一種基于NS的網(wǎng)絡(luò )視頻QoS分析方法

　　隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )中的多媒體應用層出不窮，如視頻會(huì )議、視頻點(diǎn)播(VOD)、遠程教育等多媒體業(yè)務(wù)。由于活動(dòng)圖像的數據量很大，在具體應用中，網(wǎng)絡(luò )拓撲、網(wǎng)絡(luò )帶寬、路由技術(shù)以及傳輸數據包的實(shí)際分割方案等因素都會(huì )對網(wǎng)絡(luò )傳輸性能造成影響，最終影響視頻業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。因此必須對網(wǎng)絡(luò )中視頻傳輸的QoS保障問(wèn)題展開(kāi)研究。

　　在網(wǎng)絡(luò )QoS保障問(wèn)題的研究過(guò)程中，由于網(wǎng)絡(luò )復雜性和經(jīng)濟條件的制約，網(wǎng)絡(luò )仿真技術(shù)就扮演著(zhù)非常重要的角色。網(wǎng)絡(luò )仿真技術(shù)是一種通過(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)化所需要的網(wǎng)絡(luò )性能數據的仿真技術(shù)。本文在分析EvalVid工具集的基礎上，將基于NS-2網(wǎng)絡(luò )仿真軟件提出一種網(wǎng)絡(luò )中視頻QoS分析方法。

1 網(wǎng)絡(luò )視頻的QoS研究技術(shù)概述

　　在仿真環(huán)境下，研究者通常會(huì )使用不同的尺度衡量其提出的傳輸策略對視頻質(zhì)量的影響，這些尺度包括分組丟失率、分組延時(shí)、幀丟失率和可解碼幀率等。而這些尺度很多都是衡量網(wǎng)絡(luò )性能的，不能完全反映視頻的質(zhì)量。在視頻質(zhì)量的評價(jià)方法中主要有主觀(guān)質(zhì)量評價(jià)和客觀(guān)質(zhì)量評價(jià)2種方法。主觀(guān)質(zhì)量評價(jià)是相對較為準確的圖像質(zhì)量評價(jià)方法，因為主觀(guān)質(zhì)量評價(jià)直接反映人眼的感覺(jué)。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)準則來(lái)衡量，常用的有峰一峰信噪比(PSNR)。它的定義如下：

　　其中，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。雖然網(wǎng)絡(luò )中視頻QoS的研究技術(shù)層出不窮，但是研究者一直沒(méi)能給出一種統一的體系結構用來(lái)對視頻的質(zhì)量從主觀(guān)和客觀(guān)上進(jìn)行評價(jià)。為此Jirka Klaue在文獻[4]中給出了統一評價(jià)視頻傳輸質(zhì)量的框架和工具集——EvalVid。EvalVid具有模塊化的結構，可以使用在所用的視頻編碼策略下，網(wǎng)絡(luò )之間的交互作用通過(guò)trace文件實(shí)現，很容易在任何實(shí)驗的環(huán)境下使用。Chih-Heng Ke等在文獻[4]中將Evalvid和NS2結合，給出一個(gè)視頻流質(zhì)量評估的新工具集Enhanced EvalVid。NS2和EvalVid的結合通過(guò)對NS代理的擴展實(shí)現的，設計出3個(gè)代理，即MyTrafficTrace，MyUDP和MyUDPSink，通過(guò)這3個(gè)代理就可以將真實(shí)的視頻流放到仿真的環(huán)境中運行。在文獻[4]中Chih-Heng Ke等只考慮由于網(wǎng)絡(luò )的擁塞等原因造成的丟包對視頻質(zhì)量的影響，而沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò )的延時(shí)對視頻質(zhì)量，尤其是對實(shí)時(shí)視頻傳輸質(zhì)量的影響。為此本文提出一種基于NS的網(wǎng)絡(luò )視頻QoS分析方法，既考慮丟包，又考慮延時(shí)對視頻質(zhì)量的影響，實(shí)現對EnhancedEvalVid的補充。

2 基于NS的網(wǎng)絡(luò )視頻QoS分析方法

2.1 系統的基本構架

　　本文提出的仿真系統結構如圖1所示。編碼器將YUV格式的視頻源，按照配置文件的要求進(jìn)行編碼，產(chǎn)生視頻壓縮文件。再根據視頻流的情況，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò )流量的trace文件，并將trace文件通過(guò)網(wǎng)絡(luò )模擬器。經(jīng)過(guò)模擬產(chǎn)生trace結果，分析后得到延時(shí)記錄和分組丟失記錄。最后，利用這些記錄產(chǎn)生有損傷的視頻壓縮文件，解碼后可以進(jìn)行質(zhì)量的評價(jià)。

2.2 分析的步驟

　　由于在視頻傳輸的仿真中，需要將真實(shí)的視頻流在仿真的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中傳輸，因此必須對NS-2進(jìn)行擴展與修改，添加視頻傳輸仿真過(guò)程中所需的網(wǎng)絡(luò )元素，包括代理的設計。本文利用文獻[4]中作者設計的3個(gè)代理MyTrafficTrace，MyUDP和MyUDPSink。MyTraffic-Trace代理按照發(fā)送trace文件，在適當的時(shí)間發(fā)送分組給低層UDP，發(fā)送時(shí)間是根據視頻幀發(fā)送率在trace文件中設定的。MyUDP是UDP代理的延伸，它記錄每個(gè)傳輸分組的時(shí)間戳，分組id和分組大小。MyUDPSink是接收代理，接收MyUDP發(fā)送的視頻分組，這個(gè)代理在指定的文件中記錄每個(gè)接收分組的時(shí)間戳、分組id和分組大小。另外，如果研究者需要驗證其提出的傳輸策略，就要使用C++和OTcl對網(wǎng)絡(luò )元素編程，并將其提出的策略加到網(wǎng)絡(luò )元素中去，然后重新編譯NS。在完成了對NS-2的擴展以后，就可以利用NS進(jìn)行仿真。

2.2.1 產(chǎn)生仿真用的trace文件

　　由于視頻編碼軟件不能直接產(chǎn)生用來(lái)仿真的trace文件。因此需要將視頻編碼器產(chǎn)生的視頻壓縮文件轉換成trace文件，trace文件的格式是<分組傳送時(shí)間，分組標識，分組類(lèi)型，分組大小>。轉換的基本原理就是讀取視頻文件中的時(shí)間戳和分組的大小，并將這些信息存儲到trace文件中。例如數據<0.066 667，id8，udp，407>，就是圖像測試序列mother_daughter.yuv經(jīng)編碼后，產(chǎn)生的trace文件中的一組數據，表示在0.066 667 s發(fā)送大小為407 B、分組標識為id8的分組。

2.2.2 仿真配置

　　(1)根據實(shí)際網(wǎng)絡(luò )的要求，定義網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，配置網(wǎng)絡(luò )拓樸結構，確定鏈路的基本特性，如延遲、帶寬等。

　　(2)建立協(xié)議代理，包括端設備的協(xié)議綁定和通信業(yè)務(wù)量模型的建立，將視頻流和各種背景流綁定到代理中。配置業(yè)務(wù)量模型的參數，確定網(wǎng)絡(luò )上的業(yè)務(wù)量分布。

　　(3)設置Trace對象。Trace對象把仿真過(guò)程中發(fā)生的特定類(lèi)型事件記錄在trace文件中。NS-2通過(guò)trace文件保存整個(gè)仿真過(guò)程。仿真完成后，可以對trace文件進(jìn)行分析研究。

　　(4)編寫(xiě)其他的輔助過(guò)程，設定仿真結束時(shí)間，至此OTcl腳本編寫(xiě)完成，再用NS-2解釋執行已編寫(xiě)的OTcl腳本，進(jìn)行仿真。

2.2.3 對傳輸后視頻文件的恢復與解碼

　　網(wǎng)絡(luò )仿真器能為每個(gè)傳輸的分組產(chǎn)生相應的記錄，仿真后產(chǎn)生trace文件，記錄模擬過(guò)程的所有trace數據。通過(guò)MyUDPSink代理生成目標trace文件，它的格式是<分組到達時(shí)間，分組標識，分組類(lèi)型，分組大小>。例如，數據<0.275093，id 8，udp，407>，就表示在上例中0.066 667 s發(fā)送的大小為407 B的分組id8在時(shí)刻0.275 093 s被接收到，若在目標trace文件中沒(méi)有對應的分組數據說(shuō)明該分組丟失。以下兩組數據：<0.510840，idl3，udp，102>，<0.608045，id 14，udp，306>是分別對應于連續兩幀圖像的分組，由于兩分組之間延時(shí)0.097 205 s超過(guò)了設定的幀間最大間隔，故在實(shí)時(shí)視頻傳輸中分組14由于延時(shí)超過(guò)限制，將不能用來(lái)解碼。

　　可見(jiàn)根據目標trace文件就可以判斷壓縮視頻分組中哪些分組要在傳輸過(guò)程中丟失，哪些分組因為延時(shí)超過(guò)了一定的限制而不能用來(lái)解碼?；谶@樣的方法，可以從壓縮視頻文件中將傳輸丟失的分組和延時(shí)超過(guò)限制的分組丟棄，從而產(chǎn)生新的傳輸以后的視頻壓縮文件。解碼器對該文件進(jìn)行解碼便得到重建視頻，從而進(jìn)行質(zhì)量的評估。

3 實(shí)例分析

　　圖2所示是本文進(jìn)行實(shí)例分析的視頻傳輸系統的結構示意圖，攝像機產(chǎn)生視頻文件，通過(guò)節點(diǎn)S1適時(shí)傳輸到節點(diǎn)D1，中間通過(guò)節點(diǎn)R1和R2；節點(diǎn)S1帶有1個(gè)CBR流量發(fā)生器，也通過(guò)中間節點(diǎn)R1和R2，向節點(diǎn)D2發(fā)送，作為影響視頻傳輸的背景流。鏈路的帶寬如圖中標注所示。本實(shí)例仿真主要想說(shuō)明CBR的背景流對視頻傳輸質(zhì)量的影響，從而論證本分析方案的可行性。

　　本例使用250幀的圖像測試序列mother_daughter.yuv，利用JVT給出的參考模型JM1.7 H.264編碼器進(jìn)行編碼，產(chǎn)生mother_daughter.264壓縮視頻文件，編寫(xiě)程序讀取壓縮視頻文件，產(chǎn)生名為mother_daughter.trc的trace文件。按照圖2配置網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，確定鏈路的基本特性。將視頻trace文件注入NS-2部分代碼如下：

　　仿真過(guò)程NAM動(dòng)態(tài)顯示截圖如圖3所示，在R1(圖3中的2號節點(diǎn))處產(chǎn)生了大量丟包。

　　以下是該仿真實(shí)例產(chǎn)生的輸出trace文件的部分內容：

　　對于其格式的含義，從第1列到第12列分別解釋如下：第1列表示特定的跟蹤對象實(shí)現的跟蹤類(lèi)型，有+(進(jìn)隊列)、-(出隊列)、r(接收)、d(丟棄)4種；第2列表示事件發(fā)生的時(shí)間(單位：秒)；第3列、第4列分別表示跟蹤的源和目的節點(diǎn)號(對應于圖3中的結點(diǎn))；第5列表示包類(lèi)型名字；第6列表示包大??；第7列是一個(gè)標志字符串，本例沒(méi)有使用；第8列是lpv6定義的流標識符；第9，10列表示包的源和目的節點(diǎn)地址；第11列表示流內的順序號；第12列表示一次仿真中每個(gè)新生成包的惟一標識號。以上數據組記錄了大小為407 B(435中包含28 B的分組頭)分組傳輸的整個(gè)過(guò)程，再通過(guò)MyUDPSink代理生成目標trace記錄<0.275093，id 8，udp，407>。

　　利用mother_daughter。264文件和目標trace文件，編寫(xiě)分析程序，從mother_daughter.264中將由于丟包和超時(shí)所丟失的分組去掉，得到新的視頻壓縮文件，解碼后可以從主觀(guān)和客觀(guān)上去評價(jià)視頻質(zhì)量。

　　圖4中的PSNR2和PSNR1分別展示了CBR有無(wú)背景流存在的2種條件下視頻序列的PSNR的對比情況，說(shuō)明CBR流的存在使視頻質(zhì)量惡化。圖5從主觀(guān)的角度，對比了兩種情況下的視頻質(zhì)量，通過(guò)這一簡(jiǎn)單實(shí)驗可以證明，本文所提出的方案是完全可行的。

4 結 語(yǔ)

　　本文選取NS-2網(wǎng)絡(luò )模擬器作為仿真環(huán)境，設計和實(shí)現一個(gè)視頻Qos分析的試驗平臺，對全部實(shí)現過(guò)程分析后，通過(guò)實(shí)例證明了提出的方案完全可行。對于網(wǎng)絡(luò )視頻QoS的研究者，可以應用文中給出的實(shí)驗平臺，分析和驗證其提出的視頻傳輸策略的有效性。