基于802.11e的无线Mesh网络中视频传输优化方案*

陆 淳，朱秀昌

（南京邮电大学 江苏省图像处理和图像通信重点实验室，江苏 南京 210003）

1 引言

随着网络的发展，多媒体业务越来越普遍地应用在无线网络环境中。视频会议、IPTV、手机电视等相继出现，并在人们的工作生活中占据重要位置。这些视频业务对网络特性的要求较为严格，特别是带宽、延迟、抖动等。无线Mesh网络是一种新型的宽带无线网络结构，具有高容量、高速率、易组网等特点。它的多跳性使网络能够通过多个站点的中继传输来提供更大范围的无线网络覆盖。

为了能够提供对宽带视频业务服务质量（Quality of Service，QoS）的支持，IEEE 802.11e在原有标准的基础上增加了QoS条款，通过引入4种接入类别（AC）来实现不同业务的QoS需求。通过对视频编码数据特点的分析，改进了一种数据映射方案，以实现网络传输视频质量的提高。

2 802.11e的数据映射方案

IEEE 802.11e中，每个AC都是分布式协调功能（DCF）增强的变体。DCF的帧间间隔（DIFS）在增强DCF（EDCF）中称为仲裁间隔时间（AIFS）（AIFS≥DIFS），其他竞争参数CWmin，CWmax也有不同的取值。低参数值的AC比高参数值的AC将经历更少的平均等待时间和退避时间，因此具有相对较高的媒体接入优先级。将不同的业务类别（TC）映射到相应的AC，可以满足不同业务对信道资源的需求，映射关系如表1所示[1]。其中语音、视频业务的优先级较高，通过把它们映射到高的接入类别，保护它们优先竞争信道，从而得到较好的数据传输质量。

表1 TC到AC的映射

3 改进的视频数据映射方案

对于视频业务，将其映射到AC2，获得较低的竞争参数，一定程度上减少了尽力而为业务对它的竞争，保证了视频数据的传输质量，但在通信质量一般的情况下，视频业务的QoS依然得不到保证。如果从视频编码的角度来分析，总是希望编码后的重要数据能够得到较好的传输。

在网络传输的环境下，编码器将每个网络提取层（NAL）各自独立、完整地放入1个分组中。各NAL单元的重要性也有所不同，例如参考帧的片，或是序列参数集，图像参数集等这些数据单元相对重要，需要分配更高的优先级。因此需要通过对网络提取层单元（NALU）头的分析，得到NALU类型[2]，如表2所示。

表2 nal_unit_type语义

nal_unit_type为 5，7，8时，当前 NAL分别是 IDR 图像中的片、序列参数集、图像参数集。此时，NAL单元相对重要，因此需要赋予更高的优先级。nal_unit_type为1时，需要判断该片的类型，如果是参考帧的片（I片、P片）则赋予更高的优先级。nal_unit_type=2，3，4时，由于只是片中的一个分区，需要判断该分区所在片的类型，若是参考帧的片，则赋予更高的优先级。

表3是在表1的基础上根据表2中不同的NALU类型改进的映射方案，其中语音业务和尽力而为业务的映射关系不变，只是区分了视频数据的重要性，将IDR图像中的片、序列参数集、图像参数集以及参考帧的片（I片、P片）映射到具有最高优先级的AC3，而其他的视频数据仍然映射到AC2[3-4]。

表3 改进方案的优先级映射关系

4 仿真结果与分析

实验是在NS2网络行为模拟器环境中进行的。在NS2中搭建的网络平台是1个包含25个节点（5×5）的无线Mesh网络。网络拓扑结构如图1所示，各接入类别的竞争参数如表4所示。实验分别在网络负载较轻和网络负载较重2种网络环境下进行。

4.1 较轻的网络负载情况

图1 网络拓扑图

表4 各接入类别的竞争参数

模拟网络负载较轻的情况：节点0向节点24发送视频流；节点4和节点20之间传送普通的数据流（尽力而为业务）。分别采用表3的改进映射方案和表1的原始方案设置数据的优先级。仿真结果如图2、图3所示，其中的延迟和吞吐量均是针对视频数据测得。

图2 2种方案视频数据延迟对比

图2是2种方案的延迟对比，在0～1时间内，改进的映射方案比原始方案延迟小，因为此时改进方案中视频的重要数据优先抢占信道，获得较小的竞争窗口。1～2时间内2种方案差别不大，在以后的时间里，新方案的延迟呈现2种状态：一部分（AC3的数据）优先级高，延迟很小，优于原始方案；另一部分（AC2的数据）则远远高于原始方案。这是由于优先级高的视频数据抑制了优先级较低的视频数据传输。实际视频传输中，这种方案对延迟的改善意义并不大，因为优先到达的数据并不能立即恢复出视频，必须等到某一帧的数据全部正确接收以后才能开始解码。图3是第24节点（视频接收节点）的吞吐量对比图。改进方案在0～1时间内，吞吐量明显高于原始方案，随后经过一段时间的持平，在2个时间单位以后逐渐小于原始方案。因为对于节点24来说，总的业务量是一定的（视频数据一定），这是一个此消彼长的过程。

图3 2种方案第24节点的吞吐量对比

改进方案最明显的优势在于改善了丢包率情况。采用原始方案造成564个丢包，其中有79个视频包（视频包占14%）；改进方案丢包减少到376个，其中37个视频包（视频包占9.8%）。丢包率的改善主要有2点原因：一方面，改进的映射方案减少了数据包的碰撞；另一方面，将一部分的视频数据映射到更高的优先级，获得较小的竞争参数，使接入延迟时间减小了，从而增加了数据包成功发送的概率。

4.2 较重的网络负载情况

模拟网络负载较重的情况：节点0向节点24发送视频流；节点5向节点9发送CBR数据流（模拟语音业务，优先级为最高）；节点15和节点19之间、节点4和节点20之间传送普通的数据流（尽力而为业务）。以上产生4条业务流，分别采用表3的映射方案和表1的原始方案设置数据的接入类别，并将仿真结果进行对比。

图4中改进方案的延迟情况仍然分为2种：一部分延迟很小，接近0，因为这部分的视频数据包优先级最高；另一部分仍为次高优先级的视频包，延迟大于原始方案，这是由于受到更高优先级数据的抑制。图5表明改进方案的视频数据吞吐量要小于原始方案，这是由于改进方案将部分视频数据映射到AC3，导致该队列中数据量加大，竞争更激烈。

图4 视频数据的延迟对比

图5 第24节点的吞吐量对比

由此可以看出，在负载量很大的情况下，采用改进的映射方案，网络在延迟和吞吐量方面性能并不理想，甚至不如原始的映射方案。但改进方案的一个突出优点在于大大降低了数据（包括视频数据）的丢包率。实验结果：原始方案中共丢包966个，其中视频包为221个（视频包占22.9%）；改进方案中共丢包775个，其中视频包100个（视频包占12.9%）。这样接收端正确接收的视频包数目增加，恢复出的视频质量有所提高。

5 小结

IEEE 802.11e能够提供对宽带视频业务的QoS支持，在此基础上应用改进的方案，将视频数据中重要的部分（序列、图像参数集以及参考片）映射到更高的优先级（语音业务级别）。从仿真结果可以看出，在业务量较小的情况下，改进方案对于延迟、抖动、丢包都有所改善；而在网络业务量较大的情况下，改进方案的优势并不明显，但丢包率仍有改善。为了进一步提高网络性能，还需要针对网络高负载的情况，提出新的改进算法[5]。

[1]方旭明.下一代无线因特网技术：无线Mesh网络[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[2]毕厚杰.新一代视频压缩编码标准——H.264/AVC[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[3]KE Chihheng.Multimedia communication[EB/OL].[2004-01-31].http：//140.116.72.801～smallko.

[4]黎勤，刘峰.无线Mesh网络中视频通信的一种跨层QoS保证方案[C]//中国电子学会第十五届信息论学术年会暨第一届全国网络编码学术年会论文集（下册）.北京：国防工业出版社，2008：371-377.

[5]MARJAN D,TONI J.Analysis of IEEE 802.11e QoS in multimedia environment[C]//Proc.TELSIKS 2005-7th International Conference on Telecommunications in Moderm Satellite，Cable and Broadcasting Services.[S.l.]:IEEE Press，2005:45-48.