一种异构无线网络流媒体QoS评测系统的设计实现

1、一种异构无线网络流媒体qos评测系统的设计实现第27卷第11期2010年11月计算机应用与软件computerapplicationsandsoftwarevo1.27no.1lnov.2010一种异构无线网络流媒体qos评测系统的设计实现衷璐洁许长桥(首都师范大学信息工程学院北京100089)(中国科学院计算技术研究所北京100080)(北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室北京100876)摘要异构无线网络接入技术的发展为移动流媒体技术应用带来了全新的机遇与挑战.流控制传输协议sctp(streamcontroltransmii.prot.o1)的提出能够很好地实现异构无线网络间的透明无

2、缝切换.为了研究未来泛在异构无线网络环境中的视频传输,设计了一种sctp多宿环境下的流媒体qos评测系统实验结果表明,该方案能在异构无线网络环境下对不同网络拥塞和负载下的视频传输行为和服务质量进行有效的分析.关键词异构无线网络实时流媒体无缝切换流控制传输协议multimediaqualityofserviceevaluationsystemdesignandimplementationforaheterogeneouswirelessnetworkszhonglujie?xuchangqiao(schoolofinformationengineering,capitalnormaluniver

3、sity,beijing100089,china)(instituteofcomputingtechnology,chineseacademyofsciences,beijing100080,china)(statekeylaboratoryofnetworkingandswitchingtechnology,beijinguniversityofpostsandtelecommunications,beijing100876,china)abstracttheadvancingheterogeneouswirelessnetworkaccesstechnologyhasbroughtnewo

4、pportunitiestoandchallengesformobilemultimediastreamingapplication.thestreamcontroltransmissionprotocol(sctp)canseamlesslyimplementsessionstransparentlyovermultipleheterogeneousnetworks.inordertostudyvideotransmissionoverwirelessheterogeneousnetwork,wehavedesignedavideoqualityofserviceevaluationsyst

5、emundersctpmultihostenvironment.experimentalresultsshowthattheproposedstrategycaneffectivelysupervisevideotransmissionbehaviorandqualityunderdifferentnetworkcongestionandloadforwirelessheterogeneousnetworks.keywordsheterogeneouswirelessnetworkrealtimemultimediaseamlesslyhandoverstreamcontroltransmis

6、sionprotocol(sctp)0引言近年来,移动网络出现了快速增长的趋势,涌现了多种网络技术,如移动自组织网,无线局域网,移动蜂窝网,无线mesh网络和无线传感器网络等.异构无线网络融合是未来移动通信网络发展的必然趋势.多接入无线网络之间无缝移动性问题是实现网络融合的关键技术之一.流控制传输协议sctp是ietf制订的一种新的支持多宿(multihoming)技术的传输层协议.它能够提供传输层端到端的,对上层应用透明的移动性支持,不需要额外的网络设备支持,是屏蔽底层通信传输设备异构性对异构无线网络间进行融合的理想解决方案j.移动通信的快速发展也使得移动终端的处理能力越来越强,移动网络带宽

7、逐渐增大.b3g(beyond3g)蜂窝移动网络,wifi(wirelessfidelity)和wimax(worldwideinteroperabilityformicrowaveac-cess)等宽带无线接入网络为移动用户提供了任意时问和地点访问无线网络流媒体服务的可能性.因此下一代移动互联网重要特征之一是多种异构无线网络接人技术并存,能够平滑,自适应地传送实时多媒体业务.由于sctp支持分流和选择性有序传输,很好地结合了tcp和udp在流媒体传输上的各自优势,而且sctp具有独有的选择性的可靠传输功能prsctp,使得流媒体的控制信息和不同的数据信息可以在不同的sctp流中按不同的可靠性

8、级别进行传输.因此支持多宿的传输层协议sctp为如何有效利用异构网络多种无线接入技术,如3g,wifi,wimax等,为用户提供高质量的流媒体服务提供了新的解决思路j.为了研究异构无线网络下的流媒体传输在不同网络条件和负载下的行为特性和质量,构建一个真实的异构无线网络环境包括网络层,传输层以及应用层,代价比较高并且缺乏灵活性.在仿真环境下,可以灵活地模拟不同的网络条件和尺度,比如端到端的传输延迟,包丢失率等,因此通过网络仿真的方式构建一个灵活有效的低成本的仿真测试环境用于异构无线网络在不同参数及网络条件下的视频传输质量研究变得很有意义.而目前这一研究领域缺乏有效的工作.本文设计并实现了一种ns

9、-2环境下基于trace驱动的sctp视频传输评测系统.利用sctp多宿特性来模拟异构网络环境下的多路径之间的差异,利用mpeg-4视频来模拟异构收稿日期:20100319.北京市自然科学基金项目(4102064).衷璐洁,讲师,主研领域:系统结构,网格技术.86计算机应用与软件2010卑卮线网络下的流媒体传输,该方案能对无线异构网络下不同网络拥塞和负载下的视频传输行为和服务质量进行有效的分析.从而为研究未来泛在异构无线网络环境中的视频传输提供一个有效的方案.1系统设计实现近年来,通过仿真方式进行流媒体传输研究获得了广泛的关注.在文献8中,mpeg-4trace文件被用于标定tes(trans

10、formexpandsample)数学模型,通过率失真曲线(ratedistortioncurve)调整输出帧的大小,从而实现视频速率自适应调节.但是这个仿真模型没有在线的速率控制器,网络拥塞事先制定,因此无法得到可视的动态视频质量.evalvid是j.klaue等人提出的一种视频服务质量的评估系统,它具有模块化结构,通过改进其模块能支持不同的视频编码mpeg-4/h.263/h.264,评估其在网络中的传输质量,并支持模拟的网络环境.但目前的研究都只支持tcp/udp.本文设计了一种基于trace驱动的异构无线网络下的sctp视频传输仿真评估系统,如图1所示.主要是对evalvid进行了改进

11、,对delaware大学的rs.2sctp模块进行了修改并添加了新的ns一2模块,实现了evalvid,sctp和mpeg-4融合的接口,从而实现了在ns-2环境下mpeg-4在sctp异构网络下的仿真传输,并能对仿真传输之后的视频进行重建,支持基于峰值信噪比psnr的客观视频质量评估,同时也支持可观看的主观视频质量评估.图1描述了系统的三个主要处理过程:(1)预处理过程;(2)异构网络仿真过程;(3)后处理过程.图l异构无线网络流媒体qos评测系统1.1预处理过程预处理过程包含两个主要操作:将原始的未压缩的yuv文件转换成mpeg-4的图像组gops(groupsofpictures)帧序列

12、;根据mtu值的大小将gops帧序列生成mpeg-4trace文件.表1给出了mpeg-4trace文件的第1个gop的每个帧的描述样例,假定mtu(maximumtransmissionunit)值默认为1000,h表示头信息.表格从左往右分别表示帧序列号,帧类型(,帧,p帧,帧),帧大小,依据mtu大小,帧需要分割的包个数,包的发送时间,即时间偏移.表1视频trace文件取样帧序列号帧类型帧大小分割包个数发送时间0h29133毫秒li1508266毫秒2p254l99毫秒3b2231132毫秒帧序列号帧类型帧大小分割包个数发送时间4b2o4l165毫秒5p343l198毫秒i6b290l2

13、31毫秒l7b336l264毫秒i8il6l62297毫秒为了提高仿真的运行效率,mpeg-4视频trace内容一次性读人内存中,避免对物理文件的不间断访问.1.2异构网络仿真过程预处理过程中所产生的mpeg-4视频trace文件,包含了实际mpeg-4压缩视频的信息,包括:帧序号,帧类型,帧大小,按照mtu分割成发送数据包的个数,以及每个数据包的发送时间.这些信息能用于ns.2下构建仿真的数学通信模型.利用sctp多宿特性模拟异构网络下的多条路径.我们对ns-2下的sctp模块进行修改,并对sctpagent代理进行扩展和增强,使得sctpagent能产生sctp发送端的跟踪文件及sctp接

14、收端的跟踪文件,发送端的跟踪文件包含了包的发送时间,包所属帧类型,包的编号及大小等信息,接收端的跟踪文件记录sctp接收端包的接收时间,包所属帧类型,包的编号和大小等信息.同时设计和添加了一个新的sctp代理:sctptrafficetrace,它的功能是依据预处理过程中所产生的mpeg-4视频trace文件,向sctp网络即sctpagent发送数据流.针对sctp多宿网络仿真环境,我们为其设计了不同的sctp协议参数设置接口,比如路径故障检测门限值,快速重传策略,重传超时门限,重传的可靠性程度等,同时还提供了对不同路径传输延迟,路径带宽,路径的包丢失率的设置接口以模拟异构无线网络环境下不同

15、负载的网络环境.1.3后处理过程利用网络仿真传输前后的trace文件,后处理过程主要完成视频传输的qos参数计算,包括客观质量评估及支持主观评估的可视化的视频重建.客观qos计算主要包括丢包率,丢帧率,包抖动和帧抖动.丢帧率计算式如下所示:几一to.惫其中表示帧的类型(,p,b),n表示类型帧发送的个数,n表示类型帧接收的个数.对于视频传输,除了丢包和丢帧会影响视频传输之后的可视质量,另外帧的延迟以及这种延迟的波动(帧抖动)同样会对视频的传输质量产生影响.因此需要计算包抖动和帧抖动.帧抖动计算式如下所示:it0缸,tf一,一l(2).1,.一,2ln-其中t表示第n个帧中的最后一个数据包到达的

16、时间戳,/t表示第n个帧和第n一1个帧的时间间隔,肘表示发送帧的总数,itm表示全部帧时间间隔的平均值.为帧抖动的计算值.丢包率,丢帧率,包抖动和帧抖动计算结果在一定程度上反映了视频qos服务质量.此外后处理过程能根据原始的mpeg-4视频trace文件以及网络仿真过程中的视频发送和接收trace文件等信息重建仿真传输之后的目标mpeg-4视频,目第11期衷璐洁等:一种异构无线网络流媒体qos评测系统的设计实现87标mpeg-4视频可以进一步转换为yuv格式视频,这样,一方面可以通过和原始的yuv文件进行比较,计算出视频传输的平均峰值信噪比值和独立帧的峰值信噪比值.另外一方面用户能通过直接观看

17、对比的方式对目标视频进行直接的视频qos评测,因为目标视频已经重建.mos值(meanopinionscore)可以通过传统的主观评估方法进行计算也可以通过峰值信噪比值的映射方法得到.2实验分析我们通过一个实验来阐述所设计的方案对异构网络下的流媒体qos评测的有效性,试验的基本网络配置如图2所示.我们模拟了异构无线网络两个链路,一条sctp路径a模拟3g链路,另外一条sctp路径模拟wifi链路.节点s和节点r分别是sctp的发送者和接收者,并且都具有两个网络端口以及ip地址.r,.和r是路由器.路径a和路径b包含了多种路径条件,用来模拟不同的网络负载环境.图2异构网络实验拓扑在试验中假设两条

18、异构路径没有重叠.每条路径的mtu是1500字节.瓶颈链路的队列长度是5o个包,其他链路的队列长度设为1000个包,以减少对瓶颈处的影响,队列管理类型采用尾丢弃(droptail)策略.sctp的参数全部采用缺省值,并设为部分可靠传输模式pr.sctp,每个包重传的次数不多于两次.sctp初始的慢启动门限值设为一个足够大的值,使得发送端可以完全利用链路带宽.在试验中只使用一个sctp流,并且使用有序分发方式向应用层发送数据.网络拥塞和负载通过丢包率2%,5%,8%来模拟.在试验中,路径a(r1,1和l,2)路径瓶颈处的带宽设置为与3g链路相对应的带宽384kbps,单向延迟是250毫秒.路径b

19、(r2,1和r2,2)路径瓶颈处的带宽设置为与wifi链路相对应的带宽10mbps,单向延迟是50毫秒.实验中,用一个qcif格式(图像大小为176144)的yuv视频序列作为测试源,共382帧,在ns-2仿真中,sctp发送端s在第5秒的时候,开始以30帧/秒的速率开始向接收端r发送视频.l0个随机种子用于仿真,测试结果为10次运行结果的平均值.表2平均psnr值和丢帧实验结果帧丢失数量丢包率平均psnr好帧数量未解码帧ipb2%35.ol281l2792l5%33.31101728245558%26.28213150198】02出丢包率对视频传输qos质量的影响.图3给出了在三种丢包率情况

20、下,第150个帧至第250帧之间100个帧的psnr值的变化,它可以动态反映视频在多条路径传输过程中质量变化情况.40重3鹭o25篓2015l0150170190210230250帧序列十丢包率为2%十丢包率为5o0争一丢包率为8%图3峰值信噪比另外网络仿真之后,目标视频已经重建,因此可以和原始视频进行观看对比,进行主观评估,得到mos值.图4给出了丢包率在2%,5%,8%三种情况下的可视帧质量对比情况,第一行为丢包率为2%的视频质量,第二行为丢包率为5%的视频质量,第三行为丢包率为8%的视频质量.由于篇幅关系,这里只选取了帧序列号为171,196,198,203,251等5个帧做比较,我们可

21、以从图中很直观看出利用sctp多宿特性所模拟的异构无线网络环境下,网络拥塞和负载对视频质量的影响情况.糊3结论图4可视的帧质量对比下一代互联网将是泛在异构无线网络融合的移动互联网.随着移动终端能力的不断发展,移动流媒体业务将成为未来主流应用.与传统的同构无线网络相比,异构无线网络上数据传输具有新的特点.流控制传输协议sctp的多宿特性和移动扩展,具有支持异构无线网络能力,我们设计了一种trace驱动的sctp多宿环境下的视频qos评测系统.该方案一方面能避免构建真实异构网络环境所带来复杂度和成本,提高灵活性,另外一方面能很好地实现对视频传输质量进行客观和主观qos评测,能有效分析sctp多宿环

22、境下流媒体传输在不同网络条件和负载下的行为特性和质量.这对未来异构无线网络下的流媒体服务开展进一步研究具有重要意义.参考文献表2为实验结果,它给出了异构环境下两条路径在2%,叩tiiedmdi.s.urceusageihtemgeeouswire1esaccess1soodeshbhiroshihstanislavfetalarchitectureandenablersfotr,.5%,8%不同丢包率情形下视频传输的平均峰值信噪比值,各种.rkj.1eeecommuni.ti.magazi,2009,47(1):122129.类型帧丢失数量,好帧数量和未解码帧的数量对比结果,可以看(下转第90

23、页)计算机应用与软件2010生价形式,因此,也可把它看成autocad内部数据库的镜像.但是由于autocad只能输出整个图形的完整dxf文件,需要动态数据管理模块提取更新的实体数据信息之后,以便形成满足eca规则的增量数据.除了增量数据传递之外,还需要传递协同设计过程中的一些必要信息,例如:协同设计人员的设计者id,对象id,操作集(o)以及触发的事件e(原子事件或者复合事件结果).动态数据交互格式定义如表1所示.表1动态数据交互格式设计者id事件e$对象id操作集adddeleteedit增量数据dxf文件2.3基于objectarx实现动态数据的管理autocad2009是美国autod

24、esk公司推出的较新版本,提供了强大的二维和三维图形绘制编辑和修改功能,并为应用程序开发提供了很好的接口.在autocad二次开发工具中,objecarx是一种非常实用的开发工具,本系统采用objectarx与visualc+实现了基于eca规则的网络协同设计系统中动态数据的管理.提供了增加实体,修改实体,删除实体,接收实体信息,显示实体信息以及发送实体信息等子功能模块.?增加实体子模块访问autocad内部数据库,获取新创建实体信息;?修改实体子模块访问autocad内部数据库,获取修改实体信息;?删除实体子模块访问autocad内部数据库,获取被删除实体信息;?接收实体信息子模块接收网络通

25、信子模块发送来的动态数据;?显示实体信息子模块将接收到的动态数据转为实体信息加载到设计者的协同环境中;?发送实体信息子模块将获取的实体信息转换为动态数据传送到网络通信子模块中,由网络通信子模块发送给其他设计人.图2和图3为协同设计者lys与michel的协同设计过程的演示.初始,由lys发起协同会议并下发设计图纸后,二者的协同界面状态(michel未安装摄像头);图3为lys修改了设计图后二者的协同界面.从实验结果可以看到,本系统可以达到很好的动态数据交互效果.图2设计者lys与michel的协同界面图3设计者lys修改设计图后的协同界面3结论与展望网络化协同设计支撑环境的研究是目前cscd领

26、域研究的热点.本文给出了基于eca规则的动态数据管理模式,在au.tocad2009平台下实现了网络化协同设计系统中动态数据的交互,并给出了具体的实例.这种方法不仅降低了网络传输的负载而且尽可能地避免了不必要数据的传输,为下一步协同设计中并发冲突的处理打下了良好的基础.参考文献1周伟.基于网络的协同设计系统数据交换及管理关键技术研究d.重庆大学,2007.2】hefz,wangsm,sungz.fromwys1wygtowysiwis:researchoncscwbasedcadc/proceedingsoftheapcc/oecc99.ieeecatalognumber99ex379,bei

27、jing:buptpublishers:1999,10951096.【3何发智.基于cscw的cad系统协作支持技术与支持工具研究d.武汉理工大学,2000.4顾宇飞,沈军.基于autocad的协同设计框架的研究与实现j.计算机工程与设计:2006,27(23):44024403.5史美林,向勇,杨光信,等.计算机支持的协同工作理论与应用m.北京:电子工业出版社,2000.6邵俊昌,李旭东.autocadoectarx2000开发技术指南m.北京:电子工业出版社,200o.(上接第87页)2stewartr.streamcontroltransmissionprotocolr.ietfrfc4

28、960,2007.f3kimdp,kohsj.performanceenhancementofmscri1pforverticalhandoveracrossheterogeneouswirelessnefw0rksj.internationaljournalofcommunicationsystems,2009,22(12):15731591.4maedat,kozukam,okabey.reliablestreamingtransmissionusingprsctpc/proceedingsoftheninthannualinternationalsymposi-amonapplicationsandtheinteract.washington,dc,usa,2009:2782