IEEE 802.11网络中质量驱动的视频传输技术研究综述*

王海东

（1.太原科技大学电子信息工程学院 太原 030024；2.西安交通大学电子信息工程学院 西安 710049）

1 引言

IEEE 802.11无线局域网络 （wireless local area network，WLAN）被广泛应用于企业、学校、酒店、商场等各种领域。相比其他无线网络，如 GSM、UMTS、WiMAX、LTE等，IEEE 802.11网络的主要优点是简单、灵活、部署成本低、扩展能力强等。视频业务是WLAN所承载的重要业务数据类型，如何在WLAN中高质量地传输视频数据是一项需要迫切解决的问题。

IEEE 802.11无线局域网的媒体接入控制（MAC）层具有基本的服务质量 （quality of service，QoS）功能。IEEE 802.11 MAC层的协议框架如图 1所示。DCF（distributed coordination function）协议是IEEE 802.11MAC层的基本协议，在DCF的基础上进一步扩展出了PCF、HCCA、EDCA和MCCA。其中，HCCA和EDCA提供了基本的QoS支持，HCCA提供基于参数的QoS，EDCA提供基于优先级的QoS。

图1 IEEE 802.11 MAC层协议框架

分布式协调功能（DCF）是IEEE 802.11MAC层协议的基础，其基本思想是“先听后说”，包括两个策略，分别为载波侦听多路访问（carrier sensemultiple access，CSMA）机制和冲突避免（collision avoidance，CA）机制[1]。为了增加WLAN对QoS的支持，IEEE 802.11工作组在IEEE 802.11e中引入了混合协调功能（hybrid coordination function，HCF）。HCF定义了两种信道访问机制：基于竞争的信道访问机制被称为 EDCA（enhanced distributed channel access）；基于轮询的信道访问机制被称为HCCA （HCF controlled channel access）。IEEE 802.11e MAC 层引入了 TXOP（transmission opportunity）机制。TXOP是一个时间间隔，在这个时间间隔内，STA（station，站点）有权一直传输数据。如果STA通过竞争的方式获得TXOP，则称为EDCA-TXOP；如果通过轮询控制的方式获得TXOP，则称为HCCA-TXOP。

EDCA在一个STA上定义了4种访问类型（access categories，AC）， 分别被标识为AC_VO（voice）、AC_VI（video）、AC_BE（besteffort）和 AC_BK（background）。这 4 种AC通过设置不同的参数集实现不同信道的竞争优先级。

每个 AC的参数集包括 AIFS[AC]、AIFSN[AC]、CWmin[AC]、CWmax[AC]和 TXOPlimit[AC]。带有 EDCA 功能的 STA同样需要侦听无线信道，如果信道空闲时间持续一个AIFS（arbitration interframe space）时间间隔，则启动退避计数器，即AIFS等同于DCF协议中的DIFS。AIFS的计算式如下：

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

其中，AIFSN[AC]是一个大于2的整数，CWmin[AC]和CWmax[AC]是每个AC竞争窗口的最小值和最大值，TXOPlimit[AC]规定了每个AC的TXOP持续时间。

HCCA 引入了混合协调器（hybrid coordinator，HC），HC 一般由AC担任，通过轮询的方式给STA分配信道访问时间。

图2 HCCA轮询调度

如图2所示，给出了一个简单的HCCA-TXOP轮询调度示例，假设网络中有3个数据流需要轮询分配TXOP时间（i，j，k），并且轮询调度的时间周期是 SI（service interval）。

IEEE 802.11的标准协议虽然引入了一些QoS技术，但没有充分考虑视频业务的特点。视频业务和传统数据业务在传输要求上有很大的不同。传统数据业务以降低误码率、提高系统吞吐量等作为网络的主要指标；而视频传输的主要目标是提高视频在用户终端的播放质量，而不同的视频应用也对播放质量和传输时延有特别的要求。

再者，由于最新的视频编解码标准（如MPEG系列或H.26x系列）都采用了预测编码机制，以消除冗余和提高压缩效率，这恰好给视频数据的码流直接引入了很强的依赖性。在接收端，解码器一般采用一定的错误消隐机制抵抗网络传输中的分组丢失与误码。所谓错误消隐，是指利用视频数据中相邻视频帧或宏块对其进行补偿，提高视频播放的质量。因此，视频数据对网络的错误有一定的容错性，但对传输的实时性有更为严格的要求。由此可见，单纯地降低误码率已经不能很好地满足视频业务的需求，将视频业务的内容特征和无线网络的实时状态有效地结合到一起，建立以提高视频感受质量为最终目的、以合理配置无线网络资源为手段的跨层优化结构，成为无线网络视频传输的理想目标，这种技术也可以被称为质量驱动的视频传输控制技术。

2 无线网络中质量驱动的视频传输控制算法

随机分组丢失可能导致视频质量的严重恶化[2]，因此如果在网络中出现带宽受限或资源紧缺，网络设备中的调度器应该优先传输重要的视频分组，以最大限度地提高终端用户的视频质量。

然而如何准确、有效且低复杂度地度量一个视频分组的重要性或失真大小，仍然是一个开放性的问题，也是视频网络传输领域的研究热点之一。

SVC[3]技术是解决这个问题的有效手段之一，但SVC编码算法本身过于复杂，因此在实时视频应用中很少采用。另一方面，失真分析也是解决这个问题的主要思路[4,5]，但视频编码压缩技术的发展和广泛应用，使得视频分组或视频帧的失真分析变得非常困难。为了最大程度地提高压缩效率，现代编码标准（如MPEG系列或H.26x系列）使用了很多先进的压缩技术[6]，如帧间预测、帧内预测、亚像素预测等。这些先进的技术固然有效地提高了压缩编码的效率，但也使得视频流比特之间产生了很大的相关性和依赖性，不同的比特对视频终端显示的影响程度也大不相同。另外，错误消隐机制在解码器中的使用，也对失真分析的效果产生了影响。这些失真估计的算法从码流中获取一些压缩编码的信息，如一个视频分组中SKIP宏块和Intra-Coded宏块的数目、一个视频帧被后续视频帧参考的次数、运动矢量的统计信息等。然后从统计层面构造这些编码信息与失真度量的函数关系。不难看出，这些方法都需要全部或部分解码视频流数据。因此，过高的复杂度仍然是制约这类算法在IEEE 802.11网络中应用的关键障碍。

视频分组的优先级划分是度量重要性的简单方法，但其以降低精确性为代价。I、P、B帧的优先级划分是最简单的方法，即优先级排序为I>P>B。通过利用视频流的压缩编码信息[7]，可以提高优先级划分的准确性，但也相应地提高了计算复杂度。研究表明，在精确度要求不高的场合，基于优先级的方法也能有效提高视频传输的质量。但如果使用一定的数学模型精确求解最优方法时，简单的优先级划分不能胜任。简言之，视频分组重要性度量的核心在于寻找精确度与复杂度之间的平衡点。

网络实时视频传输最主要的特征就是时延限制。一个实时视频流的数据分组必须在一个规定的时延内到达用户接收端，如果超过这个时延限制，即使该视频分组被正确接收，也不能解码和显示[8]，这个时延限制可以被称为deadline。

内容感知和时延感知的调度算法是提高实时视频网络传输的关键技术之一。这个问题被关注了很多年，针对无线网络的视频传输，很多学者提出了先进的算法和策略。EDF（earliest-deadline-first）算法是有线网络中实时应用的最优调度算法[9]，但其并没有考虑无线环境的时变性，也没有考虑视频内容，因此并不适用于无线网络的视频传输。参考文献[10]提出一种媒体流的率失真优化的报调度算法，该算法在调度过程中考虑反馈信息和视频的统计特征。参考文献[2]提出一种多视频流协作传输框架，该框架不仅要平衡不同视频流之间的码率和失真，也要平衡一个视频流内的码率与失真。在参考文献[11]中，把无线网络中视频分组的调度问题描述为一个动态规划框架，并且提出一种新的调度算法，综合考虑了信道特征、分组时延限制和分组重要性。然而，这些算法都是针对一般无线网络的调度算法，并没有考虑IEEE 802.11网络特性和相关协议。

前向纠错（forward error correction，FEC）和自动重传请求（automatic retransmission request，ARQ）是抵抗无线信道传输错误的一般策略。IEEE 802.11协议也使用了重传机制，当数据分组发送失败后，系统会启动重传过程并将竞争窗口的大小翻倍。如果重传的次数超过一个上限值，则丢弃这个数据分组。但IEEE 802.11协议并没有定义如何设置合适的最大重传次数。

[12]提出一种基于时间的自适应重传（time-based adaptive retry，TRA）算法，在应用层根据视频分组的重要性给每一个视频分组分配一个重传时间门限（retransmission deadline），在WLAN的MAC层，系统根据这个重传门限确定视频分组的重传或丢弃。仿真实验表明，TRA算法优于固定重传次数策略和无限重传次数策略。参考文献[13]针对视频流在WLAN中的传输，提出一种自适应的跨层重传限制（cross-layer packet retry limitadaptation）算法，该算法估计每个视频分组的传输时间，在联合考虑视频分组的传输时间和重要性的基础上，给每个视频分组分配重传限制。

FEC算法一般可以分成分组层的FEC（PFEC）和字节层的FEC（BFEC），PFEC有较强的错误恢复能力，但引入了较大的时延和抖动；BFEC的纠错能力较弱，但时延和抖动低。参考文献[14]提出了一种自适应的子分组层FEC（sub-packet FEC，SPFEC）算法。SPFEC算法的基本思想是根据无线网络的信道状况，调整编码块的大小。仿真实验表明，SPFEC算法在实时视频传输时的性能优于PFEC和BFEC。非平等错误保护（unequal loss protection，ULE）是视频通信中的基本策略，其基本思想是给重要性不同的数据分组分配不同的冗余编码。参考文献[15]针对可分级编码（SVC）视频流，提出了一种内容自适应的优先级划分策略，然后用ULE策略给予不同的保护，提高了WLAN中视频传输的质量。FEC和ARQ机制都会引入额外的时延。另外，上述算法没有考虑如何减少WLAN中的冲突概率，也没有考虑MAC层队列中的分组调度问题。

3 基于轮询调度的视频传输控制算法

HCCA协议是一种基于轮询的信道访问控制协议。这个协议需要AP站点轮询地给每一个STA分配TXOP时间。HCCA协议最关键的参数是轮询时间SI和每个STA的TXOP时间，协议推荐的TXOP计算式为：

其中，[X]表示向上取整，ρi是数据流的发送速率，Li是数据分组的大小，Ri是网络的传输速率，O是数据传输中的其他额外时间开销。但式（2）仅适用于CBR（constant bit rate）数据流，而视频流一般是 VBR（variable bit rate）数据流，因此并不适用于视频流的传输。

参考文献[16]提出了公平 HCF（fair HCF，FHCF）调度算法，FHCF算法通过利用VBR流的平均速率以及对其瞬时速率与平均速率的偏差进行估计，再结合MAC层队列长度的估算TXOP时间。仿真实验表明，FHCF算法不仅能够对实时视频传输提供更好的QoS支持，而且能够保证多个CBR流或VBR流之间的公平性。在参考文献[17]中，为了更好地在WLAN中传输时延受限的SVC视频流，笔者提出了一个基于HCCA的准入控制算法，该算法将需要传输的SVC视频流分割为几个传输子流（sub-flow），然后利用一个简单的线性规划（linear programming）模型为每一个子流分配TXOP时间，以达到最大化利用无线信道的目的。

参考文献[18]提出了支持QoS的面向优先级的自适应控制 （priority-oriented adaptive control with QoS guarantee，POAC-QG）协议，POAC-QG协议通过AP站点收集其他STA的QoS需求参数，然后利用这些参数计算SI和TXOP时间。仿真实验表明，POAC-QG协议能够完全代替HCCA协议，而且有较少的视频分组时延和抖动。参考文献[19]提出了一种基于测量的动态TXOP（measurement-base dynamic TXOP，MBDTXOP）调度算法，主要思想是通过对VBR数据流的流量预测动态调整TXOP时间。相似的算法在参考文献[20,21]中也有详细的研究。

根据HCCA协议需要一个HC实现TXOP时间的分配和调度功能，在实际的应用中HC一般由AP担任。基于HCCA协议的跨层算法一般通过实时获取应用层、网络层和物理层等的信息，计算最优的SI时间和TXOP时间。但AP之间没有协调功能，如果IEEE 802.11网络被高密度地部署，则每个AP无线覆盖的重叠区域会非常多。使用HCCA协议后，这些覆盖区域的数据传输会产生严重的数据分组冲突和碰撞，最终导致通信失败，如图3所示。因此，HCCA协议及其改进算法没有被大规模地应用。

图3使用HCCA协议后覆盖区域的数据传输示意

4 基于竞争的视频传输控制算法

DCF协议和EDCA协议都是基于竞争的信道访问机制，能够有效地避免多AP信号重叠覆盖区域的数据分组冲突和碰撞。参考文献[22]提出在标准的DCF协议中，AP节点和其他STA节点有相同的信道访问优先权，这样会导致实际网络中的上行数据（从STA到AP）和下行数据（从AP到STA）的不平衡。因此，笔者提出一种新的算法，在给定下行传输带宽比例的条件下，求出AP节点上最优的竞争窗口大小，实现上行数据和下行数据的公平传输。为了提高系统的吞吐量，很多学者提出了不同的算法和机制，包括改进退避算法[23]、设置合适的竞争窗口大小[24]、在相邻小区使用不同的通信频率[25]、使用令牌机制[26]等。但这些算法并没有充分考虑视频数据的内容信息。

DCF协议没有任何QoS机制，EDCA协议在MAC层定义了 4个优先级队列，分别是 AC_VO、AC_VI、AC_BE和AC_BK，对应于语音业务流、视频业务流、数据业务流和背景流。参考文献[27]针对WLAN中带数据分割（data partitioning）的H.264视频流的传输，提出一种跨层的传输框架（cross-layer architecture，CL-ARCH）。H.264 首次引入了数据分割技术[6]，视频数据分组可以分成视频参数集（parameter set）、IDR（instantaneous decoding refresh picture）帧、数据分割类型A、数据分割类型B和数据分割类型C。CL-ARCH根据视频分组的重要性，把不同类型的视频分组分别映射到AC_VO、AC_VI和AC_BE。参考文献[28]提出了一种跨层的动态映射算法，以提高H.264视频在WLAN中的传输速率。在这种动态算法中，MAC层调度器根据MAC层队列的长度和视频分组的重要性，把视频分组映射到3个不同的队列。参考文献[29]也使用了类似的思想提高视频传输的质量。参考文献[30]提出了一种细粒度的优化映射算法，即根据视频分组的优先级和当前的网络状态建立一个线性优化模型，并求解出最优的映射方案，进一步提出视频传输的质量。参考文献[31]提出了一种时延感知的传输框架（deadline-aware transmission framework，DATF），DATF不仅进行了类型映射，还估计了每个视频分组的传输时延，并将可能超时的分组主动丢弃。

本质上，EDCA协议通过减少竞争窗口的大小来提高它的优先级，如果网络中存在较多高优先级的数据流，就会导致冲突的增加和网络性能的降低，如图4所示。

图4 网络中存在较多高优先级的数据流时的场景

另外，IEEE 802.11系列协议已经支持多速率技术，因此也是视频传输领域的发展方向。参考文献[32]针对多速率无线局域网提出了一种准入控制机制，通过度量当前的带宽和接入新节点后的影响来确定是否接入。参考文献[33]也进行了相似的研究。参考文献[34]提出了一种改进的分布式协作 （enhanced high-performance distributed coordination function，EHDCF）算法，克服了传统DCF协议在多速率条件下低速率节点影响高速率节点性能的问题。参考文献[35]研究了时延敏感应用在多速率WLAN中的公平性问题，并通过测量节点的状态实时调整MAC层参数。参考文献[36]研究了多速率WLAN中的视频多播问题，提出了一种质量差别性多播（quality-differentiatedmulticast，QDM）协议，该协议通过调整网络的传输速率适应视频码率的变化。总体而言，多速率无线局域网中的视频传输问题仍处于研究的起步阶段，也是未来研究的热点。

5 结束语

高质量的传输视频数据是IEEE 802.11网络在实际应用中的迫切需求之一。本文介绍了基于IEEE 802.11网络MAC层协议的质量驱动的视频传输控制算法。EDCA和HCCA是IEEE 802.11协议栈定义的两种基本的QoS机制，但并没有考虑视频数据的一些特点。目前，研究人员在EDCA和HCCA协议的基础上提出了很多质量驱动的视频传输控制算法，但还没有有效地克服这两种协议固有的缺陷：EDCA协议简单，但多用户条件下会降低系统性能；HCCA单小区性能较佳，但多小区的AP之间没有协调。在充分利用视频数据特点的基础上，将两种协议的优点结合起来提高视频传输质量是未来IEEE 802.11网络中质量驱动的传输控制算法的研究目标和方向。希望本文的研究有助于相关领域的研究人员更好地理解WLAN中视频传输所面临的挑战和问题。

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