無線Ｍｅｓｈ網流媒體傳輸速率控制策略及模型

(1.華中師范大學 教育部教育信息技術工程研究中心，武漢 430079； 2. 河南司法警官職業學院 信息技術系， 鄭州 450002)

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摘要：

基于無線Mesh網（WMN）的網絡特征，提出適合WMN流媒體傳輸的速率控制策略，并給出其相應的模型描述。提出的策略和模型充分利用鏈路的多樣性，降低由重傳機制和節點沖突造成的流媒體傳輸時延增大并改善流媒體傳輸的性能，同時兼顧WMN接入有線網絡的TCP友好性等特征。

關鍵詞：無線Mesh網; 流媒體； 速率控制; 服務質量

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：10013695(2009)03099103

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Model and strategy of rate control for streaming media transmission over wireless Mesh network

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ZHU Xiaoliang1， WANG Lina2

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(1.Engineering Research Center for Education Information Technology， Huazhong Normal University， Wuhan 430079， China；

2. Dept. of Information Technology， Henan Judicial Police Vocational College， Zhengzhou 450002， China)

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Abstract:

This paper presented rate control strategy and its model description to satisfy streaming media transmission over WMN. Took into consideration link diversity in the strategy and its model. Transmission delay introduced by retransmission scheme and interference among the nodes was reduced by utilizing this strategy. Therefore， improved streaming quality. TCP fairness performance when WMN accesses wired network is also considered in the model.

Key words：wireless Mesh network(WMN); streaming media; rate control; quality of service(QoS)

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0引言

WMN鏈路的自組織能力和鏈路的多樣性等特征使得WMN可為流媒體服務提供具有吸引力的解決方案[1]，當然也必將面臨新的挑戰。其中一個主要問題是降低節點間干擾對于流媒體傳輸的影響，避免頻繁地啟動重傳機制而無法保障流媒體傳輸的時延和丟包率需求。流媒體業務能夠承受一定的丟包，但WMN鏈路的多跳累積將使得丟包狀況進一步加劇[1]。盡管如此，WMN鏈路的多樣性特征結合MDC多徑傳輸技術可大大提高流媒體傳輸的服務質量；同時，由于內存和計算資源的價格下降趨勢，用戶也傾向于不立刻清除所看媒體的內容片斷，相反可能存儲下來待將來查閱，存在多源多徑流媒體傳輸的需求[1]。在典型的如Roofnet等類似的網絡中，節點較少移動且無能量限制，因此，WMN環境流媒體系統設計的焦點是改善流媒體服務的性能，而非移動性和能量效率等考慮[1，2]。現有研究中，Li等人研究了WMN流媒體多徑傳輸與FEC技術的結合，建立了優化的路徑選擇算法[1]；Chou等人研究了WMN低時延廣播算法[3]。上述研究為流媒體傳輸速率控制策略提供了新的思路：a）WMN流媒體傳輸有必要結合多徑傳輸以充分利用鏈路的多樣性來研究新的速率控制策略；b)必須能夠降低由重傳機制和節點沖突造成的流媒體傳輸時延增大和改善節點干擾對流媒體傳輸的影響；c)還必須改善WMN接入有線網絡的TCP友好性。

1流媒體傳輸速率控制分析

通常，流媒體傳輸控制主要包含兩個基本要素，即錯誤控制和擁塞控制[4]。其中：錯誤控制包含了前向糾錯編碼（forward error correction，FEC）、自動重傳請求（automatic retransmission request，ARQ）、錯誤恢復（error resilience）和錯誤隱藏（error concealment）等方面研究；擁塞控制包含了速率控制（rate control）、速率自適應編碼（rateadaptive encoding）和速率整形（rate shaping）等方面。速率自適應編碼是從多媒體壓縮的角度考慮的，而速率控制則是從網絡傳輸角度考慮，速率整形則綜合考察了前兩者的因素。速率控制研究的目的主要是降低網絡擁塞概率和丟包，使得流媒體速率和網絡可用速率相適配[4，5]。近年來，上述研究得到了學術界和企業界的極大關注和廣泛支持，其發展突飛猛進。

流媒體傳輸速率控制包括應用層、網絡層、鏈路層等不同層次的內容，每個層次都具有各自的特征。根據流媒體的編碼方式（如多描述符或單描述符編碼等）和傳輸方式（單徑傳輸或多徑傳輸等）的不同，將流媒體傳輸速率控制技術進行簡要的總結歸類并分析WMN條件下研究速率控制的出發點（如圖1的灰色部分所示）。如圖1所示，目前采用單徑和多徑傳輸流媒體的速率控制。考慮到WMN的路徑多樣性特征，采用多徑方式可有效分散網絡流量并充分提高傳輸的可靠性和媒體質量。此類研究包括了多徑傳輸單描述符和多描述符編碼流媒體等策略。以MPEG4編碼為例，若采用多徑方式傳輸，速率控制的重點是保障關鍵幀（如I幀）的實時無差錯傳輸；對于其他幀則依次考慮其重要性，因此可稱之為基于幀重要性的速率控制機制[6]。但是該方案仍無法解決基本層（或關鍵幀）信息丟失對流媒體質量造成的較大損失，而采用多徑傳輸多描述符編碼流媒體則可利用各條鏈路誤碼的不相關性和多描述符間的相關性提高流媒體傳輸的質量。后者的速率控制研究的重點在于如何保障多描述符速率的相對公平性、盡量減小流間的時延差別，從而降低對用戶緩沖區的需求和流媒體連續播放要求。因此，需要研究多描述符間的協作速率控制，同時也需要建立有效的單徑速率控制。

單徑速率控制通常分為基于網絡和基于端到端兩大類[7]。其中，基于網絡方法的目標是實現擁塞控制并側重于降低網絡負荷、減少數據丟失和傳輸延時，這類方法又可分為鏈路層控制和網絡層控制兩類。在網絡層主要由路由節點來主動丟棄或通過優先級、網絡狀態標志字等設置來實現速率的調整，如顯式擁塞通知（explicit congestion notification，ECN）方法采用以下操作方式[8]：具備ECN功能的RED路由器若探測到擁塞則按照設定的概率在到來包的IP頭域中標記ECN位；接收端收到具有標記位的包時，即按照丟棄包的處理方式通知發送端窗口減半。趙永祥等人則提出了根據幀重要性和TCP友好帶寬利用率的速率控制方法等[9]，但是此類方法往往需要網絡路由節點的支持，因此需要修改協議棧。然而，在已有網絡條件下對路由器等網絡節點的修改往往是不可行的，而且若不能根據流媒體特性進行選擇性丟棄將會使得流媒體在解碼端的錯誤擴展更加嚴重[7]。在鏈路層，速率控制反映的則是為了實現系統利用率或能效最優而調整傳輸速率，分為發送端驅動和接收端驅動兩類[10]。由于接收端驅動方案在算法精度和網絡開銷方面的不足，需要重點研究發送端驅動的鏈路層速率控制。基于端到端的速率控制方法則工作在應用層，一般運行在發送端和接收端，通過反饋機制來達到避免擁塞的目的[5]；TCP友好性通常在該層得到保障。在此類中，為了提高無線鏈路的利用率，Chen等人建議在一條鏈路傳輸多個TFRC流（multiple TFRC，MTFRC）的方案，簡稱為多流速率控制。但其僅僅考察鏈路狀況，未從媒體特性的角度來考慮問題，并且流媒體編碼速率和鏈路帶寬的波動也降低了該機制的可操作性[7]。另外研究的重點是單流速率控制機制，在無線鏈路則可分為基于丟包區分和未考慮區分兩種機制。丟包區分機制可以降低無線鏈路丟包對速率調整的影響，提高無線鏈路的吞吐量和TCP友好性，因此需要重點研究。此外，端到端速率控制機制可以采用固定包長和變包長（分包）傳輸兩種方案以進一步將速率控制問題細化。其中，后者也稱為基于分包的速率控制機制，即將較大流媒體包按最優的小包長切分以降低無線鏈路誤碼對于流媒體傳輸造成的影響。但當前的最優包長選擇及其實現機制并未徹底解決，分包方案的優勢未能發揮，因此，必須結合WMN的鏈路特征研究結合分包的速率控制。

2WMN流媒體速率控制策略

實際上，基于端到端和基于網絡的速率控制機制可以相互配合，從而為流媒體傳輸提供鏈路自適應的速率選項。根據第1章的分析，為實現WMN流媒體速率控制，以基于端到端和鏈路層速率控制為研究重點，并在此基礎上提出集成的速率控制策略。流媒體速率控制策略可以分為兩個層次：a）研究單徑流媒體傳輸的策略。其中，鏈路層速率控制研究重點是降低節點干擾造成的誤碼率升高引起的傳輸質量的下降，同時為端到端傳輸速率控制提供跨層幀錯誤率保障接口；基于端到端的速率控制研究則分為可變包長（分包）調整機制和TCP友好方程研究兩個層次內容。b)將前面各項研究綜合，建立基于多描述符傳輸的多徑速率控制策略。

WMN端到端速率控制研究的重點包括TCP友好速率控制方程和包長調整的策略等。兩者的目的相同，都是為了合理控制流媒體的傳輸速率，保證信號實時、可靠傳輸；但是兩者的出發點不同，分別解決傳輸中遇到的不同問題。其中：速率方程研究的目標是TCP友好性的改善和吞吐量的增大，包長調整的目標是改善流媒體幀平均傳輸時延及抖動。在流媒體傳輸中，可以分別使用或者同時使用兩種方法來改善傳輸。如圖2所示，端到端速率控制策略首先根據接收信息反饋并通過速率控制方程和控制策略得到鏈路的流媒體傳輸的可用速率，然后將該速率分解為發包調度和包長調整兩部分任務。

端到端速率控制可以與鏈路層速率控制相結合以構建跨層速率控制策略，如圖3所示。其中ni表示干擾噪聲。端到端速率控制工作在應用層，目標是提供端到端的擁塞避免和針對鏈路時變和誤碼特征具備自適應調整能力；鏈路層速率控制則根據端到端機制的反饋參數（丟包率區分結果等）經跨層控制器為流媒體傳輸提供幀錯誤率保障能力。

在上述策略的基礎上可建立WMN流媒體的集成速率控制策略，如圖4所示。集成速率控制策略在多個描述符源的速率模塊（采用端到端速率控制或跨層速率控制等）基礎上增加多流協作功能，即基于多描述編碼傳輸的協作速率控制策略，從而充分利用WMN的路徑多樣性信息來分散網絡流量和結合鏈路層機制和端到端速率機制實現協作式速率控制。

3WMN流媒體傳輸速率控制模型

3.1鏈路層速率控制模型和問題描述

WMN提供了多個數據速率選項，為了支持在有噪音的環境下能夠獲得較好的傳輸速率，IEEE 802.11b采用了動態速率調節技術，使得用戶能夠在不同的環境下自動使用不同的連接速度來補充環境的不利影響，這在速率控制技術中稱為鏈路層速率控制[11]。在理想狀態下，用戶以11 Mbps的全速運行，然而，當用戶移出理想的11 Mbps速率傳送的位置或者距離時，或者潛在地受到了干擾的話，將把速度自動按序降低為5.5、2、1 Mbps；同樣，當用戶回到理想環境時，連接速度也會以反向增加直至11 Mbps。速率調節機制是在物理設備自動實現而不會對用戶和其他上層協議產生任何影響。為了實現鏈路層速率控制，必須考慮到高數據率傳輸必須采用更為緊湊的調制編碼技術，而且數據率越高，誤碼率要求越高，進而信號噪聲干擾比（SNIR）要求也越高。例如，SNIR為10 dB時，采用正交幅度調制（16QAM）的4 Mbps傳輸的誤碼率為0.07；若采用四相相移鍵控（QPSK）以2 Mbps速率傳輸的誤碼率則下降至4×106[11]。因此，鏈路層速率控制必須綜合權衡速率選項和誤碼率（幀錯誤率）保障的要求[11]。再者，WMN的MAC層必須要考慮多跳特征。現有典型的MAC協議主要考慮單跳情況，而路由協議負責解決多跳問題，這種約定盡管簡潔，但是在WMN中的一個節點的接收不僅受到一跳范圍的鄰居節點，也受到兩跳或更多跳鄰居節點的影響，尤其是遠程節點的干擾問題使多跳鏈路的信噪比大大下降。若干擾頻繁發生，則引發過多的重傳增大了鏈路負荷，多跳累積造成丟包率增大和端到端吞吐量的顯著降低，最終無法保障WMN流媒體傳輸的質量要求[12]。此外，現有的大多數MAC協議研究的重點是提高網絡的容量和鏈路吞吐量等，而對于流媒體業務需要更多的服務質量支持，如幀錯誤率、時延抖動等考慮不多[13]。本文研究鏈路層的速率控制問題，著重解決因干擾等造成的信噪比下降問題，進而提供適合于流媒體傳輸的具備缺省和預先設置幀錯誤率保障能力的發送速率，其中后者提供了一種跨層幀錯誤率保障的方案。

定義1鏈路層速率控制模型表述如下：若保障幀錯誤率門限FERTH，第j個調整間隔當前SNIR的統計值為snirj，而最優（用“*”表示）調整速率R*j必須滿足：

R*j={max(rj)∪min(FERj)}（1）

且FERj=1-(1-ej)L>FERTH，誤碼率e滿足關系式ej=f(sinrj，rj)，rj∈Rj。其中：f表示在速率rj條件下誤碼率和SNIR的映射關系；備選速率集Rj={r0，…，ri，…，rM}(i=1，…，M)，M表示可選速率數，且RjR；ri表示可供選擇的發送速率；R表示鏈路層總的可選速率集（在IEEE 802.11b包含1、2、5.5和11 Mbps四種速率）；L表示以bit為單位的包長。

式（1）給出了兩種速率選擇的模式：在滿足幀錯誤率門限的前提下，選擇理論幀錯誤率最小的速率；選擇最大的速率，而幀錯誤率相對較大，這就需要尋找和建立兩者間的較好的平衡。實際上，第一種模式選擇的必將是最小的傳輸速率，最終將影響傳輸時延。對于流媒體傳輸而言，選擇方式二的模式應該更加具備優勢。

3.2端到端速率控制模型和問題描述

一般而言，基于端到端的速率控制方法是通過鏈路信息的反饋來實現自適應速率調整和改善流媒體傳輸質量的目的。假定N個流媒體傳輸流競爭鏈路帶寬Rmax（由信道容量公式所限定），每個流的發送端依據統計值或接收端反饋的QoS參數，如RTT、丟包率、傳輸時延等按照TCP友好的標準得到最大可用發送速率，具體描述為

定義2流i（i=1，…，N）的接入速率的約束條件描述為

ΣTj=1Ri(πj)≤μi(κi)×T(2)

即流i的實際吞吐量小于信道可滿足的最大QoS級別時所提供的吞吐量，且所有流的最大可用速率和小于發送端的最大信道容量Rmax。其中:T表示統計時間段數目；Ri(πj)表示第j個時間段保證的QoS級別πj對應的可用速率；μi(κi)表示可以保證流i的最大QoS級別κi對應的可用速率，且

ΣNi=1μi(κi)＜Rmax(3)

定義3流i傳輸的QoS約束描述為

QoSi(πj)={FERi(j)，di(j)，plri(j)，RTTi(j)，…}(4)

即第j個時間段保證的QoS級別πj可由傳輸時延di(j)、流媒體幀錯誤率FERi(j)、丟包率plri(j)、RTT測量值RTTi(j)等表述。

由上述約束條件得到QoS自適應速率調整模型如下：

定義4QoS自適應速率調整模型描述為異構接入速率在定義2和3描述的約束條件下由包長和幀速率、發送速率等共同保障：

R*i={R*i(j)|QoS*i(j)}(5)

QoS*i(πj)=min{FERi(j)}∪ min{di(j)min{RTTi(j)}∪ min{plri(j)}}(6)

FERi(j)≤FERTH，di(j)≤dTH，RTTi(j)≤RTTTH，plri(j)≤plrTH(7)

即在保證第j個時間段獲取最優的QoS級別QoS*i(πj)的條件下得到流i的最優發送速率R*i(j)。其中，QoS*i(πj)表示在必須滿足各QoS指標分別小于門限的情況下求得各指標的最小化。

在不同的速率控制機制中，可任選其中的一種或多種來作為QoS指標。速率也可由相應的速率參量矩陣（可包含幀速率、發送包長等多個速率要素）來代替。構造的關鍵是速率控制方程的建立，即建立選擇的QoS指標和速率參量的函數關系。自適應速率控制模型的應用包括兩種模式：

a）實時QoS參數反饋模式，即將當前的QoS指標反饋至發送端，從而得到滿足當前QoS指標的最優化速率參量。如圖5所示，其中：R(j)為發送矢量；Q(j)為QoS參數矢量。

b）預制QoS參數模式，即用戶得到的QoS保障預先限定在某個范圍。這樣在求解自適應參數時，若假定初始化QoS級別為最優解，則自適應參數求解問題將轉換為盡力保證初始化QoS級別的要求下將速率參量等按QoS誤差作比例調整。模式2的QoS自適應速率調整模型如圖6所示。其中，R(j)為發送速率矢量；Q(j)表示QoS參數矢量；