（信号与信息处理专业论文）基于可分级编码的无线mesh网络视频传输研究.pdf

南京邮电人学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 无线m e s h 网络( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，w m n ) 是一种新型的宽带高速无线多跳网 络，它融合了w l a n 和a dh o e 网络的特点，具有很高的可靠性和灵活性。多媒体是它的 主流业务，如何在w m n 中可靠地传输宽带视频业务是一个值得研究的课题。 目前，t 组织将可分级视频编码( s c a l a b l ev i d e oc o d i n g ，s v c ) 作为h 2 6 4 标准的 扩展，以更好地适应视频信号的网络传输需求。本文考虑到h 2 6 4 s v c 优越的编码性能和 灵活的可分级性技术，是解决视频在w m n 中可靠传输的有效措施之一。结合w m n 的网 络特性、传输协议和可分级编码的特点，采用两种跨层设计方案，以提高w m n 中压缩视 频流的传输质量。 第一种方案是借鉴自下而上的跨层设计方法，利用i e e e 8 0 2 1 l m a c 层的a c k 应答帧 对发送端m a c 层的收包率进行统计，通过统计结果来估计信道误码状况，并根据信道估 计来调整分级视频的传输，以达到分级视频与信道状况大致匹配的目的，优化视频传输效 果。通过n s 2 仿真实验验证了该信道估计方法的可行性：在此基础上综合考虑视频传输的 q o s 参数，得到最佳的匹配方案；根据该方案进行视频传输测试，仿真实验获得的数据初 步证明了该方法对视频传输质量的改善。 第二种方案是借鉴自上而下的跨层设计方法，考虑将分级编码中不同层次数据的重要 程度，与8 0 2 1 l ee d c a 协议中提供的q o s 优先级相结合，采取一种针对分级视频传输的 跨层映射方案，使重要性不同的层次的数据对应不同优先级的信道接入参数集，从而实现 对分级视频的不等保护，提高了视频在w m n 中传输的可靠性。通过对不同序列在不同拓 扑环境下的n s 2 仿真实验，验证了该方案在保护重要数据方面的有效性。 论文还对两种方案的结合进行了初步的分析和实验，为今后进一步的研究打下了良好 的基础。 关键词：无线m e s h 网络h 2 6 4 可分级视频编码跨层n s 2 南京邮电人学硕士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w m n ) i san e wb r o a d b a n dm u l t i h o pw i r e l e s sn e t w o r k 谢t l ll l i 曲 s p e e d ，w h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g eo fw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r ka n da dh o cn e t w o r k i t h a st h ec h a r a c t e r i s t i co fr e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y m u l t i m e d i aw i l lb et h ed o m i n a n tt r a f f i co f w m n t h e r e f o r e ，h o wt ot r a n s p o r tv i d e ot r a f f i cr e l i a b l yi nw m n i sas u b j e c td e s e r v e dr e s e a r c h a tp r e s e n t tg r o u pi sd e v e l o p i n gt h es c a l a b l ev i d e oc o d i n g ( s v c ) a st h ee x t e n t i o no f h 2 6 4 a v ci no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ft r a n s p o r t i n gv i d e oi nn e t w o r kb e t t e r t m s t h e s i sc o n s i d e r st h a th 2 6 4 s v ci so n eo ft h ee f f e c t i v em e a s u r e st os o l v et h ev i d e ot r a n s m i s s i o n i nw m n 、析mi t ss u p e r i o rc o d i n gp e r f o r m a n c ea n df l e x i b l es c a l a b i l i t yt e c h n i q u e s i ta d o p t st w o c r o s s - l a y e rs c h e m e si n c o m b i n e dw i t hw m np r o p e r t y , t r a n s m i s s i o np r o t o c o l sa n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fs v ci no r d e rt oi m p r o v et h et r a n s m i s s i o nq u a l i t yo fc o m p r e s s e dv i d e oi n w m n r e f e r r i n gt ot h eb o t t o m - u pc r o s s l a y e rd e s i g ni d e a , t h ef i r s ts c h e m ee s t i m a t e sc h a n n e l c o n d i t i o nb yc o m p u t i n gt h er e c e i v er a t eo ft h em a c l a y e ru s i n gt h ea c k n o w l e d g ef r a l n eo fi e e e 8 0 2 11m a c l a y e r ，a n dt h e na d j u s tt h et r a n s m i s s i o nl a y e ro ft h es c a l a b l ev i d e oi no r d e r t om a t c h t h ec h a n n e lc o n d i t i o n i tp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o db yn s 2 s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，a n dg e t st h eb e s tm a t c h i n gs c h e m ea c c o r d i n gt ot h eq o sp a r a m e t e r so f v i d e ot r a n s m i s s i o n 砀er e s u l to ft h es i m u l a t i o np r o v e st h ei m p r o v e m e n to ft h eq u a l i t yo fv i d e o t r a n s m i s s i o np r e l i m i n a r i l yb yu s i n gt h i ss c h e m e r e f e r r i n gt ot h et o p - d o w nc r o s s - l a y e rd e s i g ni d e a , t h es e c o n ds c h e m ec o m b i n e st h eq o s s u p p o r to f8 0 2 1lee d c ap r o t o c o l 、析t ht h ed i f f e r e n ti m p o r t a n c eo fs c a l a b l ev i d e oc o d i n gl a y e r s i ta d o p t sac r o s s l a y e rm a p p i n gs c h e m et os c a l a b l ev i d e ot r a n s m i s s i o n ，m a k i n gd i f f e r e n tl a y e r i n t e r r e l a t i n gw i md i f f e r e n tc h a n n e la c c e s sp a r a m e t e rs e t sw i t hd i f f e r e n tp r i o r i t y , i no r d e rt o r e a l i z eu n e q u a lp r o t e c t i o no fs c a l a b l ev i d e o b yn s 2s i m u l a t i o nw i t l ld i f f e r e n ts e q u e n c e si n d i f f e r e n tt o p o l o g i e s ，i tp r o v e st h a tt h i ss c h e m eh a v ee f f e c t i v er e s u l ti np r o t e c t i n gi m p o r t a n td a t a a tt h ee n do ft h et h e s i s ，i td o e ss o m ep r e l i m i n a r y a n a l y s i s a n ds i m u l a t i o nt o t h e c o m b i n a t i o no ft h e s et w os c h e m e s ，w h i c hb u i l du pf o u n d a t i o no ft h er e s e a r c hi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，h 2 6 4 ，s c a l a b l ev i d e oc o d i n g ，c r o s s l a y e r , n s 2 南京邮电大学学位论文原创t 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 教育机构酌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：瘛日期：兰! 星：堑：丝 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、缩印或其它复制手段保存论 文。本文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：挞 导师签名： 研究生签名：茎丛 导师签名： 衄嗍埠乜兰 南京邮电大学硕十研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着人们对网络通信需求的不断提高，人们希望不论何时、何地、与何人都能够进行 快速、准确的通信，为了提高工作效率，并且克服现有通信系统的缺点，达到通信“无所 不在”，人们提出了一种新型的宽带无线网络结构一无线m e s h 网( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ， ) 。 w m n 是一种新型宽带接入网络，它融合了无线局域网( w l a n ) 和a dh o e 网络的优 势。它通过移动用户之间的白组织网络扩展了传统w l a n 的覆盖范围，同时，通过部署 的m e s h 骨干网改善了a dh o e 网络的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 。由于w m n 的多 跳连接可以为用户提供真正的无处不在的连接，具有容量大，速率高，且组网灵活和初始 建造代价低等特点，已成为下一代无线网络的热点技术之一【l 】。 伴随着网络的飞速发展，以及各种移动终端的普及，使人们对移动办公的要求越来越 高，人们使用各种移动终端从事多媒体交流已经成为一个必然的发展趋势，而无线视频业 务的提供又是无线多媒体服务的一个重要组成部分。视频会议、视频点播、视频监控、远 程医疗、抢险救灾、物流安全、现场报道、网上聊天、可视咨询等层出不穷的视频业务都 将采用无线业务的提供方式，这将大大的增加服务的方便性和灵活性。因此在无线m e s h 网中提供视频及多媒体应用业务也成为无线m e s h 网络发展的趋势。 近些年来，为了解决视频数据传输量大与网络带宽受限这一对矛盾，使得视频编码技 术飞速发展，新的高效率的视频编码技术层出不穷。h 2 6 4 编码技术就是当下最新的视频 编码技术标准，它能够比h 2 6 3 节约5 0 左右的比特率，具有高于m p e g 2 标准2 3 倍 的压缩性能，因而得到各领域的广泛关注和应用。 由于视频终端的多样性和网络带宽的波动性，市场对视频的可分级编码和传输的能力 的要求越来越广泛和强烈。国际标准组织i s o i e c 和i t u t 联手组建的视频联合工作组 ( j o i n t v i d e o t e a m ，t ) 对可分级视频编码( s c a l a b l e v i d e oc o d i n g ，s v c ) 技术进行了 研究。2 0 0 5 年，在香港举行的t 会议上，t 编码组在h 2 6 4 a v c 工作草案( 第一版) 提出了一种新的精细粒度可分级( f i n eg r a i ns c a l a b l e ，f g s ) 实现技术，并把s v c 定义为 h 2 6 4 m p e g - 4 a v c 可s c a l a b l e 扩展部分的延续。2 0 0 5 年1 月，i s o 的m p e g 组织和i t u 的v c e g 组织也一致同意把s v c 技术作为h 2 6 4 m p e g - 4a v c 标准的改进( a m e n d m e n t ) 继续推动下去。s v c 不仅很好地支持了空问上的分辨率的可分级，时间轴上的帧率可分级 堕室坚皇奎兰堡堡塑生兰垡堡窒 釜二皇堕堡 以及质量上的粗粒度可分级( c o a r s eg r a i ns c a l a b l e ，c g s ) 、f g s 和中粒度可分级( m e s a g r a i ns c a l a b l e ，m g s ) ，而且也可以支持不同类型可分级的混合出现。以h 2 6 4 为基础并 且融合了先进的分级技术使得s v c 对现有网络传输条件具有更强的自适应能力。 相对于提供传统业务的服务而言，在无线m e s h 网中传输视频业务有诸多方面的不同， 如视频数据的传输需要消耗大量的带宽，如果是实时视频业务还要对迟延有严格的要求。 相对于传统有线网络，无线m e s h 网又存在着易受干扰，差错率高等无线网络共有的问题。 此外，在i n t e m e t 环境下造成视频传输延时的主要原因是网络拥塞，而在无线m e s h 网中的 传输延时则主要由无线信道的误码率以及m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r o l ，媒体接入控制) 层 的协议机制决定。和i n t e r n e t 网络相比，无线m e s h 网视频业务传输过程中的丢包模式及其 主导因素也不完全相同。因此针对无线m e s h 网络自身的特点以及视频业务的需要，如何 解决恶劣无线环境下网络资源的利用，以便能够尽最大可能弥补由于丢包给视频造成的破 坏，传输质量优良的视频业务，就成为一个研究的热点和难点。 在无线网络中为视频传输提供端到端的q o s 保证的方法大致可以分为两大类：基于网 络的解决策略和基于终端的解决策略1 2 【3 】。目前，有关基于终端的解决策略研究得很多， 这些工作都是集中在应用层的q o s 控制上，其中差错控制是最为流行的应用层方法，利用 这些方法来处理无线衰落信道中传输视频业务时的丢包和延迟。这些机制大致可以分为四 类：前向纠错编码( f e c ) 、反馈差错控制、编码端的误码控制和解码端的误码掩盖1 4 1 【5 1 。 然而，仅仅研究应用层的抗误码策略是不够的，近年来在国外，许多研究机构和学者将跨 层设计的原理引入到无线视频传输中来1 6 】，这就解决了过去的由于应用层的编码器优化和 网络协议的相互支持不足的若干问题，以保证网络的最佳资源利用率和视频业务的q o s 需 求【刀 s l 。 目l j i 国内外的研究主要集中在i p 网络和传统无线网络中的视频传输，对无线m e s h 网 络中采用分级的视频传输研究的相对较少。作为江苏省高校基础研究项目( 0 7 k j a 5 1 0 0 6 ) ： 移动多媒体m e s h 网络架构及其q o s 自适应控制体系研究的一部分，本文从无线m e s h 网络 的下层传输特性和视频可分级编码的特点考虑，利用跨层的思想将两者相结合来改善无线 m e s h 网络中的视频传输质量。 1 2 本文主要工作及组织结构 本文主要针对无线m e s h 网和h 2 6 4 分级视频传输特点，进行以下研究工作： 1 ) 学习了无线m e s h 网络的结构、特点和它所使用的m a c 协议，了解了h 2 6 4 s v c 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 的相关技术，并结合分级编码和无线m e s h 网络的特点，分析视频传输中跨层设计的思想。 2 ) 在学习n s 2 仿真软件的基础上，实现了仿真真实视频流在w m n 中的传输，以及 m a c 层的定时反馈。 3 ) 根据自下而上的跨层设计思想，采取一种信道估计方法，针对8 0 2 1 1 的m a c 层 协议的特点，从收到a c k 帧的统计上来计算在m a c 层上的数据包接收率，进而估算信道 误码情况，通过n s 2 仿真实验验证该方法的准确性和稳定性。 4 ) 在对信道误码状况估计的基础上，结合分级视频传输的质量与延迟，选择最佳的 匹配方案，在n s 2 中周期性地根据信道估计结果调整分级视频的传输，使传输的分级视频 与信道的状况相适应，达到优化视频传输的目的。 5 ) 根据自上而下的跨层设计思想，针对分级编码不同层次的重要程度，采取一种应 用层发起的、m a c 层响应的q o s 跨层映射方案，对不同优先级的数据采用不同的信道接 入参数，首要保证重要数据在无线m e s h 网中的正确传输。通过仿真实验将该映射方案与 8 0 2 1 l ee d c a 协议和8 0 2 1 1 d c f 协议进行了比较，证明了该方案在保护重要数据方面具 有更好的性能。 本文的主要结构如下： 第一章为绪论，主要介绍本文的研究背景、主要工作及组织结构； 第二章首先主要介绍了无线m e s h 网络的结构及特点，然后对视频数据在无线m e s h 网络中传输所面临的问题进行了分析，最后介绍了8 0 2 1 1 协议和e d c a 协议； 第三章对h 2 6 4 标准分层结构进行了简要的介绍，主要分析了它的网络适配层的结构 以及视频编码层的错误恢复措施，在此基础上重点介绍了h 2 6 4 可分级编码技术； 第四章针对本文中网络仿真环境的建立，对所涉及的n s 2 仿真软件中的相关构件进行 了简要说明，主要包括无线网络搭建、误差模型的插入、应用程序和定时器的使用。 第五章引入了跨层设计的思想，并首先分析了本文的自下而上的跨层设计方案。该方 案通过统计发送端m a c 层的收包率来估计信道状况，并根据信道估计信息自适应调整分 级视频传输。在仿真实验之前对如何在n s 2 中仿真真实视频传输和如何实现定时反馈进行 了分析。最后在n s 2 平台上进行仿真实验并分析实验结果。 第六章结合分级编码的特点和m a c 层对q o s 的支持，分析了本文的自上而下的跨层 映射方案，并在n s 2 平台上进行仿真实验，对结果进行分析。最后还对两种方案的结合进 行了初步的分析和实验。 第七章对全文做出总结，分析了文中方法的局限性，并提出了下一步工作的方向。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线m e s h 网络及其m a c 协议 第二章无线m e s h 网络及其m a c 协议 无线m e s h 网络作为因特网的无线版本，它所承载的业务种类繁多，其中多媒体业务 是它的主流业务。然而，作为一种新型的无线网络架构，它的特点决定了在该网络中传输 视频业务面临着很多困难和挑战。本文研究的目的就是从网络下层的特性和视频本身的特 点出发，来改善视频在w m n 中的传输质量。本章将介绍本文中所涉及的w m n 的相关背 景知识，为后面的分析提供理论基础。 2 1 无线m e s h 网络简介 2 1 1 无线m e s h 网络的定义 无线m e s h 网，即无线网状网，是一种分布式的多跳网络。它是从移动a dh o c 网络分 离出来，并承袭了部分无线局域网技术的新的网络技术。w m n 作为一种新型的宽带无线 网络结构，一种高容量、高速率的分布式网络，它与传统的无线网络有较大的差别。在网 络拓扑上，w m n 与移动a dh o e 网络相似，但网络大多数节点基本静态不移动，拓扑变化 较小；在单跳接入上，w m n 可以看成是一种特殊的w l a n 。因此，w m n 可看成是一种 w l a n 和a dh o c 网络的融合，且发挥了两者的优势。w m n 的业务主要来自因特网，宽 带多媒体通信业务是它的主要业务之一，w m n 的设计目标是提供高质量、稳定的i n t e m e t 接入服务，更关心网络的吞吐量、带宽等服务质量的保证【9 】【1 0 】。 2 1 2 无线m e s h 网络的结构 一般来讲，w m n 由客户节点、m e s h 路由器节点和网关节点组成。但根据网络具体配 置的不同，w m n 不一定包含以上所有类型的节点。m e s h 客户节点可以是笔记本电脑、 p d a 、无线传感器或控制器等。m e s h 路由器可以是普通的p c ，也可以是专用的嵌入式系 统等。 在w m n 中，由m e s h 路由器互连构成无线骨干网，其移动性很小，他们提供w m n 与其他网络( 如i n t e m e t 、蜂窝网、基于i e e e 8 0 2 1 1 的无线局域网、基于i e e e8 0 2 1 5 的无 线个域网、基于i e e e8 0 2 1 6 的无线城域网和无线传感器网络) 连接的网关和路由功能。 与传统的无线路由器相比，无线m e s h 路由器除传统无线路由器功能外，还有额外的路由 功能来支持m e s hn e t w o r k i n g ：可以通过无线多跳通信，以低得多的发射功率获得同样的无 4 南京邮电大学硕上研究生学位论文第一二章无线m e s h 网络及其m a c 协议 线覆盖范围。m e s h 路由器通常具有多个无线接口( 基于相同的或不同的无线接入技术构 建) ，进一步提高m e s h 网络的可分级性。 m e s h 客户节点也有可能分为两类：一类是普通的w l a n 客户节点，这类节点不具有 移动a dh o c 网络典型意义下的信息转发功能，只作为普通终端设备接入网络；另一类节 点既具有普通节点的接入功能，又具有路由和信息的转发功能，即兼具了无线路由器的功 能。 若根据节点的不同功能，w m n 的网络结构分为三类【1 2 】：客户端m e s h 结构、骨干 m e s h 结构和混合结构。若按结构层次，网络又可分为：平面结构、多级结构和混合结构。 其本质上是相似的，客户端m e s h 结构就是一种平面结构，而骨干m e s h 结构就是一种多级 结构。 ( 1 ) 客户端m e s h 结构 客户端m e s h 结构是由m e s h 终端组成的在用户设备间提供点到点服务的w m n 。客户 端组成一个能提供路由和配置功能的网络，支持用户的终端应用。这种结构适用于节点数 目较少且不需要接入到核心网络的应用场合。由于组成此网络的各节点不需要有网关或中 继功能，所以这种无线网络中无需m e s h 路由器。此网络结构中，任意节点发出的数据包 可以经由多个节点的转发抵达目的节点，虽然节点不需要有网关和中继功能，但路由和自 组织能力是必须的。这种网络结构中的客户端通常只使用一种无线技术。其基本的网络架 构如图2 1 所示。 m e s h 终端 图2 1 客户端m e s h 结构 ( 2 ) 骨干m e s h 结构 骨干m e s h 结构是由m e s h 路由器组成一个可以自配置和自愈的链路来充当骨干网，通 过m e s h 路由器的网关功能与因特网相连，并为客户端提供接入服务。这种网络结构下，普 通客户端和已有的无线网络可以通过m e s h 路由器的网关或中继功能接入w m n 。如图2 2 5 塑塞些皇奎兰堡婴塑竺兰垡堡茎 笙三兰垂垡坚! 塑塑垒墨茎竺竺丝坚 中所示，虚线和实线分别表示无线和有线连接，使用包括i e e e8 0 2 1 l 在内的多种无线技 术，具有以太网接口的普通客户端通过以太连接接入m e s h 路由器。如果普通客户端具有 与m e s h 路由器相同的无线技术，则可以直接建立通信；若所用的无线技术不同，则不同 的客户端需要先接入具有以太接口的基站再与m e s h 路由器相连。 路由器 、勾 m e s h 终端 图2 2 骨干m e s h 结构 ( 3 ) 混合结构 如图2 3 所示，m e s h 客户端可以通过m e s h 路由器接入骨干m e s h 网络，也可以通过 其他m e s h 终端接入。这种结构提供了与其他一些网络结构的连接，如因特网、w l a n 、 w i m a x 、蜂窝和传感器网络。同时，客户端的路由能力可以为w m n 增强连接性和扩大 覆盖范围。这种混合型的结构是最具有应用价值的连接方式。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线m e s h 网络及其m a c 协议 2 1 3 无线m e s h 网络的特点 图2 3 混合结构 ( 1 ) 广覆盖 在无线m e s h 网络中，由于节点间距很短，每个节点只需要保持较低的发射功率就可 以建立连接，这意味着用户的加入不像无线局域网那样受发射功率的影响。同时，较短的 节点间距也意味着传输受障碍物阻挡的可能性降低，便于采用视距和准视距传输。对于网 络边缘或因障碍物阻挡形成的通信盲区，无线m e s h 网络都可以提供充足的覆盖率。 ( 2 ) 高可靠 在传统的点对多点的网络中，节点的接入采用星形结构，即多个节点将首先接入到一 个中心节点，再由中心节点接入到网络中，这样以来，若其中某一个节点出故障，特别是 中心节点出现了故障将会影响到整个网络的正常工作，因而这种网络结构的可靠性得不到 很好的保证。为了提高网络的可靠性，目前的点对多点的网络中也采用了一些保护措施。 例如，为主链路配备后备链路，此方法虽然简单，但每条路径都要配备有两个独立的链路 和一个保护交换，而且同时只能有一个通道用于业务的传送，大大降低了通道带宽的使用 效率。而在无线m e s h 网络中，链路为网状结构，每个节点可以使用的链路数大大增加， 且每个网络节点都具有链路功能，如果其中的某一条链路出现了故障，节点便可以自动转 移到其他可选链路进行接入，因而网络的可靠性有了很大的提高。 7 塑室墅皇奎兰堡主堕窒竺堂垡笙壅 笙三皇垂垡坚! 些塑竺墨基! 竺曼堡垡 ( 3 ) 自配置 无线m e s h 网络是一种自组织网络，不需要或很少需要人工配置网络。因而，网络能 够自动判断并更新网络相关配置，增加新的装置或重新定位现有装置简单易行。如果节点 间距太远，只要增加一个或几个转发节点，就可以填补网络中的空隙。 ( 4 ) 易建设 在蜂窝通信系统中，基站的选址是一个复杂的问题。首先，基站的天线要有足够的高 度，使得大部分用户不被障碍物遮挡；其次，相邻小区之间的基站要保持合适的距离，以 减少相互的干扰；再次，基站所在的位置要有合适的通道连接到骨干网上，尤其是采用微 小区来增加系统容量时，基站数目的急剧增加将使这一问题变得更加复杂。在无线m e s h 网中，接入点的选择将更加具有灵活性，无线m e s h 网可以安装在路灯、交通灯或通道两 侧建筑物外壁等。当采用全向天线时，无线m e s h 网可以很快地安装并投入使用，每个节 点都有多条路由可以选择，局部网络的维护或升级不会影响网络的整体的运行。 ( 5 ) 低风险 无线m e s h 网络的用户自组织功能也方便了网络的扩展。在建网初期，可以在部分地 区策略性地设置一些种子节点以便用户的接入，形成较薄的网络结构。由于不需要建设基 站，其初始建网成本较低，随后投资可以按需增加。同时，网络覆盖率很高，因此可以吸 收大量的用户。当用户增加，可以适当地在业务繁忙的地区增加固定接入点等方法提高网 络负载【1 3 】。 2 2 无线m e s h 网络中视频业务面临的挑战 与典型的移动a dh o c 网络不同，w m n 的主流业务是多媒体业务，于是在误码率较高， 业务负载繁重的w m n 中高质量地传输视频业务存在如下几个方面的挑战【l 】： ( 1 ) 对网络带宽变化的适应性 在w m n 中，由于多径衰落、同频干扰、噪声等因素的影响，无线信道的单位带宽容 量相对较小，而且可靠性差。此外，由于节点的移动性决定了链路特征的变化速率和链路 连通性的持续时间，网络中的带宽波动将不可避免。视频业务是变速率业务，如何使视频 业务的数据速率能够接近最基本的信道容量，充分利用有限的带宽并且适应带宽的波动， 将成为w m n 中视频业务传输所面临的最重要的问题。 ( 2 ) 对网络误码的容错性 相对于有线信道，无线传输信道的环境要恶劣得多，数据包的接收误码率比有线信道 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线m e s h 网络及其m a c 协议 要高几个数量级，而w m n 的移动性造成的衰落和传输路径的路由的变化使得传输环境更 加复杂，会产生更高的误码率。另外，w m n 是无线多跳网络，它存在着比单跳网络更加 严重的隐藏终端问题，使信息碰撞的概率增大，也会导致丢包率的增加。 压缩的视频流对误码及丢包十分敏感，即使是不高的误码率，也会严重影响终端回放的 图像质量。为了尽可能地减少误码对视频质量的影响程度，需要提高视频传输的容错能力， 即通过增强信源编码算法的容错性、使用强有力的信道编码方式和采用最佳接收检测技术 等来满足视频传输的要求。 ( 3 ) 能量限制 在w m n 中存在两类节点，一类是路由器节点，一类是客户端节点。路由器节点一般 用交流供电，不需考虑能耗问题，但是客户端节点往往采用容量有限的电池供电，可持续 的时间比较短。而视频业务比如电影播放、实况转播等等，它们往往要持续两个小时以上。 这样两者之间的矛盾将在一定程度上限制视频业务在w m n 中应用。 ( 4 ) 终端适配性 终端用户数量庞大，种类繁多，且它们之间的差异很大。例如等待时间、视觉效果、 处理能力等。这些差异造成了同一个节目在不同终端上回放的效果不一样，甚至在某些终端 中无法回放。因此，媒体服务器必须与终端设备进行交互，要根据终端设备的特点，传送相应 的节目类型。 2 3 无线m e s h 网络的m a c 协议 在m a c 协议上，无线m e s h 网络承袭了i e e e8 0 2 1 1 标准中的很多技术，特别是 8 0 2 1 1 s 1 4 1 标准更是专门针对传统的8 0 2 1 l m a c 协议扩展成为支持网状结构的新的协议。 另外8 0 2 1 6 、8 0 2 2 0 、8 0 2 1 5 工作组都针对m e s h 网络提出了相应的支持方案。目前还有很 多专门针对w m n 专门设计的m a c 协议，其中包括速率自适应多跳m a c 协议、多信道 删m a c 协议等。下面主要总结一下本文中用到的8 0 2 1 1m a c 协议基础以及8 0 2 1 l e 中的e d c a ( e n h a n c e dd i s t r i b u t i o nc h a n n e la c c e s s ) 协议。 2 3 18 0 2 1 lm a c 协议 i e e e8 0 2 1 1m a c 层定义了两种控制介质访问的方法：1 ) 分布式协调功能( d c f ， d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) ；2 ) 点协调功能( p c f ，p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 。d c f 是i e e e 8 0 2 1 1 最基本的媒体访问方法，只提供异步数据服务，其核心是c s m a c a ( 载波 9 南京邮电大学硕十研究生学位论文第_ 二苹无线m e s h 网络及其m a c 协议 侦听多址接入冲突避免) 。它包括载波侦听( c s ) 机制、帧间隔( i f s ) 和随机退避( r a n d o m b a c k o 仃) 规则。在每个节点使用c s m a 机制的分布接入算法，让各个站通过争用信道来 获取发送权。p c f 使用集中控制的接入算法，用类似于轮询的方法将发送数据权轮流交给 各个站，从而避免了碰撞的产生。下面我们重点介绍d c f 方式。 在介绍d c f 方式之前，首先引入帧间隔( i n t e r f r a m es p a c e ，i f s ) 的概念。为了尽量避免 碰撞，i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层规定，所有的站在完成发送后，必须要侦听一段很短的时间 才能发送下一帧。这段时间统称为帧间隔。帧间隔的长短取决于该站打算发送的帧的类型。 高优先级帧需要等待的时间较短，因此可先获得发送权，而低优先级帧就必须等待较长的 时间。若低优先级的站还没来得及发送而其它站的高优先级的帧已发送到媒体，则媒体变 为忙态，因而低优先级的帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发送碰撞的机会。d c f 方 式中的i f s 有两种，一种为s i f s ( s h o r ti f s ) ，另一种为d i f s ( d c fi f s ) ，而且d i f s 大于 s i f s 。一个无线节点如果只需要等待s i f s 时间，会比等待d i f s 时间的节点优先接入信道， 因为前者等待的时间更短。 d c f 包括两种访问模式：基本访问方法和可选的r t s c t s ( r e q u e s t t os e n d c l e a rt os e n d ) 访问方法【1 5 】。 d c f 协议基本访问方式的实质是两次握手的c a 机制，又称a c k 机制，即只有d a t a 帧和a c k 帧的发送，是一种简单的握手机制。实现较为简单，当接收方正确地接收帧后， 就会发送确认帧( a c k ) ，发送方收到确认帧，就知道该帧已成功发送。 当一个站( 源站) 要发送数据帧时，首先通过侦听信道确定信道上是否有其它站正在 发送数据。如果信道是空闲的并持续d i f s 时间空闲，源站就开始发送。 接收节点计算校验和，确定收到的分组是否正确无误。一旦接收节点正确收到了分组， 会等待s i f s 时间后向发送节点回复一个a c k ，以此表明已经成功收到数据帧。如果源站 侦听到信道是忙状态( 无论是最初侦听到忙，还是在d i f s 周期内侦听到) ，源站将继续侦 听信道，直到信道持续一个d i f s 时间都是空闲，随后源站启用退避机制，退避完成后再 发送数据。 图2 4 表明了d c f 基本访问方式中，成功发送一个数据帧的定时图。当一个数据帧发 送出去时，其持续时间字段使得侦听到这个帧的节点( 目的节点除外) 知道信道的忙碌时间， 然后调整各自的网络分配矢量( n a v ) 。这个n a v 里也包含了一个s i f s 时间和后续的a c k 持续时间。 1 0 南京邮电大学硕 ：研究生学位论文第二章无线m e s h 嘲络及其m a c 协议 源节点 目的节点 其他节点 图2 4d c f 基本访问方式 i e e e 8 0 2 1 1 r t s c t s 方式是4 次握手的信道预约机制，具体实现是：发送站先监听信 道，如果信道持续d i f s 时间间隔都为空闲，他就发送一个r t s 帧。否则在等到当前传输 结束和接下来一个d i f s 时间间隔后激活二进制指数后退算法。当目的站收到r t s ，在一 个s i f s 时问间隔后他传送一个c t s 。当源站收到这个c t s 后，等待一个s i f s 时间间隔就 可以发送d a t a 帧，目的站收到d a t a 帧，等待一个s i f s 时间间隔就发送a c k 帧，源站 收到a c k 帧后确认此次数据传送成功。所有其他监听到r t s 和c t s 帧的站，通过在r t s 和c t s 帧中的d u r a t i o n 字段，更新他们的n a v 值，并在该段时间内保持沉默。r t s 帧的 d u r a t i o n 字段中的值是c t s 帧时间加上d a t a 帧传输时间加上a c k 帧时间加上三个s i f s 时间间隔。c t s 帧d u r a t i o n 字段是d a t a 传输时间加上a c k 帧加上两个s i f s 间隔。所有 站在n a v 值的时间段结束后( 即此次数据传输已经结束) ，又重新可以平等侦听、竞争信 道了。r t s c t s 的具体实现图如图2 5 所示： d i f sh 一 -脞 r t s j d a t a l 型擘k 卜 一蔗 s _ 患 d 球s一 n a v ( r t s )竞争窗e n a ( ? r s l 一推迟以后退避 图2 5 可选的r t s c t s 访问方法 冲突发生概率最高的情况出现在媒介由忙变为空闲的时刻，因为可能有多个站点正在 等待媒介再次可用。这就需要一个随机退避过程来尽量减少媒介竞争中的冲突。从上图2 4 和2 5 中我们可以看到在等待d i f s 长度的媒介空闲间隔之间后，站点接着在发送之前开始 一个随机的退避过程以增加额外的延迟时问，目的是降低冲突概率。 l l 堕室堂皇盔兰塑主塑壅竺堂篁堡壅墨三童垂垡竺! 生堕竺墨茎坐竺垫坚 退避时间= r a n d o m 0 * a s l o t t i m e r a n d o m 0 是在( 0 ，c w ) 区间上均匀分布的一个随机整数。c w ( 竞争窗口) 是一个整数，其 取值范围是a c w m i n c w 弋 s e t _ p r i o ( 0 ) ； ： e l s ei f ( f j = 2 ) i a g e n t _ - s e t _ p r i o ( 1 ) ； ： e l s ei f 【f _ - 一3 ) ： a g e n t _ s e t _ p r i o ( 2 ) ； j ； e l s e ： ：a g e n t s e t _ p r i o ( 3 ) ； l 一一一一一! 一一一一_ 一- - - - - - - - _ - 一- - - - - _ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一- - - j- - 二 相应的t c l 脚本语句如下： l s e t t r a c e f i l e n e wt r a c e f i l e 一一一一一一一一一一一一一一一一一一。一。一一一一一一一一一一一一一一一一一一- 一一一一一一一一一一一_ 一一- - 一- 一_ - 一一一一一一一一。- 一一1 ：$ t r a c ef i l ef i l e n a m es t r a c ef i l en a m e设置跟踪文件 ： ：s e tv i d e o 【n e w a p p l i c a t i o n t r a f f i c m y t r a c e 3 】根据修改的t r a f f i ct r a c e 类生成对象v i d e o ； ；$ v i d e o a t t a c h t r a c e f i l e $ t r a c ef i l e 将v i d e o 和跟踪文件关联 ： ：s v i d e oa t t a c h - a g e n t $ u d p 将v i d e o 和u d p 代理绑定，实现优先级的设置 i 5 2 3m a c 层定时反馈的实现 根据5 2 1 节介绍的思路以及n s 2 仿真软件的特点，本节采用一种定时器方式来控制 发送端m a c 层信道估计信息的反馈，包括周期性启动、停止以及统计工作。当有数据包 开始在m a c 层传输时启动定时器，在定时器超时后启动超时处理程序，即开始统计结果