一種無線自組織網上視頻QoS保障方法

武海生，王貴錦，王子秋，林行剛

（清華大學 電子工程系，北京 100084）

1 引言

無線自組織網（Wireless Ad Hoc Networks）是一種無中心的對等式網絡，和傳統的網絡相比，它具有自組織、多跳路由和動態拓撲等特點。具有Ad Hoc功能的終端之間很容易實現網絡的組建，是下一代無線網絡的重要組成部分。但由于無線自組織網絡的拓撲結構經常發生變化，加上無線信道自身的不穩定、易被干擾等特性，使得視頻通信這種需要高帶寬、低延時、小抖動的數據業務難以在網絡上展開，因此設計保障視頻通信服務質量（QoS）的方法很重要，并且對無線自組織網絡上進行的其他數據業務也具有借鑒意義。

由于缺乏中心控制，有線網和無線局域網（WLAN）上已經比較成熟的QoS保障方法不能直接應用于無線自組織網絡。目前無線自組織網絡上針對視頻通信的QoS保障方法主要分為兩大類，其中一類采用跨層設計的方法，結合應用層、傳輸層和鏈路層的特點，通過低層的鏈路信息來調節頂層信源編碼速率、數據發送速率等參數，從而達到QoS保障的目的[1]，但這類方法僅考慮自身及上行鏈路的質量，是一種局部控制的方法；另一類方法通過節點之間互相傳遞本地的鏈路狀況來獲得全局信息，網絡中各節點根據本地和網絡內其他相關節點的信息來調節自身的數據發送速率等參數[2－3]，這種方法的缺陷在于網絡開銷龐大，反應速度慢，而且當網絡發生擁塞時這些控制信息也容易發生丟失，視頻通信的QoS得不到保障。

GSM網絡作為一種成熟的網絡應用具有網絡覆蓋范圍大、延時小、服務質量高等特點，這些特點彌補了無線自組織網絡的缺陷[4]。筆者利用GSM網絡作為中心節點來控制調節無線自組織網絡上進行的視頻通信業務，帶來的好處有：1）及時高效，保障視頻通信QoS的控制信令，通過GSM網絡傳輸，可靠且延時小，不受信道變化的無線自組織網絡影響，幾乎可同時對業務發起端和各個中繼點進行調整控制，同時控制信令不占用數據傳輸帶寬；2）中心控制節點可以通過各用戶終端的信息得到整條數據業務鏈上的網絡狀況，從而制定更加有效合理的控制方式。

2 整體框架

筆者提出的QoS保障方法整體框架如圖1所示。

圖1 視頻通信QoS保障方法整體框圖

方法的總體流程如下：客戶端節點（無線自組織網絡節點）定期上報信道質量和擁塞狀況，中心服務器（GSM網絡節點）根據上報信息對整個網絡和數據業務路由的狀況做出判斷，對于輕度的網絡擁塞和抖動，服務器對業務的源端進行速率控制；當網絡狀況持續惡化，現有路由不能再支持業務的最低帶寬要求時，服務器通知業務源端重新尋找路由并上報，服務器對比新路由質量和原有路由質量來決定業務是否更換路由。

根據QoS控制的需求設計相應的信令，主要分為客戶端的信息上報信令和服務器端的控制信令兩大類。其中，信息上報信令包括本地網絡狀況上報信令和新路由發現上報信；控制信令包括速率調整信令、重新發現新路由信令和更改路由信令。

3 QoS保障方法詳述

3.1 客戶端動作

客戶端從動作上分為兩類，一類是視頻業務的發起端，主要動作是根據中心節點的指令調整數據發送速率或重新尋找路由，并將相應的一些參數和路由查詢結果上報給中心服務器；一類是數據業務的中繼節點，主要動作是定期上報本地鏈路質量（如可用帶寬等）以及是否發生擁塞。

視頻通信發起客戶端動作如下：在啟動一項新的視頻通信業務時上報編號、當前的發送速率及所能容忍的最低發送速率。當接收到中心服務器調整速率的指令時，按照中心服務器的指令相應的增大或降低發送速率，并將調整后的發送速率報告給中心服務器。當接收到中心服務器重新尋找路由的指令時，保持當前應用的路由不變，同時將中心服務器給出的瓶頸節點的IP屏蔽后，尋找另一條新路由。若未找到新路由，則通知中心服務器未能找到新路由；若找到新路由，則發送探測包測量路由帶寬，然后將這條新路由及相應的帶寬上報給中心服務器，等待通知。若得到中心服務器更改路由的通知，則將此視頻通信的路由更改到新路由上來發送；若得到中心服務器不更改路由的通知，則不改變路由，并將此情況上報給本地應用層等待相應處理（繼續降低發送速率或停止視頻通信）。

中繼客戶端動作如下：實時測量所有上一跳節點到本節點的鏈路帶寬，并根據鏈路帶寬和實際承擔的業務量計算出鏈路可用帶寬，同時記錄下這條鏈路所承載的所有視頻通信業務的編號，將這些信息定期上報給中心服務器。

3.2 服務器端動作

中心服務器要記錄每個應用的編號、相應的路由、當前發送速率及所能容忍的最低發送速率。若有節點通知中心服務器該節點發生擁塞，則向所有經過該節點的路由所對應的應用發端發出降低發送速率的指令。若暫無節點發生擁塞，則根據每個應用對應路由上各節點上報的信息，計算該路由為該應用所能提供的帶寬和剩余帶寬。若剩余帶寬大于帶寬的20%，則向視頻通信的源端發出提高發送速率的指令；若剩余帶寬小于帶寬的20%，則向源端發出降低發送速率的指令。若帶寬小于發端所能容忍的最低發送速率，則向發端發出重新尋找路由的指令，同時將這條路由上瓶頸節點的IP通知給發端，并等待發端尋找新路由的結果。若發端通知中心服務器未能找到新路由，則中心服務器向發端發送不更改路由指令；若發端找到新路由，則中心服務器將新路由的帶寬與原路由帶寬進行比較。如果新路由帶寬大于原路由帶寬且大于該視頻通信所能容忍的最低發送速率，中心服務器向發端發出更改路由的指令。否則，中心服務器向發端發出不更改路由的指令。

3.3 帶寬測量方法

每個客戶端上行鏈路的可用帶寬是整個QoS控制中重要的參數，中心服務器需要根據它來制定速率調整和路由重新選擇的策略。文中帶寬測量方法采用文獻[5]中的單探測包測量方法：在發送端發送不同長度的探測數據包，在接收端計算每個數據包的延時，在理想情況下這些延時將成直線分布，該直線斜率的倒數就是整條路由的帶寬，如式（1）和圖2所示

式中：P為數據包長，L為固定延時，T為每個包的總延時，B為帶寬。

這種帶寬測量方法簡單，網絡開銷小，但受節點間時間同步的影響一般誤差較大，在本文的混合網絡結構下，無線自組織網絡中的各個用戶節點可以通過GSM中心服務器進行時間同步，從而減少時間同步對測量結果的影響。

圖2 帶寬測量示意圖

3.4 速率控制方法

速率控制方法是通過測量得到的網絡狀況參數，主要是帶寬和擁塞狀況，來決定客戶端視頻編碼的量化參數和幀率。首先通過調整量化參數微調數據發送速率來適應當前帶寬，當量化參數連續變化時，說明信道急劇變化，這時通過調整視頻的幀率來大幅度調節數據發送速率。

3.4.1 擁塞出現后的速率調整策略

根據丟包率可以判斷網絡擁塞的狀況，針對視頻通信業務的特點，當網絡擁塞之后并不馬上大幅降低數據發送速率，允許一定限度的丟包，盡量保證包發送速率平穩，抖動小，發送不中斷。只有在網絡發生重度擁塞時才進行相應的速率調整，速率調整策略如式（2）所示，其中Rmin為視頻通信所能容忍的最低發送速率，Rprev為調整前數據發送速率。

3.4.2 恢復階段的速率調整策略

當擁塞情況緩解后，速率調整遵循以下原則：避免擁塞再次出現，保證速率可以較快增長到較高值。速率調整公式為

式中：Rcongs是前次擁塞發生時的發送速率，α是和式增加因子，0.1和0.99是經驗值。

3.4.3 量化參數變化策略

量化參數的改變首先是目前的數據發送速率和幀率計算幀長度，即

式中：R為當前網絡狀況下數據發送速率；n為幀率；m為I幀間隔；4.3為經驗值。然后根據P幀長度選擇量化參數，這里采用的模型是

式中：L 為 P 幀長度；q 為采用的量化參數；MAD（f，fref）為當前幀與參考幀之間的平均絕對偏差；α，β，γ為經驗值。對于每一個即將編碼為P幀的圖像，計算出這幀圖像與參考幀之間的平均絕對偏差和當前帶寬所允許的該P幀的長，從而確定出最優量化參數。

3.4.4 幀率變化策略

幀率的變化調整不能過于頻繁，否則容易造成抖動，影響用戶主觀質量。本方法中幀率變化的策略為計算過去一個GoP（Group of Picture）中各幀的量化參數的變化情況，當量化參數變化劇烈時調整幀率。

4 實驗結果及分析

筆者搭建了一個包含10個客戶端節點和1個中心服務器的測試平臺。其中10個客戶端節點組成一個無線自組織網絡，每個客戶端節點安裝IEEE802.11b/g網卡和GSM上網卡，分別用于進行數據業務通信和控制信令通信，中心服務器安裝GSM上網卡，模擬GSM基站功能，實現對無線自組織網絡的控制功能。測試視頻通過攝像頭實時采集編碼傳輸，傳輸視頻分辨力為320×240，幀率根據信道情況可在5～30 f/s（幀/秒）進行自適應調整。

在測試平臺上分別對1路視頻的2跳、4跳、5跳通信，和2路有交叉路由的視頻通信進行了實驗。部分實驗結果如圖3、圖4所示。

圖3 1路視頻路由跳數變化后幀率變化情況

圖4 2路視頻交叉和斷開情況下P幀編碼長度變化

圖3顯示了當視頻通信過程中由于距離變化造成路由跳數變化的情況下視頻幀率的變化情況，可以看到本文所提方法可以根據信道帶寬的變化調整源端的數據發送速率，并且調整效果不會造成數據發送速率的劇烈變化，影響用戶的主觀感受。

圖4顯示了當2路視頻發生交叉和斷開交叉時P幀編碼長度的變化情況。可以看到當2路視頻交叉時發生擁塞，信道急劇惡化，本文所提方法可以馬上對擁塞作出反應，調節信源編碼長度，同時通知源端重新發現路由，當擁塞問題解決后，源端編碼效率立即恢復。

所有實驗均給出了較為滿意的結果，表明該方法可以有效地減少信道及路由變化對視頻通信造成的抖動等影響，為無線自組織網絡上進行視頻通信提供了有效的QoS保障。

5 小結

筆者提出了一種結合GSM和無線自組織網絡兩者特點的視頻通信QoS保障方法。通過可靠的GSM網絡信道來傳遞控制信令，實現高速有效的QoS控制，為無線自組織網絡上的視頻通信提供保障。本文中的方法基于現有的技術和硬件條件，應用于對QoS要求更為苛刻的視頻通信中，因此可滿足實際應用并能擴展到Ad Hoc網絡上運行的其他數據業務中。

[1]QU Q，APPUSWAMY R，CHAN Y S.QoS guarantee and provisioning for real-time digital video over mobile Ad Hoc CDMA networks with cross-layer design[J].IEEE Wireless Communications，2006（10）：82-88.

[2]YANG Yaling，KRAVETS R.Distributed QoS guarantees for realtime traffic in Ad Hoc networks[C]//Proc.IEEE Sensor and Ad Hoc Communications and Networks.[S.l.]：IEEE Press，2004：118-127.

[3]方旭明，朱曉東，姚忠輝，等.一種無線網絡的二層擁塞控制方法∶中國，200610098583.1[P].2008-01-02.

[4]BHARGAVA B，WU Xiaoxin，LU Yi，et al.Integrating heterogeneous wireless technologies∶a cellular aided mobile Ad Hoc network （CAMA）[J].Mobile Networks and Applications，2004，9（4）：393-408.

[5]DOWNEY A B.Using pathchar to estimate internet link characteristics[C]//Proc.ACM SIGCCOM.New York：ACM，1999，29（4）：241-250.