（计算机科学与技术专业论文）面向视频传输的ad+hoc网络路由技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 随着无线信道带宽的增加以及移动设备计算能力的增强，无线a dh o e 网络中 的视频应用在不久的将来将可以得到实现。然而，在无线a dh o c 网络中支持视频 应用还存在很多挑战，比如节点的移动性、信道错误或冲突以及窄带宽引起的随 机包丢失，所有这些使得无线a dh o c 网络中的视频通信成为一个挑战性的研究课 题。 多媒体应用需要满足q o s 条件的路由，q o s 路由日益受到重视。由于不精确 的网络信息、带宽的限制以及动态的拓扑结构，在a dh o e 网络中提供q o s 路由是 复杂而且困难的。为了提高网络的稳定性和吞吐量，多径路由协议被提了出来。 发送节点将寻找多条路径，并依照延迟或者带宽，把流量分散到这些路径上。如 果选择多个高度干扰的路径，则用处不大，并且总的可利用带宽也不能精确估计。 基于带宽估计和预留，本文为a dh o c 网络中的多媒体应用提出了一个多径路由协 议。 主题词：无线自组网，视频传输，性能评估，模拟，路由 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ei n c r e a s ei nt h eb a n d w i d t ho fw i r e l e s sc h a n n e l sa n di nt h ec o m p u t a t i o n a l p o w e ro fm o b i l ed e v i c e s ，v i d e oa p p l i c a t i o n sa r ee x p e c t e dt ob e c o m ea v a i l a b l eo n w i r e l e s sa dh o en e t w o r k si nan e a rf u t u r e h o w e v e rt h e r ea r em a n yc h a l l e n g e sf o r s u p p o r t i n gv i d e oc o m m u n i c a t i o no v e rw i r e l e s sa dh o en e t w o r k s ，e g t h em o b i l i t yo f w i r e l e s sn o d e s ，r a n d o mp a c k e tl o s sd u et oc h a n n e le r r o ro rc o l l i s i o na n ds m a l l b a n d w i d 电w h i c hm a k ev i d e oc o m m u n i c a t i o no v e rw i r e l e s s a dh o en e t w o r k sa c h a l l e n g i n gr e s e a r c ht o p i c m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sr e q u i r er o u t e ss a t i s f y i n gq o sr e q u i r e m e n t s ，s om o r ea n d m o r ea t t e n t i o ni sp a i dt oq o sr o u t i n g i ti sc o m p l e xa n dd i f f i c u l tt op r o v i d eq o sr o u t i n g i ns u c hn e t w o r k sb e c a u s eo fi m p r e c i s en e t w o r ki n f o r m a t i o n , i n s u f f i c i e n tb a n d w i d t ha n d d y n a m i ct o p o l o g y f o ri m p r o v i n gn e t w o r ks t a b i l i t ya n dt o t a lt h r o u g h p u t , m u i t i p a t h r o u t i n gp r o t o c o l sa r ep r o p o s e d as e n d e rw i l ld i s c o v e rm u l t i p l ed i s j o i n e dr o u t i n gp a t h s a n dd i s p a t c ht r a f f i ci n t ot h e ma c c o r d i n gt ot h e i rb a n d w i d t ho rd e l a y d i s c o v e r i n ga n d s e l e c t i n gm u l t i p l eh i g h - i n t e r f e r i n gp a t h si si n e f f e c t u a la n dt h et o t a lb a n d w i d t hi sn o t p r e c i s e am u l t i p a t hr o u t i n gp r o t o c o li sp r o p o s e d ，b a s e do nb a n d w i d t he v a l u a t i o na n d p r e s e r v a t i o n k e yw o r d s ：w i r e l e s sa dh o cn e t w o r k ，v i d e ot r a n s m i s s i o n ，p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n ，m u t i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1a dh o c 网络2 图1 2 使用多条路径进行实时多媒体传输6 图1 3 基于反馈的参考图像选择7 图1 4 选择性的a r q 层次化编码方案8 图1 5 s e r i a lm d l m r 1 1 图1 6m r t p 协议栈1 2 图1 7 交叉层框架1 2 图2 1a dh o c 路由协议分类o 1 7 图2 2 节点移动速度的影响2 1 图2 3 背景流量的影响2 1 图3 1f t p 流在不同情形下吞吐量的变化2 9 图3 2 吞吐量2 9 图4 1 警告包的传输3 3 图4 2 抢先区域3 4 图4 3多径抢先路由技术3 5 第1 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我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 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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 何贡献已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目： 学位论文作者签名：日期 学位论文版权使用授权书 年b 月乡日 本文完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本文授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借闲；可以将学位论文的全都或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目： 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： i 么k 乙3 一7 衣。 ) 2 7 ，7 月 月 ，d二 年 年 叩呻 期 期 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 课题研究的背景及面临的挑战 1 1 1a dh o c 网络的概念 近几年来，随着无线网络应用的不断扩大，无线网络通信得到了迅速的发展。 人们可以通过配有无线接口的便携计算机或个人数字助理( p d a ) 来实现移动中 的通信。目前的移动通信大多需要有线基础设施( 如基站) 的支持才能实现。为 了能够在没有固定基站的地方进行通信，一种新的网络技术a dh o c 网络技术 应运而生。a dh o c 网络不需要有线基础设备的支持，通过移动主机自由的组网实 现通信。a dh o c 网络的出现推进了人们实现在任意环境下的自由通信的进程，同 时它也为军事通信、灾难救助和临时通信提供了有效的解决方案。 a dh o c 网络的前身是分组无线网( p a c k e t r a d i o n e t w o r k ) i l 】。早在1 9 7 2 年， 美国d a r p a 就启动了分组无线网项目p r n e t ，研究在战场环境下利用分组无线 网进行数据通信。在此之后，d a r p a 于1 9 8 3 年启动了抗毁可适应网络项目s u r a n ( s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k ) 1 2 j ，研究如何将p r n e t 的研究成果加以扩展，以 支持更大规模的网络。1 9 9 4 年，d a r p a 又启动了全球移动信息系统g l o m o ( g l o b a l m o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 项目【3 j ，旨在对能够满足军事应用需要的、可快速展 开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究。成立于1 9 9 1 年5 月的 i e e e s 0 2 1 1 标准委员会【4 】采用了 a dh o c 网络”一词来描述这种特殊的自组织对等 式多跳移动通信网络，a dh o c 网络就此诞生。i e t f 也将a dh o c 网络称为m a n e t ( 移动a dh o c 网络) p j 。 a dh o c 网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时性自 治系统，移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑。在a d h o c 网络中，当两个移动主机( 如图1 1 中的主机a 和b ) 在彼此的通信覆盖范围 内时，它们可以直接通信。但是由于移动主机的通信覆盖范围有限，如果两个相 距较远的主机( 如图1 1 中的主机a 和d ) 要进行通信，则需要通过它们之间的 移动主机b 和c 的转发才能实现。因此在a dh o c 网络中，每个移动终端兼备路由 器和主机两种功能：作为主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器， 终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护 工作。在a dh o c 网络中，节点间的路由通常由多个网段( 跳) 组成，由于终端的 无线传输范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往要通过多个中间节点的转 发来实现通信。所以，它又被称为多跳无线网、自组织网络、无固定设施的网络。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1a dh o c 网络 1 1 2a dh o c 网络的特点 a dh o c 网络作为一种新的组网方式，具有以下特点。 ( 1 ) 网络的独立性 a dh o c 网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何 地点不需要硬件基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络。它的建立 不依赖于现有的网络通信设施，具有一定的独立性。a dh o c 网络的这种特点很适 合灾难救助、偏远地区通信等应用。 ( 2 ) 动态变化的网络拓扑结构 在a dh o c 网络中，移动主机可以在网中随意移动。主机的移动会导致主机之 间的链路增加或消失，主机之间的关系不断发生变化。在自组网中，主机可能同 时还是路由器，因此，移动会使网络拓扑结构不断发生变化，而且变化的方式和 速度往往都是不可预测的。对于常规网络而言，网络拓扑结构则相对较为稳定。 ( 3 ) 有限的无线通信带宽 在a dh o c 网络中没有有线基础设施的支持，因此，主机之间的通信均通过无 线传输来完成。由于无线信道本身的物理特性，它提供的网络带宽相对有线信道 要低得多。除此以外，考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音干 扰等多种因素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。 ( 4 ) 有限的主机能源 在a dh o c 网络中，主机是些移动设备，如pda 、便携计算机或掌上电脑。 由于主机可能处在不停的移动状态下，有些主机的能源主要由电池提供，因此a d 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 h o c 网络具有能源有限的特点。 ( 5 ) 网络的对等特性 在a dh o c 网络中没有中心控制节点，主机通过分布式协议互联。一旦网络的 某个或某些节点发生故障，其余的节点仍然能够正常工作。 ( 6 ) 生存周期短 a dh o c 网络主要用于短期的通信需求，相对于有线网络，它的生存时间一般 比较短。 ( 7 ) 安全性较差 a dh o c 网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、对等控制等技 术，它更加容易受到窃听、欺骗和拒绝服务等攻击。 1 1 3a dh o c 网络的应用需求 a dh o c 网络的应用范围很广，总体上来说，它可以用于以下场合： ( 1 ) 军事战术网络、数字化部队、坦克群、装甲车队等。 ( 2 ) 没有有线网设施的地方，如没有建立硬件网络设施或有线通信设施遭受破 坏。 ( 3 ) 需要对等特性的网络环境。 ( 4 ) 现有有线网络设施不足，需要临时快速建立一个网络的环境。 ( 5 ) 作为生存性较强的后备网络。 a dh o c 网络技术的研究最初是为了满足军事应用的需要，军队网络系统需要 具有抗毁性、自组性和机动性。在战争中，网络系统很容易受到敌方的攻击，因 此，需要网络系统能够抵御一定程度的攻击。若采用集中式的网络系统，一旦网 络中心受到破坏，将导致整个系统的瘫痪。对等系统可以保证部分网络节点失效 或链路断开时，其余部分还能继续工作。在战争中，战场很难保证有可靠的有线 网络设施，因此，通过网络节点自己组合，组成一个网络系统是非常有必要的。 此外，机动性是部队战斗力的重要部分，这要求网络系统能够根据战事需求快速 组建和拆除。 a dh o c 网络满足了军事网络系统的这些需求。a dh o c 网络采用分布式技术， 没有中心控制节点的管理。当网络中某些节点或链路发生故障，其他节点还可以 通过相关技术继续通信。a dh o c 网络由移动节点自己自由组合，不依赖于有线设 备，因此，具有较强的自组性，很适合战场的恶劣通信环境。a dh o c 网络建立简 单、具有很高的机动性。目前，一些发达国家为作战人员配备了尖端的个人通信 系统，在恶劣的战场环境中，很难通过有线网络机制来完成通信任务，但可以通 过a dh o e 网络来实现。因此，研究a dh o c 网络对军队网络系统的发展具有重要 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的应用价值和长远意义。 近年来，a dh o c 网络的研究在民用和商业领域也受到了重视。在民用领域， a dh o c 网络可以用于灾难救助。在发生洪水、地震后，有线网络设施很可能因遭 受破坏而无法正常通信，通过a dh o c 网络可以快速地建立应急网络，保证救援工 作的顺利进行，完成紧急通信需求任务。a dh o c 网络可以用于偏远或不发达地区 通信。在这些地区，由于造价、地理环境等原因往往没有有线网络设施，a dh o c 网络可以解决这些环境中的通信问题。a dh o c 网络还可以用于临时的通信需求， 如商务会议中需要参会人员之间互相通信交流，在现有的网络通信系统不能满足 通信需求的情况下，可以通过a dh o c 网络来完成通信任务。 这几年，我军开始研究和装备无线移动战术网络，随着移动技术的不断发展 和人们日益增长的移动通信需求，a dh o c 网络会受到更多的关注，得到更快速的 发展和普及。 1 1 4 无线视频编码技术 为了能在时变、带宽有限、误码率高的无线信道上实时传输视频数据，并能 适应用户的异构性特点，视频编码算法必须满足以下要求：具有高效的压缩能力； 很强的误码容错能力；可同时支持带宽、码率等多种扩展形式；低的算法复 杂度；较高的视频质量。视频编码的目标已由过去的面向存储转变为面向网络 传输，低速率编码、容错性编码、多描述编码、可扩展编码就成为近年来无线视 频编码的研究热点 9 2 - 0 6 1 。 1 1 4 1 多描述编码 多描述编码是由一个视频源生成多个码流( 称作对视频源的一种“描述”) ，这 些码流分别在独立的信道上传送【6 1 。在接收端，根据被正确传输码流的不同，选择不 同的解码恢复方案。只要有任一种描述被正确传送到接收端，多描述编解码器就可 以恢复出一定质量的视频信号；如果有多个描述被正确传输，则视频信号的恢复质 量能得以增强。为保证从任一描述可以恢复出一定质量的视频，每个描述都必须包 含足够的视频信息，这也意味着多描述编码方案的编码效率要比单描述编码方案低 许多。这种损失换来的是对误码频繁出现环境下视频信号的鲁棒传输。 1 1 4 2 容错性编码 容错性编码的目的是通过设计编码方法使得压缩后的码流对某些类型的误码 具有容错能力 6 1 。对于易发生误码的无线网络来说，编码结构是否具有一定的容错 能力将直接影响接收端的解码质量。现有的国际标准，如h 2 6 3 、m p e g 4 等都充分 考虑了易发生误码环境中( 如无线移动环境) 视频传输的鲁棒性问题，采取了许多 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 措施，如重同步标记、可逆变长编码、头扩展码和数据分割等来提高编码的容错 性能。 1 1 4 3 可扩展编码 可扩展编码( s c a l a b l ec o d i n g ) 又称为层次化编码，是将视频信息编码成多个不同 性质的码流，其中包括一个基本层和多个增强层 6 1 。基本层提供的是视频信号的基 本信息，可以独立解码恢复出基本质量的视频信号。而增强层提供的是视频信号细 节信息它不可以单独解码，与基本层结合起来可以增强视频的解码质量，如图像 画质、视频帧率等。 1 2 研究现状 在移动a dh o c 网络中支持视频流传输是一个网络研究的热点课题，由于其应 用前景广泛，目前已经引起许多大学以及研究机构的重视。国外的n a t i o n a li n s t i t u t e o f s t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ，u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i aa tb e r k e l e y ，c o m e l lu n i v e r s i t y ， s t e v e n si n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ，v i r g i n i at e c h ，s t a n f o r du n i v e r s i t y 等都在进行相关 方面的研究。国内除微软亚洲研究院外，目前还没有见到相关的研究报告。本节 主要从多径传输、交叉层设计两方面阐述讨论移动a dh o e 网络中支持视频流传输 的研究现状。 1 2 1多径传输 过去在有线网络中研究多径传输是为了获得增强的聚合能力，更好的负载均 衡以及用于错误恢复的路径冗余【7 j 。 移动a dh o c 网络特别的通信环境使得多径传输非常具有吸引力。在移动a d h o c 网络中，单个的链路可能没有足够的能力支持高带宽服务，丢失率较高，并且 链路不可靠。对于移动a dh o c 网络中的视频应用，多径传输可以提供更好的聚合 带宽以及负载均衡。另外，多径传输中固有的路径多样性可提供更好的错误恢复 性能。 在移动a dh o c 网络中支持多径传输存在许多挑战。首先，路由程序要从路由 查询所返回的多条路径中选择出一组最大程度上不相交的路径集。路径中的共享 或者邻近链路使得子流的丢失过程相关，这将会减小使用多径路由所带来的好处。 其次，找到并维护多条路径需要更高的复杂性，并可能导致额外的负载在流量开 销上( 比如接收到更多的路由回复) 。然而，缓存到任一目的地的多条路由可以 迅速响应路由的改变。如果在缓存中找到了一条备份路径，就没有必要发送新的 路由请求。在这种情形下，重路由延迟和路由开销将会被减小。在设计多径传输 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 协议时，这些问题需要仔细考虑。最后，多径传输中固有的一个问题是数据包重 排序所带来的额外延迟和复杂性。 使用多条路径进行实时多媒体传输的大体结构如图1 2 所示【1 1 3 4 】。在该结构 中，多径路由层在源和目的地之间建立k 条路径，每条路径有一组q o s 参数，如 带宽、延迟和丢失概率。传输层持续地监视路径的q o s 参数，并把这些信息返回 给发送者。基于路径质量信息，编码器生成m 个子流。流量分配器在k 条路径间 分发来自子流的数据包。在接收端，来自所有路径的数据包被放入一个重排序缓 冲，经过预设的回放延迟后，它们被重新组装成m 个子流。分配给一条路径的部 分或者所有数据包可能会丢失或延误，丢失的数据包的重传是否被调用依赖于编 码方案以及端到端延迟限制。解码器将尝试从接收到的子流中重建视频序列。 蜀培- 电喇f t 酬b 础 i 王。l 一 ，。t 、 i 一r 一一l $ m 蛆m l 嫩l 一，吖斗。喇l s 豳e 嫩l s l 豫蜘畦 凇l 。笊济凇j s t r u m 2 n 妇酝 二燃二 时 m 礁卜 a 盐氍蜘r 蝴徽g m n l l i - 骶段近k s h 龇 s | 豳蟪m s 啾自譬出s l 碡蒯 s c r e a m d 确簟 i ? ：毯j 1 n 击出i 丝d r 酗甑黼豳 一 一 i l 滴j 1 一_ i = ) 一n 融浏 一 。1 。”、- 。一， i 。 s | 妇n 醐鞠良 图1 2 使用多条路径进行实时多媒体传输 1 2 1 1 多流视频编码 当利用路径的多样性来进行视频传输时，其中的一个挑战是如何产生多个编 码的子流。多流视频编码器应该被仔细设计，使得一个子流的丢失不影响其它子 流的解码。此外，子流之间的这种相对独立性不应该以编码效率的显著降低为代 价来获得。因此，多流编码器应该在编码效率和错误恢复间达到一个良好的平衡。 产生多个视频流的一种简单方法是，以标准方式把视频编码成一个流，然后 把该流分发到多条路径上。例如，发送偶数帧相关的位到一条路径，奇数帧相关 的位到另一条路径。为了完全避免子流之间的依赖性，在一条路径上传送的帧仅 使用相同路径上的帧来预测编码。这种方法事实上是h 2 6 3 + 标准可利用的个选 项视频冗余编码( v r c ) 1 2 】。和相邻帧预测相比，v r c 需要更高的位速率。 这种方法虽然避免了一条路径上的丢失影响到另一条路径上的帧，但相同路径上 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的错误传播仍然存在。 文献【1 3 】提出了基于反馈的参考图像选择( r p s ) 方案。该方案分别编码偶数帧 和奇数帧，参考图像的选择基于反馈和路径状态。当一个帧损坏或丢失时，解码 器返回一个否定的反馈( n a c k ) ；否则返回一个肯定的反馈( a c k ) 。一旦在 条路径上传递的某个帧返回n a c k 消息，则认为该路径保持“b a d ”状态直到收 到一个a c k 消息。同样的，一条路径保持“g o o d 状态直到收到一个n a c k 消 息。在编码一个新的帧的时候，编码器基于接收到的反馈消息，估计路径状态， 推断出最后正确解码的帧，并使用该帧作为参考图像。 图1 3 是使用i 冲s 方案的一个例子。从一个帧出发的箭头指示出编码该帧时 所使用的参考图像。帧4 将编码时，收到了n a c k ( 1 ) ，由于错误的传播，编码 器推断出帧2 和帧3 不能被正确的解码。因此，帧o 被选为帧4 的参考图像，路 径2 被设置成“b a d 状态。当帧6 被编码时，由于路径2 仍处于“b a d 状态，编 码器使用帧4 而不是帧5 作为参考图像。接收到a c k ( 7 ) 后，路径2 转换到“g o o d ” 状态。帧9 被选择作为帧l o 的参考图像。 a c i d )a c i d ) a c 豳( 4 ) a c k ( 6 ) p a t h2 n a c k ( 1 )n a c k 3 )n a c r e 3a e k ( 7 ) 图1 3 基于反馈的参考图像选择 生成多个流的另一种方法是使用层次化编码。层次化编码器编码视频流成多 个层。基础层( b l ) 包含视频帧的最重要信息，保证了基本的显示质量。每个正 确接收到的增强层( e l ) 可以进一步在基础层上提高视频的质量，但如果没有基础 层，将不能被解码。为了更好地保护基础层数据包，文献【1 4 】提出的层次化编码方 案使用有选择性的a r q 。假定层次化视频在两条条路径上传输，流量分配器发送 基础层在一条路径上，增强层在另一条路径上。如果两条路径具有不同的品质， 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 则使用具有较低包丢失率的路径传输基础层。接收者返回有选择性的a r q 请求到 发送者，报告基础层的包丢失。当发送者接收到这样一个请求后，它将在增强层 路径上重传所请求的基础层的包。如图1 4 所示。依照重新分配给基础层重传的带 宽，增强层的位速率将相应地减少。 o o - lb ll 豫c k e t s 亡 e l p a e 囊e t s 豳圆r e t r a m m i t t e db l p a c k e t s 图1 4 选择性的a r q 层次化编码方案 生成多个流的第三种方法是使用多描述编码。多描述编码生成多个同等重要 的描述，解码器可以从每个描述中恢复出一定质量的视频信号。如果有多个描述 被正确接收，则恢复出来的视频信号的质量能得以增强。为了提高多描述编码方 案的编码效率，文献【1 5 】提出了多描述运动补偿方案。该方案通过发送偶数图像作 为一个描述，奇数图像作为一个描述来生成两个描述。编码图像n 时，编码器使 用两种预测：( 1 ) 来自前面两个编码帧( 图像n - 1 和n - 2 ) 的线性重叠的预测，称 为中心预测；( 2 ) 来自同一描述的前一个编码图像( 图像n 2 ) 的预测，称为边 沿预测。然后，编码器为图像n 编码两个预测误差：中心信号( 图像n 和中心预 测的差异) 和边沿信号( 中心预测和边沿预测的差异) 。边沿信号使用粗粒度的 量化器编码，和中心信号相比，它使用较少的位，从中恢复出来的图像质量差一 些。当两个描述都接收到时，接收者使用中心信号解码图像。当一个描述丢失时， 仅使用接收到的边沿信号恢复出较低但可接受质量的图像。 1 2 1 2 多径路由 多径路由对于移动a dh o e 网络中的视频通信应用是非常有效的，因为多条路 径上的连接比单条路径更不容易断开，这样就可以获得更平滑的视频传递。 许多为移动a dh o e 网络设计的路由协议都是多径路由协议，比如t o r a ( t e m p o r a l l yo r d e r e dr o u t i n ga l g o r i t h m ) 0 6 ，文献【l 刀中基于票据的q o s 路由机制， 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 d r e a m ( d i s t a n c er o u t i n ge f f e c ta l g o r i t h mf o rm o b i l i t y ) i l 引。另外，许多其它协 议可以被扩展成多径路由协议。比如d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 【引、a o d v ( a d h o eo n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o b t i n g ) 9 雨( ! z r p ( z o n er o u t i n gp r o t o c 0 1 ) e 1 0 1 。 动态源路由( d s r ) 是一个按需源路由协议，端到端路径信息包含在数据包 的报头中。d s r 可以为通信对获得多条路径，但由于r r e q 包的副本在中间结点 被丢弃，这些路径是高度相关的，因此不适合多径视频流。 分割多径路由( s m r ) 1 1 9 】是对d s r 进行多径扩展中最著名的一个。在路由查 询过程中，s m r 使用改进的r r e q 包泛洪方案。目的节点返回两条路径，一条是 最短路径，另一条是和最短路径最不相关的路径。 文献【2 0 】提出了r m p s r ( r o b u s tm u l t i p a t l ls o u r c er o u t i n g ) 协议。r m p s r 是d s r 的一个多径扩展。r m p s r 利用了其它多径路由方法的优良特性，并应用了一些新 规则来满足视频通信应用的需求。r m p s r 设计的主要设计目标是减小由于网络拓 扑结构变化导致的视频数据包丢失。 在r m p s r 中，如果两条路由的共享结点数和较短路由结点数的比值小于一个 给定的阈值，则认为两条路由是几乎不相交的。一个路由集由一个主路由和数个 可选路由组成。主路由连接源结点和目的结点，可选路由连接中间结点和目的结 点。可选路由和主路由中相应的连接相同起始点和端结点的子路由，要求是几乎 不相交的。如果两个路由集中相应的主路由是几乎不相交的，则认为这两个路由 集是几乎不相交的。 r m p s r 使用改进形式的r r e q 包转发方案，在目的结点构建多个几乎不相交 的路由集，并把主路由返回给源结点，可选路由返回给相应的中间结点。视频包 被逐包分发到两个主路由上。当一个主路由中断时，相应的中断链路的中间结点 发送r e r r 包到源结点。源结点收到r e r r 包后，从它的路由缓存中移除中断的 主路由，并把发送转换到另一条主路由上。 为了更好的支持视频应用，引入了三种新方案： ( 1 ) 当发送路由中断时，相同路由集的可选路由用于抢救中间路上的数据包。 这种方案增大了视频包的传递率，而不需要重传。 ( 2 ) 当发送者的路由缓存中只剩一条主路由时，触发新的路由过程。这种方 案减少了临时的网络中断数目，由于每一个临时网络中断可能导致视频回放的停 滞，所以这种方案以额外的控制开销提高了视频性能。 ( 3 ) 为了减轻网络中的路由开销，每个结点都配置r m p s r 和d s r 。视频流 量被给予较高的优先级，使用r m p s r ；其它流量使用较低的优先级，使用d s r 。 当网络中数据流量数目增加时，这种方案有利于维持视频应用的高质量。 组播对于许多视频应用是一种必不可少的技术，比如视频会议、视频分发。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 和多个单播会话相比，组播可以显著的节省带宽。目前，在移动a dh o c 网络中进 行组播视频通信的研究还比较少。 文献1 2 1 j 提出了s e r i a lm d t m r ( s e r i a lm u l t i p l ed i s j o i n tt r e e sm u l t i c a s tr o u t i n g ) 协议，通过多树组播通信来为视频组播应用提供鲁棒性。s e r i a lm d t m r 首先构造 一个最短路径组播树，在要求第一棵树的中间结点不能成为第二棵树的中间结点 后，然后构造另一个最短路径树。由于这两棵树根本不共享中间结点，所以它们 是结点不相交的。 当组播源要发送数据包时，它触发一个两个步骤的组播树建立刷新过程。第 一步，源向整个网络广播j o i nr e q u e s t 消息，消息中包含树的d 。当一个结点 接收到非副本的j o i nr e q u e s t 消息后，它存储上行数据流结点i d ，并再次广播 该包。当j o i nr e q u e s t 消息到达一个组播接收者，接收者在它的m e m b e rt a b l e 中创建或更新源条目。接收者然后通过反向最短路径向组播源发送一个j o i na c k 消息。反向路径上的中间结点接收到非副本的j o i na c k 消息，它将更新转发表 中相应的转发状态，并转发消息给它的上行结点。在一棵树的建立周期中，该树 的中间结点仅转发j o i na c k 消息一次。 组播源在接收到第一个j o i na c k 消息后，等待一个短的时间周期，然后广 播另一轮的j o i nr e q u e s t 消息，确保两棵树的不相交性。当一个结点接收到非 副本的j o i nr e q u e s t 消息时，如果它不是第一棵树的中间结点，就转发包。当 j o i nr e q u e s t 消息到达一个接收者，接收者返回一个j o i na c k 消息到组播源， 建立起第二棵树。 整个树的建立过程如图1 5 所示。短划线给出了网络的拓扑结构，箭头标出了 两棵树。不是用来建立组播树的额外控制包，没有在图中给出。第一步，s e r i a l m d t m r 建立第一棵树，结点2 、4 、5 是中间结点。第二步，结点2 、4 、5 丢弃 它们接收到的任何j o i nr e q u e s t 消息，不参与第二棵树的建立。第二棵树的中 间结点是结点1 和3 。 应用层协议在每个数据包的报头设置一个树标志，来指示数据包应该被发送 到哪棵树。中间结点接收到一个数据包，将检查成员表、转发表和消息缓存来决 定它是否应该转发该数据包。每个数据包沿着相应的树从发送者到接受者流动， 但可以通过树泛洪或者转发组泛洪的方式，使得数据包的发送并不局限于树中预 设的分支。例如在图1 5 ( a ) 中，如果结点2 和5 之间的链路中断，结点5 收到 了来自结点4 的数据包，由于结点4 和5 在同一棵树中，结点5 将继续转发数据 包到接收者3 。这样，即使一些链路中断了，数据包的丢失也可以避免。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 t o ) 图1 5s e f i a lm d t m r 文献【9 1 】提出了一个a dh o e 多径流协议a m t p 用于多媒体传递。和q o s 多径 路由协议结合，a m t p 可以准确地区分由于不同网络条件导致的包丢失，它对实 时多媒体应用执行正确的错误控制和资源分配很有用。它选择多个具有最好q o s 的最大不相交路径来最大化总的端到端吞吐量。在路径中断情形下，a m t p 可以 无缝地切换到一个合适的路径，因此维持了高的流质量。 1 2 1 3 用于多径传输的传输层协议 对于a dh o e 网络的实时多径传输，文献【2 2 2 3 1 提出了一个新的协议多流实 时传输协议( m r t p ，m u l t i f l o wr e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 。m p t p 和它的配对 控制协议m r t c p 为多径实时传输提供必要的支持，包括会话和流管理、流量划分、 时间戳、顺序编号以及q o s 反馈。m r t p m r t c p 是r t p r t c p l 3 5 】的一个扩展，它 利用了多径传输实时多媒体数据所带来的好处。同时，它也是对s c t p e 3 6 】的补充， 提供了支持多媒体服务所必需的功能和适应性。m r t p 虽然是在a dh o c 网络中提 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 出，但它也同样适用于提供流媒体服务的其它类型i p 网络。 使用m r t p 的协议栈如图1 6 所示。m r t p 使用切) p 的数据报服务来进行实 时传输，t c p 被m r t c p 用于所有流和会话的管理通信，u d p 被用于m r t c p 的 q o s 报告。下面的多径路由协议维护从源到目的地的多条路径。 多媒体应用 m r t pm r t c p u d pt c p i p v 4 i p v 6 ，多径路由 1 2 2 交叉层设计 图1 6m r t p 协议栈 斯坦福大学的无线系统实验室提出了一个交叉层框架，用于设计支持视频流 的a dh o c 网络【2 4 2 5 1 。该框架包含协议栈的所有层，如图1 7 所示。在物理层，自 适应的链路层技术在单个的无线链路上调整传输速率，并把该信息提供给m a c 层，用于动态容量分配。m a c 层依照网络层拥塞优化的多径路由解决方案来对不 同的流进行资源分配。基于网络层和m a c 层的联合优化，在传输层和应用层应用 智能的包调度和错误恢复的源编码来进一步提高视频传输的质量。围绕该框架， 斯坦福大学的无线系统实验室展开了一系列的研究。 le o r - r e s i h mi l $ o u i i c ec o d i n gl l a n dp a c k e f l z a o n i c o n g e s t i o n o p t i m i z e d m u p a l hw o u t j n g c a p a c i t ya s s i g n m e n t f o rm u l t i p l es e r v i c e c l a s s e s i l i n k s t a r , k d a p l j v ol i n k l 驴rh c h n t q u e s 图1 7 交叉层框架 l i n k e q a c l u e s 第1 2 页 厂、 嚣砌舢 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 文献【2 啦7 】给出了一个视频失真模型，用于描述编码器的性能以及网络拥塞对 接收的视频的质量的影响。在该模型的基础上，提出了一个拥塞优化的多径路由 算法，该算法可以找到多条路由，并执行优化的流量划分，最小化全局拥塞。 文献【2 8 】中分析了在应用层和传输层之间信息共享的好处。应用层依赖于在传 输层收集的统计数据和视频失真模型来选择优化的运行质量，传输层执行拥塞失 真优化的调度来最大化接收到的视频质量。包调度器通过选择合适的传输策略， 努力最小化端到端延迟开销以及视频失真。由于该调度算法显著地降低了端到端 延迟，因此在整个网络中引入了较少的拥塞。 文献【2 9 】中提出了一个优化的速率分配和路由的框架，并给出了在源和目的地 之间的多条路径中执行优化的速率分配的解决方案，使得满足给定的端到端延迟 约束的包的比例达到最大。 文献1 3 0 中提出了联合考虑源编码器的性能以及网络拥塞的影响，最小化传输 媒体的端到端失真的速率分配方案。该方案基于编码器视频失真和网络拥塞的简 单模型，在多条路径上对一组视频帧进行优化的速率分配。 文献1 3 7 】在多个视频源间提出了一个动态的速率分配机制。在总速率符合 8 0 2 1 1 介质访问特性要求以及每个发送者使用经由选择的路由的条件下，该速率 分配算法最小化了所有源的视频失真的加权和。优化在视频流公有的接收端进行， 决策基于一个简单的速率失真模型和一个用于分类原始视频内容活跃级别的快速 算法。实验结果证明，所提的方案优于简单的固定质量的方案以及传统的t c p 友 好的速率控制。 美国国家标准和技术协会( n i s t ) 的无线通信技术组在研究a dh o c 网络上传 输实时多媒体信息的项目中，为了提高视频接收的质量，提出了交叉层反馈控制 机n t 3 1 ，3 2 ，3 3 1 。该机制基于从网络层到应用层的一种交叉层反馈，使应用层适应动态 改变的网络拓扑结构。 该机制的工作原理是：传输路径的信息，比如跳数、链路中断的发生，可以 给源结点提供有价值的信息。每次源结点要发送包时，源节点首先检查路由表项 目，获得从源到目的地的跳数。如果目的结点不在表中，源结点可以通过初始化 一个路由请求，建立一条到目的地的新路由来获得相应的跳数。当路由改变时， 由于链路中断导致的路由错误消息将被发送给源结点。源结点使用路由错误消息 的接收或者路由请求的初始化作为路由改变的指示，因而它将相应地改变它的传 输速率和编码策略。 对于无线a dh o e 网络上的多描述视频传输，v i r g i n i at e c h 的s h i w e nm a o 等 在文献【3 s , $ 1 1 q b 提出了一个有效的基于遗传算法的多径路由方法。多径路由被表示 成一个受约束的组合优化问题，目标是最小化接收到的视频的失真。该问题是n p 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 难的，而遗传算法能有效地解决这类复杂的交叉层优化问题。模拟结果显示，相 对于传统的以网络为中心的多径路由方法，通过该方法所获得的视频质量有显著 的提高，这主要是因为该方法对应用层尺度( 如视频失真) 进行了优化。在后续 的研究中，该方法被扩展到支持多个并发视频会话【3 9 】以及多描述视频的组播【4 0 】。 s a s t r yk o m p e l l a 开发了以r l t ( r e f o r m u l a t i o nl i n e a r i