王華林，宋建新

（南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003）

1 引言

隨著網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展和多媒體技術(shù)的不斷成熟，網(wǎng)絡上所傳輸?shù)男畔⒁巡辉倬窒抻诤唵蔚奈淖趾蛨D像，而是向傳輸由視頻、音頻組成的多媒體信息方向發(fā)展。由于無線網(wǎng)絡的動態(tài)性、不可預測的延時、丟包率和可用帶寬，視頻傳輸在盡力而為的Internet網(wǎng)絡傳輸中面臨著很大的挑戰(zhàn)。

在無線視頻通信中，接收方希望對收到的視頻流進行不間斷、流暢地播放，這就對網(wǎng)絡提供的服務質(zhì)量保證提出了很高的要求，視頻編解碼和傳輸系統(tǒng)需要克服信道的高誤碼率、包丟失等問題。為了應對這些挑戰(zhàn)，利用路徑分集在多條路徑上傳輸已經(jīng)成為一個有效的方式來克服這些困難。

2 路徑分集

2.1 路徑分集介紹

分集技術(shù)的基本思想是：通過一定的形式使接收端同時接收到多個衰落特性互相獨立的信號，然后對這些信號進行特定的處理并加以合并從而減小衰落信號電平的起伏程度。在物理層進行的頻率分集、時間分集、空間分集已經(jīng)研究了很多年，但是網(wǎng)絡層的路徑分集近幾年才開始得到重視[1]。

路徑分集是一種傳輸技術(shù)，是指在分組網(wǎng)絡中通過兩條或更多的路徑傳輸數(shù)據(jù)。路徑分集既可以使用多條路徑同時傳輸，也可以在傳輸過程中選擇較好的一條路徑進行切換。這與傳統(tǒng)的單路徑傳輸所有的數(shù)據(jù)包有很大區(qū)別。多路徑可以源于單個源節(jié)點，也可以源于多個源節(jié)點。由多個源節(jié)點產(chǎn)生的路徑分集也稱為服務器分集或者源節(jié)點分集。兩種路徑分集方式的架構(gòu)如圖1所示。路徑分集已經(jīng)應用于無線Mesh網(wǎng)絡、ad-hoc網(wǎng)絡、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡以及Overlay網(wǎng)絡[2-3]。

2.2 路徑分集的優(yōu)點

通過聚集網(wǎng)絡資源，路徑分集能有效地改善流媒體傳輸性能[4-5]。路徑分集的一個最直接優(yōu)點就是通過同時使用所有路徑增加可用帶寬。增加帶寬既可以通過多源的路徑分集，也可以通過單個源節(jié)點和中繼節(jié)點聚集帶寬。由于增加了可用帶寬，采用路徑分集還能夠?qū)⒁粭l流分配到多條路徑上從而實現(xiàn)業(yè)務流量負載平衡。

路徑分集的另一個優(yōu)點是通過復制一些數(shù)據(jù)包在其他路徑上同時傳輸，可以減小丟包率和延時。只要不是所有的路徑上都發(fā)生丟包，接收端既能獲得最小的路徑延時，又能減小一條路徑上的丟包對視頻接收造成的影響。在多條路徑上平均分配數(shù)據(jù)包不僅可以減小丟包率的波動性，使丟包率維持相對平穩(wěn)，還增加了每條路徑上的包間距，使一定時間內(nèi)由網(wǎng)絡擁塞造成的突發(fā)性丟包更少。與相同數(shù)量的連續(xù)丟包相比，視頻更容易從多個孤立的丟包中恢復出來。

圖1 路徑分集架構(gòu)

3 路徑分集在視頻傳輸中的應用研究

在使用路徑分集時，視頻流傳輸通常采用兩種源編碼方式：多描述編碼（multiple description coding）[6-9]和可分級編碼（layered coding 或者 scalable coding）[9-11]。 多描述編碼是指將原始信息編碼成多個子流，也稱為多個描述。多描述編碼有兩個重要的性質(zhì)：1）每個描述都可以獨立解碼，得到原始信號一定有效程度的復制信號；2）多個描述之間包含互補信息，正確接收到的描述數(shù)量越多，解碼信號的質(zhì)量越好?？煞旨壘幋a是將視頻流分成一個基本層和多個增強層。解碼端首先必須接收一個基本層以確?；镜膱D像質(zhì)量，而接收需要的增強層信息則用來進一步提高解碼圖像精細部分的質(zhì)量。與多描述編碼相比，如果可分級編碼基本層的數(shù)據(jù)包丟失，那么即便收到增強層的信息也無法進行解碼。

3.1 多描述編碼視頻流的路徑分集傳輸

文獻[6]介紹了一種在2條路徑的路徑分集系統(tǒng)中傳輸多描述編碼視頻的失真模型。對于2條路徑的路徑分集，存在一些路徑1與路徑2都要經(jīng)過的聯(lián)合鏈路、只有路徑1經(jīng)過的非聯(lián)合鏈路、只有路徑2經(jīng)過的非聯(lián)合鏈路。多描述編碼視頻的失真主要取決于丟包同時影響兩個描述還是只影響單個描述。多描述源的失真行為可以用4狀態(tài)模型來表示。狀態(tài)00表示兩個描述都收到，狀態(tài)01，10表示只收到一個描述，另一個描述丟失，狀態(tài)11表示兩個描述都丟失。筆者提出了快速預測多描述在路徑分集下的失真模型，研究結(jié)果顯示與傳統(tǒng)的單描述編碼視頻在單路徑上傳輸相比，使用多描述編碼與路徑分集能減少失真。

文獻[7]基于多描述編碼和路徑分集提出了一種TCP友好率分配算法。路徑分集采用服務器分集的形式，兩個發(fā)送端通過不同的路徑將互補的子流發(fā)送給接收端。每個子流都使用FEC編碼進行保護。每個發(fā)送端有不同的可用帶寬，丟包程度也不相同。筆者提出的算法首先使用TCP友好率控制算法估計可用帶寬和丟包率，再調(diào)整每個發(fā)送者的傳送速率和傳輸?shù)陌臄?shù)量，使得接收端的總失真最小。研究顯示這種算法能增加對網(wǎng)絡擁塞造成丟包的容忍程度。

3.2 可分級編碼視頻流的路徑分集傳輸

在文獻[9-10]中，作者提出了一種可分級編碼結(jié)合選擇性ARQ（LC+ARQ）的視頻流多徑傳輸方法。視頻流被編碼成一個基本層和一個增強層?；緦涌梢栽趦蓷l路徑上同時傳輸，而增強層選擇一條路徑傳輸。如果基本層出現(xiàn)丟包，接收端在兩條路徑上發(fā)送ARQ請求。由于重傳會對后面的包造成一定的延時，發(fā)送端只在增強層的路徑上對丟失的數(shù)據(jù)包進行重傳。實驗結(jié)果表明這種方法能顯著減小解碼端重建幀的差錯傳播。將這種LC+ARQ傳輸方式與多描述運動補償視頻編碼MDMC、基于反饋的參考幀選擇RPS等傳輸方法進行比較，結(jié)果表明LC+ARQ傳輸方式能獲得最好的解碼視頻幀平均PSNR。

文獻[11]提出了一種在無線多跳網(wǎng)絡中基于路徑分集的可分級編碼視頻流傳輸方案。在該傳輸方法中，MAC層根據(jù)鏈路的帶寬、視頻包的解碼期限以及排隊延時計算最大的重傳次數(shù)。傳輸時采用路徑分集，根據(jù)視頻包的視頻期望失真度和路徑的誤碼率對視頻包進行最優(yōu)排隊并選擇最優(yōu)路徑。

每個視頻包 υ有解碼期限dυdeadline、包長 Lυ、失真減小值△υ等特征。失真減小值用均方誤差MSE表示，代表了視頻包的重要程度。無線網(wǎng)絡采用多跳Overlay網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，節(jié)點按照IEEE 802.11e的HCCA機制為每個視頻流預留一個事先決定的傳輸機會間隔。發(fā)送者與接收者之間的拓撲結(jié)構(gòu)由一個擁有M條路徑的連通性結(jié)構(gòu)P表示，P=｛p1，p2，…，pM｝，li，j為路徑 pi的第 j條鏈路。 每個節(jié)點能主動監(jiān)測其輸出鏈路的狀態(tài)矢量，但只能估計超出范圍鏈路的狀態(tài)信息。由于分析全拓撲結(jié)構(gòu)比較復雜，筆者在多跳網(wǎng)絡中提取出一個基本單元作為研究對象以簡化分析過程。通過這種基本單元，無線多跳網(wǎng)絡能分解成多個基本單元。多跳拓撲結(jié)構(gòu)和基本單元的模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡拓撲模型

沒有鏈路出現(xiàn)失敗時，筆者引入了一個網(wǎng)絡感知的失真減少度量 △υr作為 △υ的擴展。 △υr根據(jù)超出范圍鏈路的誤碼率期望值進行更新。視頻包的最優(yōu)傳輸就在多個參數(shù)約束下，選擇最合適的包通過最優(yōu)路徑傳輸使接收端期望失真減少值最大。計算了不采用路徑分集時接收端的總失真減少值 △GoP｛fail-free，no-diversity｝與采用路徑分集時接收端的總失真減少值 △GoP｛fail-free，diversity｝。通過比較兩者的關(guān)系，可以得出以下結(jié)論：當沒有鏈路出現(xiàn)失敗時，最優(yōu)化的應用層路徑分集并不能增加解碼端的期望失真減少值，達到改善性能的目的。

鏈路出現(xiàn)失敗時，數(shù)據(jù)包在重傳時主要是根據(jù)失真減少值，選擇對一些較重要的包采用路徑分集，在兩條路徑上同時傳輸，而不是基于初次傳輸?shù)拇_認信息選擇一條最優(yōu)路徑重傳。此時傳輸一個GoP解碼端得到的相應失真減少值為△｛failure，diversity｝。通過理論分析和仿真，結(jié)果表明如果選擇合適的分集比例，使用路徑分集能獲得更大的失真減少值，而且能使失真減少值變得穩(wěn)定，改善了視頻質(zhì)量的穩(wěn)定性。同時采用路徑分集的包的比例也會對整個視頻流的解碼質(zhì)量有影響，存在一個最優(yōu)的分集比例，能使得解碼端獲得最大期望失真減少值，這個最優(yōu)分集比例與視頻本身失真減少△υ的模型以及各鏈路失敗概率的期望值有關(guān)。

4 目前研究中存在的問題

在目前路徑分集的研究中，拓撲控制、信道估計、路徑選擇 （服務器分集結(jié)構(gòu)中主要是選擇最優(yōu)服務器）、傳輸調(diào)度以及重傳設置都是改善系統(tǒng)傳輸性能的關(guān)鍵技術(shù)。上一節(jié)介紹了路徑分集在視頻傳輸過程中的應用研究，其中一些雖然表現(xiàn)出較好的性能，但仍然存在一些不足和需要改進的地方。

文獻[7]的服務器分集研究模型比較簡單，服務器與接收端之間只有一跳，路徑不會改變，因此有一定的局限性，不適合較復雜的網(wǎng)絡。如果單個服務器與接收端之間也存在多條路徑，則還需要考慮選擇最優(yōu)路徑以及單個服務器在各條路徑上的速率分配。

文獻[9]的LC+ARQ多徑傳輸研究中沒有對基本層的數(shù)據(jù)選擇信道最好的路徑進行傳輸，只是將基本層與增強層數(shù)據(jù)分別從兩條不同的路徑上傳輸。當基本層數(shù)據(jù)重傳時，增強層的傳輸路徑上將同時傳輸基本層與增強層數(shù)據(jù)，此時并沒有對基本層數(shù)據(jù)采用優(yōu)先傳輸，有可能導致較大的延時。而且如果增強層的傳輸路徑信道質(zhì)量不好，出現(xiàn)高誤碼率時，與在原始路徑上重傳時相比，在增強層路徑上重傳基本層數(shù)據(jù)并不能獲得更好的傳輸質(zhì)量。因此，采用LC+ARQ傳輸可以考慮結(jié)合路徑選擇與優(yōu)先級調(diào)度進一步改善基本層數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，提高視頻接收質(zhì)量。

文獻[11]的傳輸方案雖然假設同一個GOP中的視頻包有相同的解碼期限，但是在重傳時忽略了再次傳輸?shù)囊曨l包與首次傳輸?shù)囊曨l包相比有著更小的剩余時延，導致重傳的視頻包不能獲得優(yōu)先傳輸?shù)臋C會，增加了解碼端接收到視頻包卻因超過解碼期限而丟棄的概率。一個改進的方法就是對每個視頻包考慮數(shù)據(jù)包傳輸?shù)膩G包率以及超時丟棄的概率，評估其被傳輸無效的風險概率，再通過這種風險概率在傳輸調(diào)度時進行優(yōu)先選擇傳輸，提高傳輸系統(tǒng)在時延方面的性能。此外，傳輸時還可以結(jié)合FEC對基本層數(shù)據(jù)進行糾錯保護，減少重傳，降低傳輸?shù)娜哂喽取?/p>

通過結(jié)合適當?shù)木幋a方式，路徑分集顯著地提高了視頻流傳輸?shù)姆召|(zhì)量。合適的重傳策略能有效地降低傳輸?shù)娜哂喽?，提高無線環(huán)境下有限網(wǎng)絡資源的利用率。由于多描述編碼與可分級編碼在性質(zhì)上的差異，重傳對可分級編碼特別是基本層數(shù)據(jù)，有著更加重要的作用。

5 結(jié)束語

本文介紹了路徑分集的基本原理以及它在無線傳輸網(wǎng)絡中的優(yōu)點，分析了多描述編碼、可分級編碼結(jié)合路徑分集的無線傳輸。在未來的研究中，還可以考慮將路徑分集與物理層調(diào)制和功率控制、MAC層重傳、調(diào)度算法以及應用層相結(jié)合，實現(xiàn)跨層傳輸設計，更好地提高視頻流傳輸?shù)姆召|(zhì)量。

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