基于移动网络的实时多媒体传输模式设计与实现

摘　要：无线技术的发展与应用的逐步深入，使人们对无线网络的通信有了更高的要求。无线通讯的信道具有先天的不确定性，这就使其在承载多媒体信息方面难度较大。本文以现有的设计方法和手段为基础，通过分析多媒体数据与移动ad hoc网络的特性，对有效的多媒体传输方案进行设计与实现。所设计的多媒体传输系统能够在信道不稳定的ad hoc网络上提供具有一定质量的多媒体传输，具有一定的价值和意义。

关键词：移动网络，实时多媒体传输，多媒体质量
　　1 引言
　　无线技术的发展与应用的逐步深入，使人们对无线网络的通信有了更高的要求。随着手持终端的大量涌现，怎样实现基于移动ad hoc网络的多媒体传输成为关注的焦点。作为移动ad hoc网络的节点，同时扮演着接收数据的客户端、发送数据的源端以及对数据进行转发的路由器的多重角色，由于无线通讯的信道具有先天的不确定性，其拓扑结构具有动态性，信道的属性也是时变的，再加上视频编码具有错误敏感性，这就使得无线通信在承载多媒体信息方面难度较大。
　　目前，解决基于移动网络的实时多媒体传输的模式有如下两种，其一是：结合无线网络上所传输数据的重要性，通过优先级调度算法，对相对重要的数据进行保护，从而提升整体的通信效率。具体做法是为无线网络上的数据流划分优先级，对优先级高的数据，在传送过程中予以保护。其二是：对现有的TCP/IP协议栈架构进行较大幅度的改动，重新进行跨层设计。具体做法是将交互模块添加至需要进行跨层信息交互的协议层间，从而大幅减少层间交互时间，实现高效率的数据传输。
　　以上的方法在实践中均取得了一些不错的效果，能够在一定程度上实现基于移动ad hoc网络的多媒体可靠数据传输。本文将以现有的设计方法和手段为基础，通过进一步分析多媒体数据与移动ad hoc网络的特性，对有效的多媒体传输方案进行设计与实现。
　　2 基于移动网络的实时多媒体传输
　　2.1实时多媒体应用的网络需求分析
　　随着多媒体技术与移动通信技术发展与应用的不断深入，网络信息技术的核心问题已经聚焦在基于无线传输的音频、视频和数据上。在未来的移动网络中，如何将视频会议、视频点播等多媒体业务承载于移动终端上，并以此构建运营商新的经济增长点，将成为一个重要的发展趋势。当前的许多多媒体应用，如实时监控、流媒体点播、视频会议等业务均是基于有线互联网络上的，对于无线网络而言，由于多媒体业务具有巨大的业务流量，并且其时序性和错误敏感性均不同于普通业务，因此对网络也有着更高的需求，具体包括：
　　2.1.1高带宽需求
　　即使经过压缩之后，声音、图像等多媒体数据流依然很大，因此其传输必然会基于较高的带宽环境。此外，多媒体信息具有交互的特征，因此必然是双向传输，对无线信道的带宽要求是很高的。
　　2.1.2可靠性需求
　　对于多媒体数据在传输的过程中出现的乱序或延迟，以及数据出错或丢失现象，多媒体网络应该具备一定的容错能力和处理机制，以保证音视频信息数据的有效安全性和时序性。如果出现的差错能够在传输过程中得到解决或者处理，就能减轻终端系统的负担，提升网络平台的安全性。
　　2.2 移动多媒体传输的编码模型设计
　　对于一个基于移动无线网络的多媒体传输系统而言，为了使视频服务通信系统能够具有令人满意的可靠性和有效性，就必须在编码的设计中注重抗网络抖动能力和抗错误能力。如果视频编码能够有效地适应网络抖动，就能够在出现数据分组到达速率变化的情况下依然保持不错的业务质量。只有在编码设计中注重数据发送速率的自适应性，才能实现以上的目标。
　　H.264协议的可扩展编码伸缩性强，且具备一定的原始图像的重构能力，因此可以实现多媒体数据流通过对质量层的控制来达到调节码流速率的目的，从而更好地适应多变的带宽，满足网络带宽波动下的多媒体数据有效传输。在移动ad hoc网络上传输多媒体数据，需要编码方式能够具备高效的压缩比，而分层编码能够满足此要求。本文将MDC编码与分层编码相结合，便可实现错误弹性编码，增强多媒体码流的容错性，提升数据传输的效率。具体做法为：在分层编码之中的增强层实现错误弹性编码，如图所示：
　　
　　图1：移动多媒体传输的编码模型设计
　　此种模式能够结合MDC与H.264，实现最佳化编码的容错性，具体实现方法是：首先对多媒体数据进行H.264/SVC编码，使之成为BL层和EL层，接着对这两个层次分别进行MDC编码，生成BLD0和BLD1，以及ELDO和ELDl的相关信息描述。
　　在系统的容错方面，考虑到传统的FEC前向纠错起核心是基于冗余信息的容错方式，而此种方式对于多媒体数据信息而言将产生大量的冗余信息，显然难以适应带宽有效的移动网络环境，而且会形成致命的网络拥塞。而上文所提的采用H.264/SVC来压缩多媒体数据流时，得到了基本层和增强层。在此若仅仅限于对基本层进行保护，亦即只保证多媒体数据的最低限度质量，就可以只对基本层进行FEC冗余编码，这样就能节约大量资源。如下图所示：
　　
　　图2：多媒体数据传输的FEC机制示意图
　　此外，如果ad hoc网络出现了信道条件恶劣的情况，就会出现数据包的错误或者丢失情况。在经过高度压缩之后的多媒体数据流具有更大的传输错误敏感，因此轻微的错误也会逐渐扩散，影响服务的质量。因此，必要的错误隐藏手段是不可或缺的。
　　本文所采用的错误隐藏模式来自H.264标准，先拆封并对收到的音视频数据信息流进行解码，对获取的多媒体码流进行可变长解码，假如探测到一个错误的码，就调用错误控制模块的相关功能进行修复操作，然后接招进行运动矢量修复，实现错误隐藏的目标。
　　2.3移动多媒体传输模型设计
　　适合视频流传输的方案才能保证视频服务的鲁棒性，下面进行移动多媒体传输模型设计。
　　2.3.1  二-路径传输模式的选择
　　无线ad hoc网络中的链接模式和传统的与传统的拓扑模式截然不同，由于不必考虑基站的问题，因此随着节点的移动性，网络拓扑是动态变化的。在某两个节点之间，其建立的链接也随时可以不断的建立和断开。由于每段链接的不稳定，导致终端之间端到端的路径更加难以保证可靠性，传输的丢失就更加频繁。但是同时也可发现，虽然由于用户经常移动导致链路不稳，但是心的路由建立也由此而变得很方便。 基于ad hoc网络的拓扑也能实现将多条路由部署于两个任意节点之间。二-路径传输模式就是基于以上的思想，通过将一个多媒体数据流进行划分，形成多条子数据流，用不同的路径承载不一样的子数据流，通过分散传输的模式实现ad hoc网络的容量提升。
　　本文选择的路由原型是基于按需驱动的AOMDV路由。这种多路径路由协议是基于备用路由的思想，其核心意义在于能够将断掉的链路立即向新的路由进行切换，从而确保了多媒体数据的畅通。在此对AOMDV协议进行一定的改进，首先使用其备用路由的思想实现快速切换路由，改进其路由选择的指标，将指标定位于路由时延和路由可靠性。定义阈值为五十毫秒，当路由时延小于该阈值时，就优先选取高可靠性的路由进行数据传输，反之则选取其他路由。如下图所示：
　　
　　图3：多媒体数据的路由传输结构
　　在此引入二-路径传输方案，考虑到假如多媒体数据处于两个互不相交的路径上，会取得性能与开销之间的最佳平衡点，因此，对多媒体数据采用二-路径传输模式进行传输。原来的AOMDV协议所选择的备用路由来自最大不相交路径，若探测到数据的一跳链路发生中断，则会立即将数据包切换至备用路径中，其路由选择的标准是路由的跳数。本文对此协议的选取标准做出了改动，将路径选择的标准定位于使用链路的可靠性和延迟，由路径的丢包率来衡量其是否具有可靠性。如果数据传输的时延并未越过警戒值，则将传输路径定位于可靠性最高的的路径，将可靠性较低的路径作为被选者。这样做的原因是考虑到多媒体数据流实时性很强，因此对时延的要求相对较高。
　　2.3.2拥塞控制模式的设计
　　由于多媒体数据信息的实时性，其只能是基于UDP协议之上，而UDP协议对于拥塞控制并不提供支持。如果不控制终端向网络中发送数据的速率，将会形成不可避免的网络拥塞。为了避免拥塞的发生，使网络性能得到提升，多媒体数据的速率调节是必不可少的。目前常常使用的速率调节模式包括混合速率调节模式、基于发送方的速率调节模式以及基于接受方的速率调节模式。
　　考虑到移动ad hoc网络是终端可移动的，因此不能给终端加上较大的资源负担，因此本文选取的拥塞控制方式是基于发送方的速率调节模式。首先定义三个阈值，分别代表最小值、中间值和最大值，如果多媒体数据发送端的缓冲区长度不大于最小值阈值时，就将发送速率递增为当前发送速率的两倍；当发送端缓冲区的长度介于最小值与最大值之间的时候，就将发送速率以一定的常量进行递增；如果多媒体数据发送端的缓冲区长度大于最大值阈值时，就将发送速率以二分之一的常量进行递减。
　　2.3.3选择性MAC协议的设计
　　MAC协议的使用，能够在发生分组冲突时实现移动台之间信息的成功交换，渐少分组传输延迟，提高系统吞吐量。本文为了适应无线多媒体的传输，改动其参数，以实现有选择的MAC重传。如果一个数据包在MAC层被正常接收，则发送端会收到ACK信息包。假如没有收到ACK信息包，则可判定对原数据包自动重传。MAC协议标准中，规定一个数据包的重新传输的次数上限是七次，七次之后便会丢弃原数据包。MAC协议的这个重传控制机制确保了数据包的可靠传输，但是端到端的时延却被增加了。如果遇到网络拥塞，则此种机制就更不合时宜了。本文认为，对于多媒体信息数据而言，由于数据包的传输在系统的应用层已经进行了有效的控制，因此在MAC层进行ARQ保护的相关机制可以进行修改，以减轻网络的压力。本文对MAC协议的修改在于：对需要重新传输的数据包进行选择透过性机制的筛选，如果需要传输的是具有差错保护的多媒体数据包，则发生丢包时不进行重新传输；而假若需要传输的是不具有差错保护的路由包，择仍然对其使用ARQ来实现保护机制。此种协议的修改，有赖于在MAC层对应用层的数据信息进行判断，因此需要进行一定的跨层设计。
　　3 结束语
　　本文的主要工作是设计了一个基于移动ad hoc网络的多媒体传输系统。在多媒体质量的保证方面，从视频编码和视频传输两方面来实现。这种多媒体传输系统能够在信道不稳定的ad hoc网络上提供具有一定质量的多媒体传输，具有较大的理论意义和实践价值。
　　参考文献：
　　.Global Telecommunications Conference,Dallas,2008:1670-1675.