基于無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò )的混合路由視頻傳輸

　1 引言：

　　無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò )是無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的總稱(chēng)。基于無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò )上的視頻傳輸已得到了廣泛關(guān)注和研究，但所依賴(lài)的底層路由協(xié)議基本上是傳統路由協(xié)議(如AODV，DSDV 等)。近年來(lái)底層的路由協(xié)議有了新發(fā)展，文獻[2]首次提出一種性能更好、被稱(chēng)作機會(huì )路由的協(xié)議ExOR(Extremely OpportuniSTic Routing)。

　　傳統的無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議基本思路沒(méi)有脫離有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，將節點(diǎn)之間人為地規定是否存在鏈路，并根據某種路由度量準則，選擇最好的路由。而機會(huì )路由協(xié)議認為無(wú)線(xiàn)電波的本質(zhì)是廣播的，利用廣播性質(zhì)所帶來(lái)的增益，通過(guò)節點(diǎn)間的協(xié)作，獲得了高于傳統路由的帶寬。因此，從直觀(guān)上， 利用機會(huì )路由作為支持視頻傳輸的底層路由協(xié)議會(huì )取得比傳統路由協(xié)議更好的性能， 但是機會(huì )路由為了獲得這種增益而采取的調度機制在傳輸實(shí)時(shí)視頻時(shí)會(huì )產(chǎn)生丟失部分I 幀的嚴重問(wèn)題， 使得視頻傳輸的穩定性受到嚴重影響。

　　針對此問(wèn)題， 筆者提出一種綜合利用傳統路由和機會(huì )路由進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻傳輸的跨層設計方法。

　　2 機會(huì )路由簡(jiǎn)介：

　　傳統的無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò )的路由協(xié)議和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的路由協(xié)議十分相似， 即在源節點(diǎn)和目的節點(diǎn)之間尋找1 組點(diǎn)形成1 條最優(yōu)的路由，然后各節點(diǎn)依次轉發(fā)數據。路由上各個(gè)節點(diǎn)之間被人為地認為有1 條鏈路存在， 因此并未有效利用無(wú)線(xiàn)電波的廣播特性。

　　圖1 機會(huì )路由原理演示圖

　　如圖1，假設源節點(diǎn)到4 個(gè)中間節點(diǎn)n1，n2，n3，n4 的鏈路質(zhì)量較差， 且都是數據包發(fā)送1 次只有25%的概率可以收到， 節點(diǎn)n1，n2，n3，n4 到目的節點(diǎn)的鏈路質(zhì)量很好，且都是數據包發(fā)送1 次100%的概率可以收到。那么，按照傳統的路由機制， 會(huì )從4 個(gè)中間節點(diǎn)選擇1 個(gè)最優(yōu)的作為中繼節點(diǎn)，由于4 個(gè)中間節點(diǎn)鏈路狀況一樣，則會(huì )隨機選1 個(gè)節點(diǎn)作為路由轉發(fā)節點(diǎn)，比如n2。這樣，數據包會(huì )沿著(zhù)源節點(diǎn)、n2、目的節點(diǎn)這條路由進(jìn)行轉發(fā)，那么1個(gè)數據包通過(guò)這條路由平均傳送次數期望ETX(ExpectedTransmissiON Count)為1/0.25+1=5。而由于無(wú)線(xiàn)電波的廣播特性， 源節點(diǎn)向n2 發(fā)送數據時(shí)，n1，n3，n4 也會(huì )收到一部分包。有些數據包n2 沒(méi)有收到，但n1 可能恰好收到。有些數據包n1，n2 都沒(méi)有收到，但n3 可能收到了?？梢圆槐卮_定哪個(gè)節點(diǎn)是中繼節點(diǎn)， 只要目的節點(diǎn)有數據包沒(méi)有收到，那么任何1 個(gè)中繼節點(diǎn)只要有這個(gè)包，都可以傳給目的節點(diǎn)。假設n1，n2，n3，n4 收到包的概率相互獨立， 經(jīng)過(guò)計算1 個(gè)數據包的平均傳送次數期望為1/(1-(1-0.25)4)+1≈2.5。這里，充分利用無(wú)線(xiàn)電波的廣播特性可以獲得1 倍的增益。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )拓撲的不同，ExOR 所獲得的增益也不同，文獻[2]實(shí)驗結果表明ExOR 端到端的平均吞吐量是傳統路由協(xié)議(AODV)的3 倍。

　　雖然ExOR 帶寬利用效率和端到端吞吐量?jì)?yōu)勢明顯，但也存在不足之處，尤其在支持實(shí)時(shí)視頻傳輸時(shí)顯得更加明顯，主要體現在以下3 點(diǎn)：

　　1) ExOR 路由算法內在地利用了無(wú)線(xiàn)通信的隨機性，因此其傳輸調度算法對每個(gè)數據包都是公平的，而視頻傳輸的特點(diǎn)就是不同數據包重要性不同， 因此兩者存在一定的矛盾。

　　2) ExOR 成批發(fā)送，會(huì )造成一定程度的延遲。

　　3) ExOR 沒(méi)有鏈路級的差錯重傳機制，最后幾個(gè)數據包所需傳輸時(shí)間較長(cháng)，在實(shí)時(shí)視頻傳輸中，會(huì )導致部分關(guān)鍵幀數據包的丟失。

　　3 混合路由視頻傳輸：

　　對于某些實(shí)時(shí)視頻傳輸， 例如視頻轉播， 有如下特點(diǎn)：對實(shí)時(shí)性要求較高，系統可以允許一定的延時(shí)，但希望視頻盡量是連續的，抖動(dòng)較小，同時(shí)在保證傳輸的情況下視頻質(zhì)量盡量高。由于機會(huì )路由在端到端吞吐量上與傳統路由相比， 有著(zhù)明顯的優(yōu)勢， 因此， 可以期望利用ExOR 進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻傳輸取得比傳統路由更優(yōu)的性能。

　　在設計具體方案時(shí)，以下幾點(diǎn)是必須予以考慮：

　　1) 由于ExOR 需要將數據包成批發(fā)送，因此視頻的延遲將直接和數據包數量的多少相關(guān)。每批次的數據包越多，延遲越大;數據包越少，延遲越小。

　　2) ExOR 的性能和每批包的數量相關(guān)，文獻[3]研究結果表明，每批包的數量越多，ExOR 的平均端到端吞吐量越高，但數量高于20 個(gè)后，數量增加對端到端吞吐量提升效果不明顯。

　　3) 視頻的參數選擇需要考慮到I 幀的數量，如果I幀過(guò)多，會(huì )影響壓縮效率，如果I 幀過(guò)少，會(huì )影響視頻解碼質(zhì)量。

　　4) 視頻播放時(shí)，I 幀的丟失是不可容忍的，因此要盡量保證播放時(shí)I 幀的數據已收到。

　　綜合以上幾點(diǎn)，選擇1 個(gè)合適的編碼參數，若每T s1 個(gè)I 幀，則將每T s 的數據作為一個(gè)批次發(fā)送。若傳輸延遲為t s，則初始延遲為(T+t) s。此后為保證視頻播放的實(shí)時(shí)性和流暢性，無(wú)論每批次在T s 內是否傳送完畢，都應停止當前批次的發(fā)送，及時(shí)啟動(dòng)下一批次的發(fā)送。在每批次中，視頻幀的打包應遵循IETF 相關(guān)標準[4]規定。即每一個(gè)數據包的長(cháng)度應滿(mǎn)足不超過(guò)MTU (Maximum TransmissionUnit，最大傳輸單元,一般為1 500 byte)的條件，每個(gè)P 幀單獨組成1 個(gè)數據包，I 幀在每個(gè)限制長(cháng)度內組成1 個(gè)包， 不足的部分單獨組成1 個(gè)包。如果只利用ExOR 傳輸數據，由于無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò )本身的隨機性和不穩定性以及ExOR 最后幾個(gè)包的傳輸延遲較大， 并不一定能保證每T s 的數據都能在T s 內傳輸完畢。這樣就會(huì )造成某些批次最后幾個(gè)數據包的丟失。而ExOR 調度機制本身決定了這最后幾個(gè)數據包是隨機的， 如果丟掉的恰好是I 幀的數據包，造成I 幀的丟失，就會(huì )導致這T s 的視頻無(wú)法播放， 從而造成視頻觀(guān)看的不連續性和主觀(guān)收看質(zhì)量的下降。因此，不能簡(jiǎn)單地將ExOR 直接用于視頻傳輸，必須根據視頻傳輸的特殊性做相應地調整。

　　視頻傳輸與一般數據傳輸所不同， 其特殊性之一就在于視頻傳輸中數據包的重要性是不同的[5]。關(guān)鍵幀I 幀是重要的，一般要盡量保證I 幀傳輸的可靠性。因為1 個(gè)I 幀將影響并決定其后數個(gè)P 幀的解碼，1 個(gè)I 幀的丟失將導致2 個(gè)I 幀之間的視頻無(wú)法播放或視頻質(zhì)量急劇下降。而P 幀是非關(guān)鍵幀，丟失個(gè)別P 幀對視頻質(zhì)量影響不大，一般來(lái)說(shuō)，P 幀只是盡量傳輸，并不進(jìn)行差錯重傳。因此，必須根據數據包重要性的不同進(jìn)行相應處理。對于I幀，應保證無(wú)差錯地傳輸，而對于P 幀，盡力保證一定時(shí)間內盡量多的傳送。同時(shí)，傳統路由雖然傳輸速率不如機會(huì )路由， 但是傳統路由網(wǎng)絡(luò )結構清晰， 并且無(wú)須成批發(fā)送，配合差錯重傳會(huì )使得某些特定數據傳輸更有保障。所以，對于實(shí)時(shí)視頻傳輸，可以利用傳統路由對I 幀的數據包進(jìn)行差錯重傳， 而對P 幀的數據包用機會(huì )路由進(jìn)行盡力傳輸。這樣，就同時(shí)利用了2 種路由的優(yōu)點(diǎn)根據不同數據包的性質(zhì)選擇相應合適的路由協(xié)議進(jìn)行傳輸， 并且解決了I 幀丟失的問(wèn)題。