IEEE 802.11網絡中質量驅動的視頻傳輸技術研究綜述*

王海東

（1.太原科技大學電子信息工程學院 太原 030024；2.西安交通大學電子信息工程學院 西安 710049）

1 引言

IEEE 802.11無線局域網絡 （wireless local area network，WLAN）被廣泛應用于企業、學校、酒店、商場等各種領域。相比其他無線網絡，如 GSM、UMTS、WiMAX、LTE等，IEEE 802.11網絡的主要優點是簡單、靈活、部署成本低、擴展能力強等。視頻業務是WLAN所承載的重要業務數據類型，如何在WLAN中高質量地傳輸視頻數據是一項需要迫切解決的問題。

IEEE 802.11無線局域網的媒體接入控制（MAC）層具有基本的服務質量 （quality of service，QoS）功能。IEEE 802.11 MAC層的協議框架如圖 1所示。DCF（distributed coordination function）協議是IEEE 802.11MAC層的基本協議，在DCF的基礎上進一步擴展出了PCF、HCCA、EDCA和MCCA。其中，HCCA和EDCA提供了基本的QoS支持，HCCA提供基于參數的QoS，EDCA提供基于優先級的QoS。

圖1 IEEE 802.11 MAC層協議框架

分布式協調功能（DCF）是IEEE 802.11MAC層協議的基礎，其基本思想是“先聽后說”，包括兩個策略，分別為載波偵聽多路訪問（carrier sensemultiple access，CSMA）機制和沖突避免（collision avoidance，CA）機制[1]。為了增加WLAN對QoS的支持，IEEE 802.11工作組在IEEE 802.11e中引入了混合協調功能（hybrid coordination function，HCF）。HCF定義了兩種信道訪問機制：基于競爭的信道訪問機制被稱為 EDCA（enhanced distributed channel access）；基于輪詢的信道訪問機制被稱為HCCA （HCF controlled channel access）。IEEE 802.11e MAC 層引入了 TXOP（transmission opportunity）機制。TXOP是一個時間間隔，在這個時間間隔內，STA（station，站點）有權一直傳輸數據。如果STA通過競爭的方式獲得TXOP，則稱為EDCA-TXOP；如果通過輪詢控制的方式獲得TXOP，則稱為HCCA-TXOP。

EDCA在一個STA上定義了4種訪問類型（access categories，AC）， 分別被標識為AC_VO（voice）、AC_VI（video）、AC_BE（besteffort）和 AC_BK（background）。這 4 種AC通過設置不同的參數集實現不同信道的競爭優先級。

每個 AC的參數集包括 AIFS[AC]、AIFSN[AC]、CWmin[AC]、CWmax[AC]和 TXOPlimit[AC]。帶有 EDCA 功能的 STA同樣需要偵聽無線信道，如果信道空閑時間持續一個AIFS（arbitration interframe space）時間間隔，則啟動退避計數器，即AIFS等同于DCF協議中的DIFS。AIFS的計算式如下：

AIFS[AC]SIFS+AIFSN[AC]×aSlotTime,AIFSN[AC]≥2 （1）

其中，AIFSN[AC]是一個大于2的整數，CWmin[AC]和CWmax[AC]是每個AC競爭窗口的最小值和最大值，TXOPlimit[AC]規定了每個AC的TXOP持續時間。

HCCA 引入了混合協調器（hybrid coordinator，HC），HC 一般由AC擔任，通過輪詢的方式給STA分配信道訪問時間。

圖2 HCCA輪詢調度

如圖2所示，給出了一個簡單的HCCA-TXOP輪詢調度示例，假設網絡中有3個數據流需要輪詢分配TXOP時間（i，j，k），并且輪詢調度的時間周期是 SI（service interval）。

IEEE 802.11的標準協議雖然引入了一些QoS技術，但沒有充分考慮視頻業務的特點。視頻業務和傳統數據業務在傳輸要求上有很大的不同。傳統數據業務以降低誤碼率、提高系統吞吐量等作為網絡的主要指標；而視頻傳輸的主要目標是提高視頻在用戶終端的播放質量，而不同的視頻應用也對播放質量和傳輸時延有特別的要求。

再者，由于最新的視頻編解碼標準（如MPEG系列或H.26x系列）都采用了預測編碼機制，以消除冗余和提高壓縮效率，這恰好給視頻數據的碼流直接引入了很強的依賴性。在接收端，解碼器一般采用一定的錯誤消隱機制抵抗網絡傳輸中的分組丟失與誤碼。所謂錯誤消隱，是指利用視頻數據中相鄰視頻幀或宏塊對其進行補償，提高視頻播放的質量。因此，視頻數據對網絡的錯誤有一定的容錯性，但對傳輸的實時性有更為嚴格的要求。由此可見，單純地降低誤碼率已經不能很好地滿足視頻業務的需求，將視頻業務的內容特征和無線網絡的實時狀態有效地結合到一起，建立以提高視頻感受質量為最終目的、以合理配置無線網絡資源為手段的跨層優化結構，成為無線網絡視頻傳輸的理想目標，這種技術也可以被稱為質量驅動的視頻傳輸控制技術。

2 無線網絡中質量驅動的視頻傳輸控制算法

隨機分組丟失可能導致視頻質量的嚴重惡化[2]，因此如果在網絡中出現帶寬受限或資源緊缺，網絡設備中的調度器應該優先傳輸重要的視頻分組，以最大限度地提高終端用戶的視頻質量。

然而如何準確、有效且低復雜度地度量一個視頻分組的重要性或失真大小，仍然是一個開放性的問題，也是視頻網絡傳輸領域的研究熱點之一。

SVC[3]技術是解決這個問題的有效手段之一，但SVC編碼算法本身過于復雜，因此在實時視頻應用中很少采用。另一方面，失真分析也是解決這個問題的主要思路[4,5]，但視頻編碼壓縮技術的發展和廣泛應用，使得視頻分組或視頻幀的失真分析變得非常困難。為了最大程度地提高壓縮效率，現代編碼標準（如MPEG系列或H.26x系列）使用了很多先進的壓縮技術[6]，如幀間預測、幀內預測、亞像素預測等。這些先進的技術固然有效地提高了壓縮編碼的效率，但也使得視頻流比特之間產生了很大的相關性和依賴性，不同的比特對視頻終端顯示的影響程度也大不相同。另外，錯誤消隱機制在解碼器中的使用，也對失真分析的效果產生了影響。這些失真估計的算法從碼流中獲取一些壓縮編碼的信息，如一個視頻分組中SKIP宏塊和Intra-Coded宏塊的數目、一個視頻幀被后續視頻幀參考的次數、運動矢量的統計信息等。然后從統計層面構造這些編碼信息與失真度量的函數關系。不難看出，這些方法都需要全部或部分解碼視頻流數據。因此，過高的復雜度仍然是制約這類算法在IEEE 802.11網絡中應用的關鍵障礙。

視頻分組的優先級劃分是度量重要性的簡單方法，但其以降低精確性為代價。I、P、B幀的優先級劃分是最簡單的方法，即優先級排序為I>P>B。通過利用視頻流的壓縮編碼信息[7]，可以提高優先級劃分的準確性，但也相應地提高了計算復雜度。研究表明，在精確度要求不高的場合，基于優先級的方法也能有效提高視頻傳輸的質量。但如果使用一定的數學模型精確求解最優方法時，簡單的優先級劃分不能勝任。簡言之，視頻分組重要性度量的核心在于尋找精確度與復雜度之間的平衡點。

網絡實時視頻傳輸最主要的特征就是時延限制。一個實時視頻流的數據分組必須在一個規定的時延內到達用戶接收端，如果超過這個時延限制，即使該視頻分組被正確接收，也不能解碼和顯示[8]，這個時延限制可以被稱為deadline。

內容感知和時延感知的調度算法是提高實時視頻網絡傳輸的關鍵技術之一。這個問題被關注了很多年，針對無線網絡的視頻傳輸，很多學者提出了先進的算法和策略。EDF（earliest-deadline-first）算法是有線網絡中實時應用的最優調度算法[9]，但其并沒有考慮無線環境的時變性，也沒有考慮視頻內容，因此并不適用于無線網絡的視頻傳輸。參考文獻[10]提出一種媒體流的率失真優化的報調度算法，該算法在調度過程中考慮反饋信息和視頻的統計特征。參考文獻[2]提出一種多視頻流協作傳輸框架，該框架不僅要平衡不同視頻流之間的碼率和失真，也要平衡一個視頻流內的碼率與失真。在參考文獻[11]中，把無線網絡中視頻分組的調度問題描述為一個動態規劃框架，并且提出一種新的調度算法，綜合考慮了信道特征、分組時延限制和分組重要性。然而，這些算法都是針對一般無線網絡的調度算法，并沒有考慮IEEE 802.11網絡特性和相關協議。

前向糾錯（forward error correction，FEC）和自動重傳請求（automatic retransmission request，ARQ）是抵抗無線信道傳輸錯誤的一般策略。IEEE 802.11協議也使用了重傳機制，當數據分組發送失敗后，系統會啟動重傳過程并將競爭窗口的大小翻倍。如果重傳的次數超過一個上限值，則丟棄這個數據分組。但IEEE 802.11協議并沒有定義如何設置合適的最大重傳次數。

[12]提出一種基于時間的自適應重傳（time-based adaptive retry，TRA）算法，在應用層根據視頻分組的重要性給每一個視頻分組分配一個重傳時間門限（retransmission deadline），在WLAN的MAC層，系統根據這個重傳門限確定視頻分組的重傳或丟棄。仿真實驗表明，TRA算法優于固定重傳次數策略和無限重傳次數策略。參考文獻[13]針對視頻流在WLAN中的傳輸，提出一種自適應的跨層重傳限制（cross-layer packet retry limitadaptation）算法，該算法估計每個視頻分組的傳輸時間，在聯合考慮視頻分組的傳輸時間和重要性的基礎上，給每個視頻分組分配重傳限制。

FEC算法一般可以分成分組層的FEC（PFEC）和字節層的FEC（BFEC），PFEC有較強的錯誤恢復能力，但引入了較大的時延和抖動；BFEC的糾錯能力較弱，但時延和抖動低。參考文獻[14]提出了一種自適應的子分組層FEC（sub-packet FEC，SPFEC）算法。SPFEC算法的基本思想是根據無線網絡的信道狀況，調整編碼塊的大小。仿真實驗表明，SPFEC算法在實時視頻傳輸時的性能優于PFEC和BFEC。非平等錯誤保護（unequal loss protection，ULE）是視頻通信中的基本策略，其基本思想是給重要性不同的數據分組分配不同的冗余編碼。參考文獻[15]針對可分級編碼（SVC）視頻流，提出了一種內容自適應的優先級劃分策略，然后用ULE策略給予不同的保護，提高了WLAN中視頻傳輸的質量。FEC和ARQ機制都會引入額外的時延。另外，上述算法沒有考慮如何減少WLAN中的沖突概率，也沒有考慮MAC層隊列中的分組調度問題。

3 基于輪詢調度的視頻傳輸控制算法

HCCA協議是一種基于輪詢的信道訪問控制協議。這個協議需要AP站點輪詢地給每一個STA分配TXOP時間。HCCA協議最關鍵的參數是輪詢時間SI和每個STA的TXOP時間，協議推薦的TXOP計算式為：

其中，[X]表示向上取整，ρi是數據流的發送速率，Li是數據分組的大小，Ri是網絡的傳輸速率，O是數據傳輸中的其他額外時間開銷。但式（2）僅適用于CBR（constant bit rate）數據流，而視頻流一般是 VBR（variable bit rate）數據流，因此并不適用于視頻流的傳輸。

參考文獻[16]提出了公平 HCF（fair HCF，FHCF）調度算法，FHCF算法通過利用VBR流的平均速率以及對其瞬時速率與平均速率的偏差進行估計，再結合MAC層隊列長度的估算TXOP時間。仿真實驗表明，FHCF算法不僅能夠對實時視頻傳輸提供更好的QoS支持，而且能夠保證多個CBR流或VBR流之間的公平性。在參考文獻[17]中，為了更好地在WLAN中傳輸時延受限的SVC視頻流，筆者提出了一個基于HCCA的準入控制算法，該算法將需要傳輸的SVC視頻流分割為幾個傳輸子流（sub-flow），然后利用一個簡單的線性規劃（linear programming）模型為每一個子流分配TXOP時間，以達到最大化利用無線信道的目的。

參考文獻[18]提出了支持QoS的面向優先級的自適應控制 （priority-oriented adaptive control with QoS guarantee，POAC-QG）協議，POAC-QG協議通過AP站點收集其他STA的QoS需求參數，然后利用這些參數計算SI和TXOP時間。仿真實驗表明，POAC-QG協議能夠完全代替HCCA協議，而且有較少的視頻分組時延和抖動。參考文獻[19]提出了一種基于測量的動態TXOP（measurement-base dynamic TXOP，MBDTXOP）調度算法，主要思想是通過對VBR數據流的流量預測動態調整TXOP時間。相似的算法在參考文獻[20,21]中也有詳細的研究。

根據HCCA協議需要一個HC實現TXOP時間的分配和調度功能，在實際的應用中HC一般由AP擔任。基于HCCA協議的跨層算法一般通過實時獲取應用層、網絡層和物理層等的信息，計算最優的SI時間和TXOP時間。但AP之間沒有協調功能，如果IEEE 802.11網絡被高密度地部署，則每個AP無線覆蓋的重疊區域會非常多。使用HCCA協議后，這些覆蓋區域的數據傳輸會產生嚴重的數據分組沖突和碰撞，最終導致通信失敗，如圖3所示。因此，HCCA協議及其改進算法沒有被大規模地應用。

圖3使用HCCA協議后覆蓋區域的數據傳輸示意

4 基于競爭的視頻傳輸控制算法

DCF協議和EDCA協議都是基于競爭的信道訪問機制，能夠有效地避免多AP信號重疊覆蓋區域的數據分組沖突和碰撞。參考文獻[22]提出在標準的DCF協議中，AP節點和其他STA節點有相同的信道訪問優先權，這樣會導致實際網絡中的上行數據（從STA到AP）和下行數據（從AP到STA）的不平衡。因此，筆者提出一種新的算法，在給定下行傳輸帶寬比例的條件下，求出AP節點上最優的競爭窗口大小，實現上行數據和下行數據的公平傳輸。為了提高系統的吞吐量，很多學者提出了不同的算法和機制，包括改進退避算法[23]、設置合適的競爭窗口大小[24]、在相鄰小區使用不同的通信頻率[25]、使用令牌機制[26]等。但這些算法并沒有充分考慮視頻數據的內容信息。

DCF協議沒有任何QoS機制，EDCA協議在MAC層定義了 4個優先級隊列，分別是 AC_VO、AC_VI、AC_BE和AC_BK，對應于語音業務流、視頻業務流、數據業務流和背景流。參考文獻[27]針對WLAN中帶數據分割（data partitioning）的H.264視頻流的傳輸，提出一種跨層的傳輸框架（cross-layer architecture，CL-ARCH）。H.264 首次引入了數據分割技術[6]，視頻數據分組可以分成視頻參數集（parameter set）、IDR（instantaneous decoding refresh picture）幀、數據分割類型A、數據分割類型B和數據分割類型C。CL-ARCH根據視頻分組的重要性，把不同類型的視頻分組分別映射到AC_VO、AC_VI和AC_BE。參考文獻[28]提出了一種跨層的動態映射算法，以提高H.264視頻在WLAN中的傳輸速率。在這種動態算法中，MAC層調度器根據MAC層隊列的長度和視頻分組的重要性，把視頻分組映射到3個不同的隊列。參考文獻[29]也使用了類似的思想提高視頻傳輸的質量。參考文獻[30]提出了一種細粒度的優化映射算法，即根據視頻分組的優先級和當前的網絡狀態建立一個線性優化模型，并求解出最優的映射方案，進一步提出視頻傳輸的質量。參考文獻[31]提出了一種時延感知的傳輸框架（deadline-aware transmission framework，DATF），DATF不僅進行了類型映射，還估計了每個視頻分組的傳輸時延，并將可能超時的分組主動丟棄。

本質上，EDCA協議通過減少競爭窗口的大小來提高它的優先級，如果網絡中存在較多高優先級的數據流，就會導致沖突的增加和網絡性能的降低，如圖4所示。

圖4 網絡中存在較多高優先級的數據流時的場景

另外，IEEE 802.11系列協議已經支持多速率技術，因此也是視頻傳輸領域的發展方向。參考文獻[32]針對多速率無線局域網提出了一種準入控制機制，通過度量當前的帶寬和接入新節點后的影響來確定是否接入。參考文獻[33]也進行了相似的研究。參考文獻[34]提出了一種改進的分布式協作 （enhanced high-performance distributed coordination function，EHDCF）算法，克服了傳統DCF協議在多速率條件下低速率節點影響高速率節點性能的問題。參考文獻[35]研究了時延敏感應用在多速率WLAN中的公平性問題，并通過測量節點的狀態實時調整MAC層參數。參考文獻[36]研究了多速率WLAN中的視頻多播問題，提出了一種質量差別性多播（quality-differentiatedmulticast，QDM）協議，該協議通過調整網絡的傳輸速率適應視頻碼率的變化。總體而言，多速率無線局域網中的視頻傳輸問題仍處于研究的起步階段，也是未來研究的熱點。

5 結束語

高質量的傳輸視頻數據是IEEE 802.11網絡在實際應用中的迫切需求之一。本文介紹了基于IEEE 802.11網絡MAC層協議的質量驅動的視頻傳輸控制算法。EDCA和HCCA是IEEE 802.11協議棧定義的兩種基本的QoS機制，但并沒有考慮視頻數據的一些特點。目前，研究人員在EDCA和HCCA協議的基礎上提出了很多質量驅動的視頻傳輸控制算法，但還沒有有效地克服這兩種協議固有的缺陷：EDCA協議簡單，但多用戶條件下會降低系統性能；HCCA單小區性能較佳，但多小區的AP之間沒有協調。在充分利用視頻數據特點的基礎上，將兩種協議的優點結合起來提高視頻傳輸質量是未來IEEE 802.11網絡中質量驅動的傳輸控制算法的研究目標和方向。希望本文的研究有助于相關領域的研究人員更好地理解WLAN中視頻傳輸所面臨的挑戰和問題。

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