專利名稱：用于視頻多跳傳輸?shù)淖赃m應(yīng)幀長計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于視頻多跳傳輸?shù)淖赃m應(yīng)幀長計(jì)算方法，屬于無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的傳輸技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線多跳網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò)，用戶數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)之間逐跳轉(zhuǎn)發(fā)。這種網(wǎng)絡(luò)的誤碼率高、丟包率高，給視頻大數(shù)據(jù)量的傳輸造成了很大的困難，因此，必需要考慮如何在時(shí)變的無線信道上保證傳輸質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。前向糾錯(cuò)編碼FEC(Forward Error Correction)技術(shù)是在傳輸碼中加入冗余糾錯(cuò)碼，在設(shè)定條件下，接收端可以通過解碼而自動糾正傳輸誤碼，降低接收信號的誤碼率。原始視頻數(shù)據(jù)在傳輸以前通過前向糾錯(cuò)編碼，可以降低誤碼丟包的影響，提高傳輸質(zhì)量。噴泉碼是一種無碼率限制的FEC，它能很好地適應(yīng)丟包率高的傳輸通道。例如采用數(shù)字噴泉碼LT (Luby Transform)進(jìn)行文件的無線傳輸、無線視頻傳輸或在車載網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)，都可有效提聞傳輸質(zhì)量。LT編碼的發(fā)送端將原始數(shù)據(jù)分為k個(gè)源分組，然后由源分組生成任意數(shù)量的編碼分組；接收端只要接收到其中任意k(l+ ε )個(gè)編碼分組，就可以高概率地完成譯碼而恢復(fù)源分組。其中，ε是譯碼冗余開銷，當(dāng)k值越大時(shí)，ε就越小。而源分組的數(shù)量、即k值大小與幀長密切相關(guān)，對于給定的原始數(shù)據(jù)，幀長越小，k值就越大；幀長越大，k值就越小。因此，在利用LT編碼傳輸視頻信息時(shí)，需要考慮具體的應(yīng)用環(huán)境，才能帶來較高的傳輸收益。IEEE802. 11無線通信標(biāo)準(zhǔn)是目前應(yīng)用廣泛的通信技術(shù)，利用802. 11通信節(jié)點(diǎn)可以方便地實(shí)現(xiàn)多跳傳輸 。對于802. 11這種競爭式信道工作機(jī)制，幀長選取對網(wǎng)絡(luò)性能具有很大的影響。為了提高系統(tǒng)傳輸效率，有些科研人員針對802. 11無線信道，對一定誤碼率下幀長與網(wǎng)絡(luò)吞吐量的關(guān)系進(jìn)行了研究，與其相關(guān)的研究還包括數(shù)據(jù)分發(fā)業(yè)務(wù)多播方案的最佳負(fù)載長度方法、幀長和重傳對無線多媒體數(shù)據(jù)傳輸性能的研究等等。在無線傳輸中，使用LT編碼可以提高視頻傳輸質(zhì)量，代價(jià)是一定量的冗余開銷。但幀長會影響LT編碼冗余度，還會影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量。在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，綜合考慮幀長對LT編碼冗余度與網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響，選擇合適的幀長，有助于降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、提高網(wǎng)絡(luò)整體效率。這些課題都是業(yè)內(nèi)科技人員關(guān)注的焦點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是為了提高傳輸質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，滿足多跳視頻傳輸?shù)男枨?，提供一種在802. 11無線多跳環(huán)境下用于視頻多跳傳輸?shù)淖赃m應(yīng)幀長計(jì)算方法。本發(fā)明是在對帶寬使用效率、誤碼開銷、前向糾錯(cuò)和信道工作機(jī)制展開研究，并分析了負(fù)載長度與視頻傳輸性能的關(guān)系而提出的。在多跳視頻數(shù)據(jù)傳輸中，本發(fā)明方法能在保證質(zhì)量和吞吐量的前提下，最小化傳輸時(shí)延。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于視頻多跳傳輸?shù)淖赃m應(yīng)幀長計(jì)算方法，其特征在于在視頻信息傳輸時(shí)，綜合考慮凈荷數(shù)據(jù)長度和傳輸過程中的丟包與信道工作機(jī)制的關(guān)系，采用前向糾錯(cuò)的自適應(yīng)幀長選擇算法，根據(jù)反饋的信道質(zhì)量和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，發(fā)送端與接收端交互配合完成自適應(yīng)幀長的計(jì)算與調(diào)整，以使在多跳的無線傳輸環(huán)境下能夠保證系統(tǒng)的傳輸效率；所述方法包括下列操作步驟(I)發(fā)送端發(fā)送初始數(shù)據(jù)當(dāng)緩存區(qū)中的視頻幀內(nèi)編碼幀(I幀)和視頻幀間編碼中貞(P巾貞)的序列數(shù)據(jù)達(dá)到一個(gè)畫面組GOP (Group of pictures)時(shí),發(fā)送端使用初始設(shè)定的幀長L開始傳輸LT編碼數(shù)據(jù)，并等待接收端的反饋；(2)接收端反饋信道信息接收端根據(jù)無線傳輸丟包率P的計(jì)算公式P =l-(l-e)n_，統(tǒng)計(jì)所接收的數(shù)據(jù)丟包率P ;式中，η為源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的無線傳輸鏈路跳數(shù)，該數(shù)值取自多跳路由表的反向路由與正向路由；e、L、H分別為本發(fā)送周期內(nèi)的誤碼率、幀長和包括IP頭部、UDP頭部與LT編碼頭部的該數(shù)據(jù)頭部總長度；然后，將該誤碼率e值反饋給發(fā)送端；(3)發(fā)送端進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整發(fā)送端根據(jù)反饋的誤碼率e，綜合考慮當(dāng)前信道質(zhì)量下的幀長對傳輸丟包、傳輸效率和前向糾錯(cuò)編碼冗余的影響，選擇最佳的幀長L作為下一發(fā)送周期的數(shù)據(jù)分片長度。
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本發(fā)明相對現(xiàn)有的最好技術(shù)而言，所具有的優(yōu)點(diǎn)和效果現(xiàn)有的傳輸技術(shù)，只考慮傳輸誤碼和前向糾錯(cuò)的因素，對數(shù)據(jù)分發(fā)業(yè)務(wù)進(jìn)行幀長的選擇。這些方法都沒有對視頻幀重組和信道工作機(jī)制進(jìn)行分析，造成實(shí)際使用中的傳輸時(shí)延大、網(wǎng)絡(luò)吞吐量低和視頻的傳輸質(zhì)量差。本發(fā)明是首次基于對影響無線傳輸中的誤碼開銷、視頻幀重組、前向糾錯(cuò)、信道工作機(jī)制等多種因素相互關(guān)系的綜合考慮，提出的一種802. 11標(biāo)準(zhǔn)的多跳視頻傳輸?shù)淖赃m應(yīng)幀長算法。該方法用于多跳視頻數(shù)據(jù)傳輸中，能夠在保證質(zhì)量和吞吐量的前提下，使得傳輸時(shí)延最小化；而且，操作步驟簡單，容易實(shí)現(xiàn)，便于推廣應(yīng)用。
圖1是分布協(xié)調(diào)功能工作機(jī)制示意圖。圖2是本發(fā)明用于視頻多跳傳輸?shù)淖赃m應(yīng)幀長計(jì)算方法操作步驟流程圖。圖3是分別采用本發(fā)明方法與無前向糾錯(cuò)兩種編碼傳輸方式的峰值信噪比PSNR曲線比較圖。圖4 (A)、(B)分別是采用圖3的本發(fā)明計(jì)算方法與無前向糾錯(cuò)的兩種編碼傳輸方式的YUV第204幀視頻圖像Frame比較圖。圖5 (A)、(B)分別是采用圖3的本發(fā)明自適應(yīng)幀長計(jì)算方法與無前向糾錯(cuò)的兩種編碼傳輸方式的YUV第233幀視頻圖像Frame比較圖。圖6是分別采用本發(fā)明方法與固定幀長兩種編碼傳輸?shù)腜SNR比較圖。圖7是分別采用本發(fā)明方法與固定r的兩種編碼傳輸?shù)腜SNR比較圖
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。參見圖1，介紹本發(fā)明方法的應(yīng)用場景采用802. 11的分布協(xié)調(diào)功能DCF(Distributed Coordination Function)信道工作機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)發(fā)送端需要發(fā)送一中貞數(shù)據(jù)時(shí)，先檢測和判斷信道是否空閑，如果空閑、且空閑時(shí)間超過分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔DIFS (DCF InterFrame Space)時(shí)長，則發(fā)送端立即發(fā)送該數(shù)據(jù)；否則，即判斷信道“忙”，則發(fā)送端處于持續(xù)偵聽狀態(tài)，直到信道再次空閑、且該空閑時(shí)間大于DIFS間隔時(shí)長時(shí)，發(fā)送端也不立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而是選擇一個(gè)隨機(jī)避讓時(shí)間，并在該避讓時(shí)間結(jié)束后，再發(fā)送數(shù)據(jù)；接收端正確接收每個(gè)分組后，要在短巾貞間隔SIFS (Short InterFrame Space)時(shí)長內(nèi)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)ACK幀，以確認(rèn)已經(jīng)接收上一幀數(shù)據(jù)。本發(fā)明的幀長計(jì)算方法中，考慮了幀長對丟包的影響、幀長對競爭式信道網(wǎng)絡(luò)效率的影響，以及多跳路徑跳數(shù)的影響。下面介紹本發(fā)明方法的設(shè)計(jì)依據(jù)從802. 11無線信道的傳輸過程來看，傳送數(shù)據(jù)需要一定的時(shí)間開銷。發(fā)送端發(fā)送每幀數(shù)據(jù)所需時(shí)間T的計(jì)算公式為T-TDIFS+Tback()ff+Tdata+TPHY+TSIFS+TACK，式中，
Tdifs、^backoff、Tsifs、Tack 和Tphy分別為DIFS間隔時(shí)間、隨機(jī)避讓時(shí)間、SIFS間隔時(shí)間、確認(rèn)幀的傳輸時(shí)間和物理層頭部的傳輸時(shí)間，Tdata為凈荷數(shù)據(jù)加上MAC層、IP層和UDP層的傳輸時(shí)間；802. 11信道的傳輸效率V的計(jì)算公式
為
權(quán)利要求
1.一種用于視頻多跳傳輸?shù)淖赃m應(yīng)幀長計(jì)算方法，其特征在于在視頻信息傳輸時(shí)，綜合考慮凈荷數(shù)據(jù)長度和傳輸過程中的丟包與信道工作機(jī)制的關(guān)系，采用前向糾錯(cuò)的自適應(yīng)幀長選擇算法，根據(jù)反饋的信道質(zhì)量和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，發(fā)送端與接收端交互配合完成自適應(yīng)幀長的計(jì)算與調(diào)整，以使在多跳的無線傳輸環(huán)境下能夠保證系統(tǒng)的傳輸效率；所述方法包括下列操作步驟(1)發(fā)送端發(fā)送初始數(shù)據(jù)當(dāng)緩存區(qū)中的視頻幀內(nèi)編碼幀(I幀)和視頻幀間編碼幀(P幀)的序列數(shù)據(jù)達(dá)到一個(gè)畫面組GOP時(shí)，發(fā)送端使用初始設(shè)定的幀長L開始傳輸LT編碼數(shù)據(jù)，并等待接收端的反饋；(2)接收端反饋信道信息接收端根據(jù)無線傳輸丟包率P的計(jì)算公式p= l-(l-e)ηα+Η)，統(tǒng)計(jì)所接收的數(shù)據(jù)丟包率P ;式中，η為源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的無線傳輸鏈路跳數(shù)，該數(shù)值取自多跳路由表的反向路由與正向路由；e、L、H分別為本發(fā)送周期內(nèi)的誤碼率、幀長和包括IP頭部、UDP頭部與LT編碼頭部的該數(shù)據(jù)頭部總長度；然后，將該誤碼率e值反饋給發(fā)送端；(3)發(fā)送端進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整發(fā)送端根據(jù)反饋的誤碼率e，綜合考慮當(dāng)前信道質(zhì)量下的幀長對傳輸丟包、傳輸效率和前向糾錯(cuò)編碼冗余的影響，選擇最佳的幀長L作為下一發(fā)送周期的數(shù)據(jù)分片長度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法的應(yīng)用場景為采用802.11的分布協(xié)調(diào)功能DCF信道工作機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)發(fā)送端需要發(fā)送一幀數(shù)據(jù)時(shí)，先檢測和判斷信道是否空閑，如果空閑、且空閑時(shí)間超過分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔DIFS時(shí)長，則發(fā)送端立即發(fā)送該數(shù)據(jù)；否則，即判斷信道“忙”，則發(fā)送端處于持續(xù)偵聽狀態(tài)，直到信道再次空閑、且該空閑時(shí)間大于DIFS間隔時(shí)長時(shí)，發(fā)送端也不立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而是選擇一個(gè)隨機(jī)避讓時(shí)間，并在該避讓時(shí)間結(jié)束后，再發(fā)送數(shù)據(jù)；接收端正確接收每個(gè)分組后，要在短幀間隔SIFS時(shí)長內(nèi)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)ACK巾貞，以確認(rèn)已經(jīng)接收上一巾貞數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(3)包括下列操作內(nèi)容(31)發(fā)送端獲取e值后，根據(jù)下述公式計(jì)算在不同幀長L的情況下，傳輸總長度為F的 數(shù)據(jù)所需要的不同傳輸時(shí)間T(L)
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述發(fā)送端發(fā)送每幀數(shù)據(jù)所需時(shí)間T的計(jì)算公式為:T-TDIFS+Tbackoff+Tdata+TPHY+TSIFS+TACK，式中， Tdifs、^backoffΛ Tsifs、Tack 和Tphy分別為DIFS間隔時(shí)間、隨機(jī)避讓時(shí)間、SIFS間隔時(shí)間、確認(rèn)幀的傳輸時(shí)間和物理層頭部的傳輸時(shí)間，Tdata為凈荷數(shù)據(jù)加上MAC層、IP層和UDP層的傳輸時(shí)間；其傳輸效率V的計(jì)算公式為
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述無線多跳傳輸路徑的跳數(shù)越多，丟包損失就越大；為了對丟包進(jìn)行補(bǔ)償，將LT編碼中的固定參數(shù)R修改為變量
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述接收端接收的LT編碼數(shù)據(jù)包的總數(shù)M=kZ，Z為LT編碼冗余開銷，k是源數(shù)據(jù)的分組數(shù)，且k=[F/L] ;發(fā)送端應(yīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)量Data的計(jì)算公式
全文摘要
一種用于視頻多跳傳輸?shù)淖赃m應(yīng)幀長計(jì)算方法，步驟為(1)當(dāng)緩存區(qū)中的視頻幀內(nèi)編碼幀(I幀)和幀間編碼幀(P幀)的序列數(shù)據(jù)達(dá)到一個(gè)GOP時(shí)，發(fā)送端使用初設(shè)幀長L開始傳輸LT編碼數(shù)據(jù)，并等待接收端的反饋；(2)接收端根據(jù)無線傳輸丟包率的計(jì)算公式統(tǒng)計(jì)接收的數(shù)據(jù)丟包率；再將誤碼率值反饋給發(fā)送端。(3)發(fā)送端根據(jù)反饋的誤碼率，綜合考慮當(dāng)前信道質(zhì)量下的幀長對傳輸丟包、傳輸效率和前向糾錯(cuò)編碼冗余的影響，選擇最佳幀長作為下一發(fā)送周期的數(shù)據(jù)分片長度。本發(fā)明綜合考慮凈荷數(shù)據(jù)長度和傳輸丟包與信道工作機(jī)制關(guān)系，發(fā)送端與接收端交互配合，根據(jù)反饋的信道質(zhì)量和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)跳數(shù)，自適應(yīng)計(jì)算與調(diào)整幀長，保證視頻多跳傳輸?shù)膫鬏斝省?br>
文檔編號H04N7/32GK103051981SQ201210461439
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者段鵬瑞, 馬華東, 錢樂 申請人:北京郵電大學(xué)