一种无线自组织网上视频QoS保障方法

武海生，王贵锦，王子秋，林行刚

（清华大学 电子工程系，北京 100084）

1 引言

无线自组织网（Wireless Ad Hoc Networks）是一种无中心的对等式网络，和传统的网络相比，它具有自组织、多跳路由和动态拓扑等特点。具有Ad Hoc功能的终端之间很容易实现网络的组建，是下一代无线网络的重要组成部分。但由于无线自组织网络的拓扑结构经常发生变化，加上无线信道自身的不稳定、易被干扰等特性，使得视频通信这种需要高带宽、低延时、小抖动的数据业务难以在网络上展开，因此设计保障视频通信服务质量（QoS）的方法很重要，并且对无线自组织网络上进行的其他数据业务也具有借鉴意义。

由于缺乏中心控制，有线网和无线局域网（WLAN）上已经比较成熟的QoS保障方法不能直接应用于无线自组织网络。目前无线自组织网络上针对视频通信的QoS保障方法主要分为两大类，其中一类采用跨层设计的方法，结合应用层、传输层和链路层的特点，通过低层的链路信息来调节顶层信源编码速率、数据发送速率等参数，从而达到QoS保障的目的[1]，但这类方法仅考虑自身及上行链路的质量，是一种局部控制的方法；另一类方法通过节点之间互相传递本地的链路状况来获得全局信息，网络中各节点根据本地和网络内其他相关节点的信息来调节自身的数据发送速率等参数[2－3]，这种方法的缺陷在于网络开销庞大，反应速度慢，而且当网络发生拥塞时这些控制信息也容易发生丢失，视频通信的QoS得不到保障。

GSM网络作为一种成熟的网络应用具有网络覆盖范围大、延时小、服务质量高等特点，这些特点弥补了无线自组织网络的缺陷[4]。笔者利用GSM网络作为中心节点来控制调节无线自组织网络上进行的视频通信业务，带来的好处有：1）及时高效，保障视频通信QoS的控制信令，通过GSM网络传输，可靠且延时小，不受信道变化的无线自组织网络影响，几乎可同时对业务发起端和各个中继点进行调整控制，同时控制信令不占用数据传输带宽；2）中心控制节点可以通过各用户终端的信息得到整条数据业务链上的网络状况，从而制定更加有效合理的控制方式。

2 整体框架

笔者提出的QoS保障方法整体框架如图1所示。

图1 视频通信QoS保障方法整体框图

方法的总体流程如下：客户端节点（无线自组织网络节点）定期上报信道质量和拥塞状况，中心服务器（GSM网络节点）根据上报信息对整个网络和数据业务路由的状况做出判断，对于轻度的网络拥塞和抖动，服务器对业务的源端进行速率控制；当网络状况持续恶化，现有路由不能再支持业务的最低带宽要求时，服务器通知业务源端重新寻找路由并上报，服务器对比新路由质量和原有路由质量来决定业务是否更换路由。

根据QoS控制的需求设计相应的信令，主要分为客户端的信息上报信令和服务器端的控制信令两大类。其中，信息上报信令包括本地网络状况上报信令和新路由发现上报信；控制信令包括速率调整信令、重新发现新路由信令和更改路由信令。

3 QoS保障方法详述

3.1 客户端动作

客户端从动作上分为两类，一类是视频业务的发起端，主要动作是根据中心节点的指令调整数据发送速率或重新寻找路由，并将相应的一些参数和路由查询结果上报给中心服务器；一类是数据业务的中继节点，主要动作是定期上报本地链路质量（如可用带宽等）以及是否发生拥塞。

视频通信发起客户端动作如下：在启动一项新的视频通信业务时上报编号、当前的发送速率及所能容忍的最低发送速率。当接收到中心服务器调整速率的指令时，按照中心服务器的指令相应的增大或降低发送速率，并将调整后的发送速率报告给中心服务器。当接收到中心服务器重新寻找路由的指令时，保持当前应用的路由不变，同时将中心服务器给出的瓶颈节点的IP屏蔽后，寻找另一条新路由。若未找到新路由，则通知中心服务器未能找到新路由；若找到新路由，则发送探测包测量路由带宽，然后将这条新路由及相应的带宽上报给中心服务器，等待通知。若得到中心服务器更改路由的通知，则将此视频通信的路由更改到新路由上来发送；若得到中心服务器不更改路由的通知，则不改变路由，并将此情况上报给本地应用层等待相应处理（继续降低发送速率或停止视频通信）。

中继客户端动作如下：实时测量所有上一跳节点到本节点的链路带宽，并根据链路带宽和实际承担的业务量计算出链路可用带宽，同时记录下这条链路所承载的所有视频通信业务的编号，将这些信息定期上报给中心服务器。

3.2 服务器端动作

中心服务器要记录每个应用的编号、相应的路由、当前发送速率及所能容忍的最低发送速率。若有节点通知中心服务器该节点发生拥塞，则向所有经过该节点的路由所对应的应用发端发出降低发送速率的指令。若暂无节点发生拥塞，则根据每个应用对应路由上各节点上报的信息，计算该路由为该应用所能提供的带宽和剩余带宽。若剩余带宽大于带宽的20%，则向视频通信的源端发出提高发送速率的指令；若剩余带宽小于带宽的20%，则向源端发出降低发送速率的指令。若带宽小于发端所能容忍的最低发送速率，则向发端发出重新寻找路由的指令，同时将这条路由上瓶颈节点的IP通知给发端，并等待发端寻找新路由的结果。若发端通知中心服务器未能找到新路由，则中心服务器向发端发送不更改路由指令；若发端找到新路由，则中心服务器将新路由的带宽与原路由带宽进行比较。如果新路由带宽大于原路由带宽且大于该视频通信所能容忍的最低发送速率，中心服务器向发端发出更改路由的指令。否则，中心服务器向发端发出不更改路由的指令。

3.3 带宽测量方法

每个客户端上行链路的可用带宽是整个QoS控制中重要的参数，中心服务器需要根据它来制定速率调整和路由重新选择的策略。文中带宽测量方法采用文献[5]中的单探测包测量方法：在发送端发送不同长度的探测数据包，在接收端计算每个数据包的延时，在理想情况下这些延时将成直线分布，该直线斜率的倒数就是整条路由的带宽，如式（1）和图2所示

式中：P为数据包长，L为固定延时，T为每个包的总延时，B为带宽。

这种带宽测量方法简单，网络开销小，但受节点间时间同步的影响一般误差较大，在本文的混合网络结构下，无线自组织网络中的各个用户节点可以通过GSM中心服务器进行时间同步，从而减少时间同步对测量结果的影响。

图2 带宽测量示意图

3.4 速率控制方法

速率控制方法是通过测量得到的网络状况参数，主要是带宽和拥塞状况，来决定客户端视频编码的量化参数和帧率。首先通过调整量化参数微调数据发送速率来适应当前带宽，当量化参数连续变化时，说明信道急剧变化，这时通过调整视频的帧率来大幅度调节数据发送速率。

3.4.1 拥塞出现后的速率调整策略

根据丢包率可以判断网络拥塞的状况，针对视频通信业务的特点，当网络拥塞之后并不马上大幅降低数据发送速率，允许一定限度的丢包，尽量保证包发送速率平稳，抖动小，发送不中断。只有在网络发生重度拥塞时才进行相应的速率调整，速率调整策略如式（2）所示，其中Rmin为视频通信所能容忍的最低发送速率，Rprev为调整前数据发送速率。

3.4.2 恢复阶段的速率调整策略

当拥塞情况缓解后，速率调整遵循以下原则：避免拥塞再次出现，保证速率可以较快增长到较高值。速率调整公式为

式中：Rcongs是前次拥塞发生时的发送速率，α是和式增加因子，0.1和0.99是经验值。

3.4.3 量化参数变化策略

量化参数的改变首先是目前的数据发送速率和帧率计算帧长度，即

式中：R为当前网络状况下数据发送速率；n为帧率；m为I帧间隔；4.3为经验值。然后根据P帧长度选择量化参数，这里采用的模型是

式中：L 为 P 帧长度；q 为采用的量化参数；MAD（f，fref）为当前帧与参考帧之间的平均绝对偏差；α，β，γ为经验值。对于每一个即将编码为P帧的图像，计算出这帧图像与参考帧之间的平均绝对偏差和当前带宽所允许的该P帧的长，从而确定出最优量化参数。

3.4.4 帧率变化策略

帧率的变化调整不能过于频繁，否则容易造成抖动，影响用户主观质量。本方法中帧率变化的策略为计算过去一个GoP（Group of Picture）中各帧的量化参数的变化情况，当量化参数变化剧烈时调整帧率。

4 实验结果及分析

笔者搭建了一个包含10个客户端节点和1个中心服务器的测试平台。其中10个客户端节点组成一个无线自组织网络，每个客户端节点安装IEEE802.11b/g网卡和GSM上网卡，分别用于进行数据业务通信和控制信令通信，中心服务器安装GSM上网卡，模拟GSM基站功能，实现对无线自组织网络的控制功能。测试视频通过摄像头实时采集编码传输，传输视频分辨力为320×240，帧率根据信道情况可在5～30 f/s（帧/秒）进行自适应调整。

在测试平台上分别对1路视频的2跳、4跳、5跳通信，和2路有交叉路由的视频通信进行了实验。部分实验结果如图3、图4所示。

图3 1路视频路由跳数变化后帧率变化情况

图4 2路视频交叉和断开情况下P帧编码长度变化

图3显示了当视频通信过程中由于距离变化造成路由跳数变化的情况下视频帧率的变化情况，可以看到本文所提方法可以根据信道带宽的变化调整源端的数据发送速率，并且调整效果不会造成数据发送速率的剧烈变化，影响用户的主观感受。

图4显示了当2路视频发生交叉和断开交叉时P帧编码长度的变化情况。可以看到当2路视频交叉时发生拥塞，信道急剧恶化，本文所提方法可以马上对拥塞作出反应，调节信源编码长度，同时通知源端重新发现路由，当拥塞问题解决后，源端编码效率立即恢复。

所有实验均给出了较为满意的结果，表明该方法可以有效地减少信道及路由变化对视频通信造成的抖动等影响，为无线自组织网络上进行视频通信提供了有效的QoS保障。

5 小结

笔者提出了一种结合GSM和无线自组织网络两者特点的视频通信QoS保障方法。通过可靠的GSM网络信道来传递控制信令，实现高速有效的QoS控制，为无线自组织网络上的视频通信提供保障。本文中的方法基于现有的技术和硬件条件，应用于对QoS要求更为苛刻的视频通信中，因此可满足实际应用并能扩展到Ad Hoc网络上运行的其他数据业务中。

[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，朱晓东，姚忠辉，等.一种无线网络的二层拥塞控制方法∶中国，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.