无线网络视频感知的机会网络编码实现方法

摘要

本发明提出了一种无线网络视频感知的机会网络编码实现方法，具体包括：A、节点首先判断待转发的数据包是否满足编码条件，对满足编码条件的编码包和需要转发的原始数据包采用视频感知的机会转发机制；B、根据数据包的重要程度以及无线网络的邻居链路质量状况，用效用增益函数来评估每个数据包对视频质量的贡献程度；C、根据数据包的效用增益函数值的不同，为其分配不同的优先级，效用增益函数值越大，数据包将以更高概率接入信道；反之，则接入信道概率降低。本发明根据效用增益值的大小，采用多优先级的调度机制接入信道，提高网络视频传输质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线网络视频感知的机会网络编码实现方法，属于计算机通信网络 领域。

背景技术

随着通信技术的迅猛发展，无线网络由于其网络覆盖范围广、投资成本低廉、组网 灵活等优势得到了广泛应用。新兴的多媒体应用如视频点播、网络游戏、移动电视等对 无线通信网络的实时数据传输和服务质量（QoS）保证提出了更新的、更高的要求。无 线网络中的多媒体数据流传输十分复杂，研究表明现有的协议并没有充分考虑无线通信 的固有特性，使得无线通信环境下的网络性能明显降低。

2000年，香港中文大学R.W.Yeung等人提出了网络编码的思想。自此，网络编码 正式进入人们的视线，它打破了通信网络中传统的存储转发的信息处理方式，成为通信 领域的一个研究热点。网络编码是一种融合编码和路由的信息交换技术，它在传统存储 转发基础上，允许对接收的多个数据包进行编码信息的融合，以增加单次传输的信息量， 从而提高网络整体性能^[6]。研究表明，网络编码在提高网络吞吐量、改善负载均衡、增 强网络鲁棒性等方面均显示出显著的优越性。

目前，基于网络编码的无线多媒体技术研究已取得很大的进展，但还存在着若干尚 未解决的问题或尚未探索的研究方向。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有的无线网络编码机制大多面向普通的数据通信， 没有考虑视频数据的特性，从而无法高效地支持实时视频通信。针对这一问题，本发明 设计了视频感知的机会网络编码（VONC,Video-aware Opportunistic Networking Coding） 机制，以便更加有效地支持无线网络环境下实时视频通信。

本发明具体采用以下技术方案：

无线网络视频感知的机会网络编码实现方法，包括以下步骤：

A.节点首先判断待转发的数据包是否满足编码条件，对满足编码条件的编码包和 需要转发的原始数据包进入下一步骤，否则退出；

B.根据数据包的重要程度以及无线网络的邻居链路质量状况，用效用增益函数来 评估每个数据包对视频质量的贡献程度；

所述的步骤B中数据包重要程度为每个原始数据包p_i在数据流中的重要程度，用 I_i表示，

I_i=λ_i·△_i(3)

其中，λ_i为每个数据流F_i所对应的流优先级，失真值Δ_i表示原始数据包p_i丢失情 况下对于图像质量的影响程度；

所述的步骤B中效用增益函数用于对于满足编码条件的每一种编码组合数据包表 示其对视频传输质量的贡献程度，用U(P_c)表示，

$U\left(P_c\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}U\left(P_{N_i}\right)---\left(4\right)$

其中，表示编码数据包中所包含的每个原始数据包的效用增益函数，M为编 码数据包中所包含的原始数据包个数；

定义L_i为转发数据包p_i的邻居链路状况，采用数据包p_i的当前转发节点C_i与其邻 居节点之间的平均期望传输次数ETX的倒数表示，

$L_i=\frac{1}{{\mathrm{ETX}}_{\mathrm{avg}}\left(C_i\right)}---\left(5\right)$

ETX_avg(C_i)表示数据包p_i的当前转发节点C_i与其邻居节点之间的平均期望传输次数 ETX，进一步采用公式（6）表示：

${\mathrm{ETX}}_{\mathrm{avg}}\left(C_i\right)=\underset{j=1}{\overset{h_i}{\Sigma }}\frac{\mathrm{ETX}(C_i,N_{i,j})}{h_i}---\left(6\right)$

对于每个数据流F_i，均有自己的转发节点集合N_i，h_i为F_i的转发节点集合的数目， N_i,j为下一跳转发节点，而ETX(C_i,N_i,j)为当前节点C_i到其下一跳转发节点N_i,j的链路期 望传输次数ETX，对于j=1,2,3…,h_i，转发节点N_i,j满足以下条件：

$\exists N_{i,j}\in N_i,\forall N_{i,j},j=\mathrm{1,2,3}...,h_i;---\left(7\right)$

ETX(N_i,j,D_i)<ETX(C_i,D_i)(8)

式（7）表示任意N_i,j∈N_i均为节点的一跳邻居节点，公式（8）表示任意N_i,j∈N_i到目的节点D_i的ETX小于当前转发节点C_i到目的节点D_i的ETX；

根据公式（5）～（8）得出，对于一个原始数据包，其效用增益函数的计算公式如 下：

$U\left(P_{N_i}\right)=I_i·\frac{1}{{\mathrm{ETX}}_{\mathrm{avg}}}$

$={\lambda }_i·{\Delta }_i·\frac{1}{\underset{j=1}{\overset{h_i}{\Sigma }}\frac{\mathrm{ETX}(C_i,N_{i,j})}{h_i}}---\left(9\right)$

结合公式（4），对于存在编码机会的编码数据包，其编码包效用增益函数U(P_c)公式 如下：

$U\left(P_c\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{I}_i·\frac{1}{{\mathrm{ETX}}_{\mathrm{avg}}}$

$=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\lambda }_i·{\Delta }_i·\frac{1}{\underset{j=1}{\overset{h_i}{\Sigma }}\frac{\mathrm{ETX}(C_i,N_{i,j})}{h_i}}---\left(10\right).$

进一步的，本发明的无线网络视频感知的机会网络编码实现方法，还包括步骤C： 根据数据包的效用增益函数值的不同，为其分配不同的优先级，效用增益函数值越大， 数据包将以更高概率接入信道；反之，则接入信道概率降低；

具体的步骤为：

C1.节点发送数据包时，首先根据数据包优先级等待相应的AIFS时间间隔；

C2.节点将进入退避阶段，进行信道竞争，竞争窗口值在(0，CW)间选取，竞争窗 口CW初始值设为竞争窗口值的最小值CW_min，如果传输失败，竞争窗口CW将加倍， 直至达到最大竞争窗口值CW_max。

本发明采用以上技术手段，具有以下有益效果：

本发明提出的无线网络视频感知的机会网络编码实现方法，首先，根据视频流数据 包的重要程度以及无线网络的链路状况，用效用增益函数来评估每个数据包对视频质量 的贡献程度。在此基础上，采用多优先级的调度机制接入信道，提高了网络视频传输质 量。

附图说明

图1为网络模型。

图2为多优先级数据包调度策略表。

图3为仿真实验场景的网络拓扑结构。

图4为仿真实验各协议可解码率对比情况。

图5为仿真实验各协议的平均PSNR对比情况。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、有益效果更加清楚明白，以下对本发明作进一步 详细说明。

本发明采用期望传输次数ETX(expectedtransmissioncount)作为转发节点的度量 准则。利用ETX，路由协议能够在无线网络中寻找出高吞吐量路径。除了最小化成功 传递一个数据包所需要的总的传输次数（包括重传）的期望值，ETX还综合考虑了路 径上相继链路之间的干扰、链路丢失率以及链路丢失率的不对称性等因素所带来的影 响，这对于在无线网络中提高视频传输质量也有着重要的作用。

链路的ETX是指通过一条链路成功传输一个数据包需要的期望传输次数（其中包 含重传次数）。而一条路径的ETX可以通过对这条路径的所有链路的ETX求和来计算。

在计算一条链路的ETX时需要使用这条链路的正向以及反向传输率。对于节点X 和Y之间链路，正向传输率r_X,Y(t)是数据包成功传输到接收端的概率，反向传输率 r_Y,X(t)是接收端发送的ACK包被发送端成功接收的概率。那么，一次传输被成功接收 且被响应的概率可以表示为：r_X,Y(t)×r_Y,X(t)。若发送端未在规定时间内收到ACK包，

其将对数据包进行重传。由于每次发送数据包都可以当作是一次伯努利实验，那么，

该链路的期望传输次数可表示为：

$\mathrm{ETX}(X,Y)=\frac{1}{r_{X,Y}\left(t\right)\times r_{Y,X}\left(t\right)}---\left(1\right)$

链路传输率r(t)的获得需要通过发送链路探测包来实现，每个节点以一个平均时间 间隔τ（本实验中为1s）广播发送固定长度的链路探测包。为了避免意外的同步发送， 将时间抖动设为±0.1τ。由于探测包广播发送，根据802.11协议，网络将不会对其进行 应答及重传。每个节点记录过去时间w（本实验中为10s）内接受到的探测包个数，这 样，可以计算出任意时间t的传输率，公式如下：

$r\left(t\right)=\frac{\mathrm{count}(t-w,t)}{w/\tau }---\left(2\right)$

count(t-w,t)是节点在时间w内实际接收到的探测包数目，w/τ是时间w内原本应当接收到的 探测包数目。每个从X节点发送的探测包中都包含其在过去时间w内从邻居节点接收到的探测包数 目，这样，每个邻居节点在接收到从X发送的探测包后，均能计算出反向传输率r_Y,X(t)。

如图1所示，定义了网络模型。

假设网络中有N个节点C_k，k=1,2…N，提供M条从不同的节点发送的数据流F_i， i=1,2…M，每条数据流队列依照先进先出的原则，每次发送队列中的首个数据包p_i， i=1,2…M。对于中继节点C，其最多能接收到的来自不同数据流的数据包为p₁、p₂…p_M， 节点接收数据包后，将根据数据包编码条件，对其进行编码转发。

中继节点转发的数据包可分为两种，分别为编码包以及原始数据包。无论何种数据 包，节点首先判断待转发的数据包是否满足编码条件，而后对满足编码条件的编码包和 需要转发的原始数据包采用视频感知的机会转发机制。根据视频流数据包的重要程度以 及无线网络的链路状况，用效用增益函数来评估每个数据包对视频质量的贡献程度。

定义1数据包重要程度I_i：表示每个原始数据包p_i在数据流中的重要程度。

I_i=λ_i·Δ_i(3)

式（3）中，对于每个数据流F_i，定义其流优先级为λ_i（本实施例采用视频流，即λ_i=1）。 同时，我们用每个数据包的失真值△来为数据包转发机制提供判据。这里的失真值△_i表示数据包p_i丢失情况下对于图像质量的影响程度。本文采用实际的MPEG-4视频片 段作为数据源。相应的视频比特流可分为视频序列（sequence）、图像组（GOP:GroupOf  Picture）、图像（picture）等层次。图像对应于视频帧，视频中一个GOP作为可以独立 解码单位，每一个GOP包含一个I帧和若干的依赖于它的P和B帧。I帧和的丢失将 导致整个GOP数据不可解码，因此对于图像的质量的影响程度最大。B帧的丢失不会 影响到所在GOP中其它视频帧的解码，因此对于图像的质量的影响程度最小。这里通 过分析属于同一个GOP视频数据之间的依赖关系来估计数据包丢失后对图像质量的影 响（即失真值）。由于GOP中各种类型的视频帧位置是固定的，因此不会花费较多的计 算开销。显然，数据包越重要，它的丢失对解码后的视频质量影响越大，其失真值也越 大。故数据包的失真值在一定程度上能反映其在数据流中的重要程度。我们可在源节点 对每个数据包的失真值△i进行计算，后将其标记在编码结构的头部，这样，中继节点 在接收到数据包的同时也将获得其对应的失真值信息。为了提高视频质量，应对此数据 包进行优先转发。

定义2效用增益函数U(P_c):对于满足编码条件的每一种编码组合数据包都定义效 用增益函数U(P_c)来表示其对视频传输质量的贡献程度。公式如下：

$U\left(P_c\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}U\left(P_{N_i}\right)---\left(4\right)$

公式（4）中，表示编码数据包中所包含的每个原始数据包的效用增益函数； 含有的原始包个数为M。效用增益函数由编码组合中所有数据包的效用增益累积而成， 编码包越多其效用值越大。

在发送编码包时，应同时考虑到链路质量（本文中用ETX来衡量），若发送节点与 下一跳转发节点之间的ETX越小，说明在此节点与周围节点之间的链路状况越好，应 优先转发。

定义3邻居链路质量L_i:为了使邻居链路状况较好的节点优先进行转发，定义L_i为转发数据包p_i的邻居链路状况，可用数据包p_i的当前转发节点C_i与其邻居节点之间 的平均ETX的倒数表示，公式如下：

$L_i=\frac{1}{{\mathrm{ETX}}_{\mathrm{avg}}\left(C_i\right)}---\left(5\right)$

式（5）中，ETX_avg(C_i)表示数据包p_i的当前转发节点C_i与其邻居节点之间的平均 ETX，进一步可用公式（6）表示：

${\mathrm{ETX}}_{\mathrm{avg}}\left(C_i\right)=\underset{j=1}{\overset{h_i}{\Sigma }}\frac{\mathrm{ETX}(C_i,N_{i,j})}{h_i}---\left(6\right)$

对于每条数据流F_i，均有自己的转发节点集合N_i，h_i为F_i的转发节点集合的数目， N_i,j为下一跳转发节点，而ETX(C_i,N_i,j)为当前节点C_i到其下一跳转发节点N_i,j的链路 ETX。对于j=1,2,3…,h_i，转发节点N_i,j满足以下条件：

$\exists N_{i,j}\in N_i,\forall N_{i,j},j=\mathrm{1,2,3}...,h_i;---\left(7\right)$

ETX(N_i,j,D_i)<ETX(C_i,D_i)(8)

式（7）说明任意N_i,j∈N_i均为节点的一跳邻居节点；公式（8）表示任意N_i,j∈N_i到目的节点的ETX小于当前转发节点C_i到目的节点的ETX。

根据公式（5）～（8），可以得出，对于一个原始数据包，其效用增益函数的计算公 式如下：

$U\left(P_{N_i}\right)=I_t·\frac{1}{{\mathrm{ETX}}_{\mathrm{avg}}}$

$={\lambda }_i·{\Delta }_i·\frac{1}{\underset{j=1}{\overset{h_i}{\Sigma }}\frac{\mathrm{EXT}(C_i,N_{i,j})}{h_i}}---\left(9\right)$

结合公式（4），对于存在编码机会的编码数据包，其编码包效用增益函数U(P_c)公式 如下：

$U\left(P_c\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{I}_i·\frac{1}{{\mathrm{ETX}}_{\mathrm{avg}}}$

$\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\lambda }_i·{\Delta }_i·\frac{1}{\underset{j=1}{\overset{h_i}{\Sigma }}\frac{\mathrm{ETX}(C_i,N_{i,j})}{h_i}}\left(10\right)$

公式（10）表明，编码包效用函数将随着数据包重要程度I_i、编码数据包个数M以 及当前节点到下一跳转发节点的ETX_avg的倒数的增大而增大。

由于该机制仅仅对要发送的数据包进行其效用函数的计算，并没有遍历数据包队 列，实际上只是进行了数据融合。

进一步地，为了使高优先级数据包能更快的接入信道，引入多优先级数据包调度机 制。

该策略借鉴了BEND（MAC-layer mixing method，MAC层数据融合方法）的数据 包接入机制，根据数据包的效用函数值的不同，为其分配不同的优先级，效用值越大， 数据包将以更高概率接入信道；反之，则接入信道概率降低。节点发送数据包时，首先 根据数据包优先级等待相应的AIFS（Adaptive Interframe Space，自适应的帧间间隔） 时间间隔，而后，节点将进入退避阶段，进行信道竞争，竞争窗口值在(0，CW)间选取， 竞争窗口CW初始值设为CW_min（此为最小值），如果传输失败，竞争窗口将加倍，直 至达到最大竞争窗口值CW_max。该策略通过设定不同的初始等待时间间隔AIFS和竞争 窗口值来设定数据包优先级。显然，CW_min、CW_max和AIFS时间间隔越小，则该数据包 将有更高的概率接入信道，即有更高的数据包优先级。

如图2所示，多优先级数据包调度策略表。根据效用增益函数，可知I_i∈[0,1]， L_i∈[0,1]，则U(P_c)∈[0,Max]，Max为最大编码包个数（本实施例设定为4）。这样，可 以将每个转发数据包根据其效用增益函数值分为四个区域Z₁、Z₂、Z₃、Z₄。若传输的数 据包的效用增益函数较大，即属于Z₁区域，则协议将为其分配较小的CW_min、CW_max和 AIFS，是数据包能以更高的优先级接入信道；反之，效用函数值越小，其优先级越低， 协议将会为其分配较大的AIFS和CW_min、CW_max，使接入信道的概率相对降低。该策略 可优先传输较为重要的数据包，从而提高视频流传输质量。

本实施例通过NS2仿真平台中实现了VONC协议，并与现有典型的无线网络编码 协议比较，进行全面的性能分析和评价。

场景设置

设计了三种场景对VONC协议进行仿真，然后对协议性能进行深入分析，以进一步 说明无线网络视频感知的机会网络编码（VONC）实现方法的效果。

本实施例中节点的通信半径为250m，信道数据传输速率为2Mbps。实验选取QCIF （Quarter Common Intermediate Format，常用的标准化图像格式，QCIF=176×144像素） 格式的YUV视频文件作为节点的数据源，编码为MPEG-4格式视频序列，序列包括400 个视频帧，视频帧的发送速率为30fps。这里将物理层传输误码率设为2×10^-6，用于模 拟实际网络中的随机丢包现象。

如图3所示，为本实施例采用的模拟实验场景，包括十字拓扑、三级拓扑及网格拓 扑三种结构。十字拓扑半径为150m，每个边界节点均有3个邻居节点，而中间节点则 有4个邻居节点，网络中设置2对两两相向的视频流。三级拓扑可以由三个节点集合 Tier-1、Tier-2、Tier-3组成，Tier-1和Tier-3中节点为源节点和目的节点，Tier-2中为自 由节点（即可以参与竞争转发）。Tier-2与Tier-1、Tier-3之间均只有一跳距离，间隔200m， Tier-2中的每个节点都能够捕捉到所有源节点和目的节点发送的数据包。本实施例中采 取4-3-4的结构，即Tier-2中有3个节点，其余两级均有4个节点。三级网络拓扑实验 中设置两对可编码视频流。4*4网状拓扑结构，每个节点距离150m，非边界节点有8 个邻居节点，边界节点有3个邻居节点，4个角节点有2个邻居节点，网络的最长距离 为3跳。此拓扑设置2对相向的视频流，并添加3条CBR背景流，其数据包大小为1000 字节，发送间隔为0.01s。图3中实线链路表示双向链路无丢包率，虚线链路表示双向 链路丢包率均为0.1。

本实施例设计了3组实验，将VONC（包括不使用CFC的情况）、BEND、COPE 以及802.11五种协议分别在三种拓扑下进行仿真，并对各协议仿真后获得的的数据包 可解码率、PSNR值以及视频恢复图像进行分析比较。峰值信噪比（PSNR），一种评价 图像的客观标准，PSNR一定程度上可以反映网络的视频质量，PSNR值越高，视频质 量越高。

仿真结果

图4为五种协议在三种不同拓扑结构下的视频帧可解码率对比情况。VONC协议采 用视频感知的机会网络编码策略。在考虑到视频流数据包优先级的同时，考虑到传输链 路状况，使综合效用最高的数据包有最高的接入信道概率，从而其总视频帧可解码率较 802.11、COPE和BEND都有显著提高。VONC协议采取拥塞控制策略，并能与编码体 系结构协同工作，网络拥塞时，协议将对低优先级的B帧数据包进行主动丢包，图中 明显可以看出，较其它协议，优先级较高的I帧及P帧的可解码率得到显著提高。

图5显示了三种拓扑结构下五种协议的平均PSNR值以及其波动范围的对比。与可 解码率类似，VONC协议同样显示出了明显的优势。如图5所示，该协议针对视频数据 包特性，给高视频增益数据包及高链路质量节点的数据包分配更高的优先级，使其更容 易接入信道，其平均PSNR较802.11提高了25%左右，较BEND的增益也达到了6%。 而加入CFC机制后，由于减少了队列拥塞而溢出的高优先级数据包，使视频质量得到 大幅度的提升，其平均PSNR较802.11协议提高了40%左右，较无CFC的VONC也增 大了5%。而在网格拓扑中，由于其网络负载较小，故CFC机制的作用不明显。

五种协议每个视频帧所对应的PSNR值的变化情况，PSNR变化的总体趋势为VONC 协议始终保持最大，其它协议则按PSNR从大到小的顺序依次为VONC（noCFC）、 BEND、COPE以及802.11。VONC协议在十字和三级拓扑中的优势尤为明显，而在网 状拓扑中，由于视频流传输经过的跳数较多，其在传输时受网络结构和链路状况的影响 较大，故增益没有前两个拓扑显著。

视频序列恢复后的图像，分别采用5种不同的协议通过模拟平台仿真得到传输数据， 而后通过软件恢复获得图像。分别选取视频序列的两个连续帧进行观察，可以直观地发 现，使用本文提出的VONC协议图像较其它协议更为清晰，证明该协议能够大幅度地 提高视频传输质量。

利用本方法可以改善无线多媒体网络视频通信性能，使无线网络通信设备能够更加 高效地利用有限的网络资源。