基于NS-2的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )視頻QoS平臺的實(shí)現
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隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)多媒體通信的業(yè)務(wù)量將遠遠超過(guò)傳統業(yè)務(wù)。視頻業(yè)務(wù)，特別是實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)將是未來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)的主體，因此面向無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的視頻QoS保障問(wèn)題成為新的研究熱點(diǎn)。在QoS保障機制的研究過(guò)程中，由于網(wǎng)絡(luò )的復雜性和經(jīng)濟條件的制約，網(wǎng)絡(luò )仿真技術(shù)非常重要。網(wǎng)絡(luò )仿真技術(shù)通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò )設備和網(wǎng)絡(luò )鏈路的統計模型，并模擬網(wǎng)絡(luò )流量的傳輸，從而獲取網(wǎng)絡(luò )設計或優(yōu)化所需的網(wǎng)絡(luò )性能數據。
在分析EvalVid 工具集的基礎上，結合NS技術(shù)，提出一種利用NS-2建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中圖像QoS研究仿真平臺的方法。NS支持的協(xié)議廣泛，采用開(kāi)放的體系結構，用戶(hù)很容易根據需求開(kāi)發(fā)新的協(xié)議，因此使用NS針對具體的無(wú)線(xiàn)視頻業(yè)務(wù)研究網(wǎng)絡(luò )傳輸策略及其傳輸性能非常合適。
2 網(wǎng)絡(luò )視頻的QoS研究
Jirka Klaue給出統一評價(jià)視頻傳輸質(zhì)量的框架和工具集一EvalVid。EvalVid具有模塊化結構，可在所用的的視頻編碼策略下，通過(guò)trace文件實(shí)現網(wǎng)絡(luò )之間的交互作用，很容易在任何網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下使用。EvalVid評估框架如圖1所示。
(1)信源視頻信源可能是QCIF(176×144)或CIF(352×288)格式的YUV視頻信息。
(2)視頻編碼器和解碼器用來(lái)對YUV視頻進(jìn)行編解碼以適應網(wǎng)絡(luò )的傳輸，編碼策略可采用MPEG，H．261等。
(3)視頻發(fā)送器 VS從編碼的視頻文件中產(chǎn)生trace文件，即視頻trace文件和發(fā)送trace文件。VS讀取視頻編碼器輸出的視頻壓縮文件，將大視頻幀分成較小的分段以在網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中經(jīng)UDP分組傳輸。發(fā)送trace文件記錄每個(gè)傳輸的UDP分組時(shí)間戳，分組id和分組負載大小。視頻trace文件記錄視頻文件中每個(gè)幀的信息。視頻trace文件和發(fā)送trace文件在隨后的視頻質(zhì)量評估中使用。
(4)評價(jià)trace利用原始編碼視頻文件、視頻trace文件、發(fā)送trace文件和接收trace文件中記錄的分組時(shí)間戳、分組id和分組載荷大小等信息，ET產(chǎn)生一個(gè)幀／分組丟失、幀／分組延時(shí)抖動(dòng)報告和一個(gè)重建的視頻文件。
(5)重建視頻數字視頻質(zhì)量的評價(jià)通過(guò)逐幀比較實(shí)現。如果選用的編解碼器不能處理丟失的幀，則通過(guò)插入最近成功解碼的幀代替每一個(gè)丟失的幀的錯誤隱藏技術(shù)處理。
(6)主觀(guān)和客觀(guān)質(zhì)量評價(jià)(PSNR、MOS)主觀(guān)質(zhì)量評價(jià)直接反映人眼的感覺(jué)，是相對較為準確的圖像質(zhì)量評價(jià)方法。常用的指標是基于5級質(zhì)量制或5級損傷制的平均意見(jiàn)分(MOS分)。視頻圖像質(zhì)量的客觀(guān)評價(jià)通過(guò)某些數學(xué)準則衡量，常用峰一峰信噪比(PSNR)。其定義如下：
式中，M和N是視頻幀的寬度和高度的維數；x(i,j)和x'(i,j)是原始像素和重構像素在(i，j)點(diǎn)的亮度或色度值。
Chih-Heng Ke等將EvalVid和NS-2結合，給出視頻流質(zhì)量評估的新工具集。NS-2和EvalVid的結合通過(guò)3個(gè)連接模擬代理實(shí)現，即MyTrafficTrace，MyUDP和MyUDPSink。設計這些接口既要讀取視頻trace文件，又要產(chǎn)生視頻傳輸質(zhì)量評估用的數據。
MyTrafficTrace代理從VS的輸出文件中提取視頻trace文件的幀類(lèi)型和幀大小。此外該代理將視頻幀分割成小的分段，并在適當的時(shí)間發(fā)送這些分段至低層UDP，發(fā)送時(shí)間由用戶(hù)在模擬描述文件中設定。
MyUDP是UDP代理的延伸。此新代理允許用戶(hù)指定發(fā)送trace的輸出文件名。它記錄每個(gè)傳輸分組的時(shí)間戳，分組id和分組大小。
MyUDP代理的任務(wù)對應于在真實(shí)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中的cp-dump或win-dump工具的任務(wù)。MyUDPSink是接收代理，接收MyUDP發(fā)送的視頻幀分組，此代理也在用戶(hù)指定的文件中記錄每個(gè)接收分組的時(shí)間戳、分組id和負載大小。在此基礎上擴展，提出一種適合無(wú)線(xiàn)視頻傳輸的質(zhì)量評價(jià)體系。
3 基于NS-2的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )視頻QoS平臺實(shí)現
3．1 NS-2中的無(wú)線(xiàn)模塊
NS中的無(wú)線(xiàn)模塊最初由CMU的Monarch 工作組引入到NS。由CMU／Monarch引入的無(wú)線(xiàn)模塊可進(jìn)行純無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )仿真，擴展后的無(wú)線(xiàn)模塊還支持無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )聯(lián)合仿真以及移動(dòng)IP。還有一些其他無(wú)線(xiàn)模塊可在NS-2中使用，包括Blueware，Blue2Hoc，Mobiwan，GPRS，CIMS等。無(wú)線(xiàn)模塊以MobileNode為基本核心，并通過(guò)一些附加特性以支持多跳Adhoc網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)仿真。MobileNode由基本Node增加無(wú)線(xiàn)和移動(dòng)節點(diǎn)所需功能，可在OTCL中設定其各種網(wǎng)絡(luò )構件，如鏈路層(LL)、連接到LL上的ARP模塊、接口隊列(ifql、ifqlen)MAC層和網(wǎng)絡(luò )接口等。移動(dòng)節點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口連接到無(wú)線(xiàn)信道上。目前MobileNode支持的ad-hoc路由協(xié)議包括DSVD、DSR、TORA和AODV。
3．2 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )視頻仿真的過(guò)程
由于在視頻傳輸的仿真中，需在網(wǎng)絡(luò )中傳輸真實(shí)的視頻碼流，兇此必須擴展并修改NS-2，添加視頻傳輸仿真過(guò)程所需的網(wǎng)絡(luò )元素，包括代理，即MyTrafficTrace、MyUDP和MyUDPSink。如果研究者要驗證其提出的傳輸策略，則需使用C++和OTcl對網(wǎng)絡(luò )元素編程，將其提出的策略加到網(wǎng)絡(luò )元素中，然后重新編譯NS。在完成對NS-2的擴展后，就可利用NS進(jìn)行仿真。過(guò)程如下：
(1)利用選定的視頻編碼器對原始視頻編碼，并從中提取視頻分組的相關(guān)信息，編寫(xiě)程序產(chǎn)生傳輸用的trace文件。trace文件的格式為分組序號，時(shí)間戳，分組大小>。
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