据，发送端需要发送，1 个重复的数据包，当丢包个数大于刀时，其它 数据包都无法播敦。针对这个缺陷，s - h g a r yc h a n 等提出了r e d 流传输策 一略，即发送端除了发送f e c 冗余数据包外，多发几份原始数据。接收端根据自 己当前的处理状态选择这些r e d 数据包，并完成f e c 解包过程。这样做虽然使 得f e c 解码效率提高，但是却浪费了大量的网络带宽资源。基于以上这些研究 工作存在的问题，本文提出了基于概率冗余的传输策略。该策略结合f e c r e e d s o l o m o n 冗余编码算法，根据接收端的反馈结果来决定二元组合伽，动的取 值，使得发送端采用r s 算法编码出足够多的冗余包，从而达到保证接收端接 收到足够的数据进行r s 解码。 。5 2 1 概率冗余策略 多媒体数据包在互联网中传播时经常出现丢包现象，特