CN101826937A - 适用于下一代移动互联网的链路层差错控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于下一代移动互联网的链路层差错控制系统及其方法，由于链路层数据帧所经历的跳数以及所属视频帧的类型的不同，它们的重要性有所不同，自适应地为每一个链路层数据帧分配不同的差错控制方案。采用本发明，可提高下一代移动互联网的数据通信整体效率的同时保持高可靠性和高能效，减少无线信号传输过程中衰减和失真情况，提高无线通信的质量和效率。

Description

适用于下一代移动互联网的链路层差错控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及下一代无线移动互联网领域，尤其是一种基于跳数和视频帧类型的无线多媒体自适应链路层差错控制系统及其方法。

背景技术

多媒体应用相对于传统的数据传输有其特殊的QoS(Quality of Service)要求：

1、多媒体传输具有很高的实时性要求，而互联网采用的是存储转发机制，在转发的路由器中有可能发生排队现象，数据分组经过的路由也可能不同，这样分组到达目的地的传输延迟也就可能不同。考虑到多媒体分组之间的同步性，若时延抖动过大时，则必然会对流媒体播放造成一定的影响，如对于视频会议系统，国际电信联盟ITU-T提出单向延时不大于150ms。

2、多媒体的传输对带宽有较高的要求，并且需要尽量平滑的吞吐量，而互联网是一个共享的网络，每一用户都在竞争网络资源，这样网络两点之间的链路带宽时刻都在变化。当网络的可用带宽小于流媒体正常播放所需占用的带宽时，就会造成网络的拥塞崩溃和过长的延迟，必然影响流媒体的播放质量。

3、多媒体传输可以允许一定程度上的丢包率，但当丢包率过大时，就会影响多媒体的播放质量。ITU-T制定的H.323标准规定，视频数据的丢包率要少于1％，而音频的丢包率要少于3％。在有线环境下网络拥塞是导致丢包的主要因素，而在无线动态的移动的环境中则还要包括无线信道较高的误码率以及链路失效导致的丢包。

综上所述，多媒体传输需要克服时延抖动、网络的带宽波动和丢包率等因素，而目前大多数下一代移动互联网提供的是尽力而为(Best-effort)的服务，不能为多媒体传输提供可靠的服务质量保证。

为了提高数据传输的可靠性，可采用链路层前向纠错(ARQ)和链路层自动重传请求(FEC)两种差错控制方法，以减小数据丢失和差错造成的影响。采用ARQ方法时，发送端对待传数据按照一定的规则计算冗余码并与数据一起发出，使之具有一定的检错能力；接收方收到数据后按照同样的规则重新计算冗余码，然后与发送方发来的冗余码进行比较，以此来判断数据传输过程中是否出错，并将判断结果反馈给发送方；在传输出错的情况下，发送方启动重传机制，直到数据被正确接收或者超出预设最大重传次数为止。ARQ方法可以保证数据传输的正确性，但数据的重传导致了时延的增加，因此不适合于实时网络应用。采用FEC技术，发送方将数据信息按照一定的算法编成具有纠错能力的码，接收方收到这些码后，按照事先规定的规则进行译码，以确定接收码组中是否有错，如果有错，则确定其位置并纠正之。FEC技术不需要反馈信息给发送方，具有时延小、实时性好的特点，但译码机制复杂，且其复杂程度随纠错能力的提高而增加。另外，业界还提出第三种差错控制技术，即混合自动重传请求(Hybrid-ARQ，HARQ)，该技术就是在ARQ中引入了前向纠错码FEC，该FEC可以用来纠正传输过程中的数据差错，即如果错误在FEC的纠错范围内，那么FEC就进行纠错，如果超出了其纠错范围，那么就要请求重传。

下一代移动互联网是一个动态的无线网络环境，带宽有限，误码率很高，信道质量很不稳定。此外，下一代移动互联网的通信对象将以移动节点为主。移动节点的移动也会导致网络拓扑结构的动态变化，而且大量的移动节点对共享信道会产生竞争，无线信号传输过程中衰减和失真情况比较严重，甚至随机干扰以及障碍物的阻挡等因素都会严重影响无线通信的质量和效率。显然在下一代移动互联网通信环境下为多媒体应用提供服务质量(QoS)保证比有线网络下要复杂得多。现有的TCP/IPv6体系结构和一些协议机制对无线通信的一些固有特性考虑的并不是很充分，使得在下一代移动互联网通信环境下的网络系统性能大大降低。

发明内容

本发明针对在下一代移动互联网通信环境下的保证多媒体应用服务质量的复杂性而提出一种基于跳数和视频帧类型的无线多媒体自适应链路层差错控制方法。

在数据传输中，还需要考虑如下两原则，以选择合适的差错控制方法：

1)、跳数原则

在下一代移动互联网中，每一个数据帧被转发所经历的跳数与传输该数据帧所消耗的能量有直接的关系。根据RFC4944，数据包的最大长度设为1280字节。因此一个IP数据包可以被封装为一个数据帧。在这种情况下，数据包所经历的跳数即转发该数据帧所经历的跳数。

图1给出了一种下一代移动互联网拓扑结构。移动节点(N₁)向通信节点(N_N)发送一个数据帧记为LLF。从节点N₁到节点Nx(LLF(x))传输LLF的总能耗如公式(1)所示。

$E_{\mathrm{total}}\left(\mathrm{LLF}\left(x\right)\right)=\underset{p=1}{\overset{x-1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{hop}\_p},(2\≤x\≤N)$ 公式(1)

其中，E_{hop_p}是从节点N_p到节点N_p+1传输LLF的能耗。如果LLF在节点N_i之后丢失，为了从节点N₁到节点N_i(LLF(i))传输LLF而消耗的能量为：

$E_{\mathrm{total}}\left(\mathrm{LLF}\left(i\right)\right)=\underset{p=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{hop}\_p}$ 公式(2)

其中，(i-1)是LLF(i)在节点N_i丢失时该数据帧被转发所经历的跳数。同理，如果LLF在节点N_j后丢失，则为了从节点N₁到节点N_j(LLF(j))传输LLF而消耗的能量为：

$E_{\mathrm{total}}\left(\mathrm{LLF}\left(j\right)\right)=\underset{p=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{hop}\_p}$ 公式(3)

其中，(j-1)是LLF(j)在节点N_j丢失时该数据帧被转发所经历的跳数。

假设j＞i，则根据公式(2)和(3)，可以得到如下公式：

$E_{\mathrm{total}}\left(\mathrm{LLF}\left(j\right)\right)-E_{\mathrm{total}}\left(\mathrm{LLF}\left(i\right)\right)=\underset{p=i}{\overset{j-1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{hop}\_p}+\underset{p=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{hop}\_p}\underset{p=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{hop}\_p}\underset{p=i}{\overset{j-1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{hop}\_p}$ 公式(4)

从公式(4)中可以看出，LLF(j)的能耗显然大于LLF(i)的能耗。表明在下一代移动互联网中，数据帧被转发所经历的跳数越多其消耗的能量越多，该数据帧也越重要。如果该数据帧丢失则应为其选择一种高可靠性的差错控制策略以保证该数据帧能够正确到达接收端，避免过多能量的浪费。因此，根据被转发所经历跳数为不同的数据帧选择不同的差错控制策略是非常合理的。这就是跳数原则。

2)视频帧类型原则

由于下一代移动互联网无线带宽的限制，直接传输未压缩的视频流是不现实的。然而压缩后视频流是可变速率(VBR)的，在网络拥塞或者数据突发时将发生严重的丢包现象；目前广泛应用于低码率下一代移动互联网的压缩算法MPEG-4采用预测编码、运动补偿以及可变长编码等技术实现对视频流在时间和空间上的压缩，以便获得比较高的压缩率。而且MPEG-4采用基于对象的识别编码模式，易于提取出感兴趣音视频对象的编码信息进行传输，在节约网络带宽资源的同时还可以提供高质量的多媒体服务。

MPEG-4算法定义了帧内编码(即I帧)和帧间编码(P帧和B帧)两类视频帧。采用帧内编码方式的I帧可以独立解码；而采用帧间编码方式的P帧或B帧则必须在其所依赖的全部参考帧被正确接收后方可正常解码。显然这种编码机制使得压缩码流中不同部分的视频帧之间形成了很强的解码依赖关系。网络传输差错造成的部分数据丢失或损坏会导致另外一些与之相关的视频数据帧即使被正确接收也无法解码。因此，从多媒体通信网络QoS保障体系方面来讲，不同类型的视频帧具有不同的重要性；传输不同类型的视频帧在网络资源分配和通信调度方面应该具有不同的优先级。

源节点视频源数据帧被封装为多个UDP数据包，在网络层被封装为多个IPv6数据包，然后在链路层又被封装为多个链路层数据帧。因此，不同的链路层数据帧属于不同类型的视频帧，对于属于不同类型视频帧的链路层数据帧的重要性也不同。对于属于高优先级的视频帧(例如I帧)的链路层数据帧的丢失或出错，应该分配可靠性高的差错控制方案。因此，对于属于不同类型视频帧的链路层数据帧分配不同的差错控制方案，即视频帧类型原则。

基于上述跳数和视频帧类型的原则，本发明的一技术方案为：一种适用于下一代移动互联网的自适应链路层差错控制系统，该系统包括源节点、若干个转发节点、目标节点，其中该源节点和每个转发节点的数据链路层，均至少包括：丢包判别模块、VFT模块、Hops模块、LLFIV模块、AEC模块、FEC差错控制处理模块、ARQ差错控制处理模块、HARQ差错控制处理模块；其中丢包判别模块用于判断发送过的链路层数据帧是否丢失，VFT模块用于根据应用层的多媒体数据信息判断并记录该数据帧所属的帧类型；Hops模块用于根据IPv6协议计算该数据帧所经历的路由跳数；LLFIV模块在链路层数据帧丢失时调用VFT模块和Hops模块来计算该链路层数据帧的重要性值；AEC模块根据丢包判别模块和LLFIV模块所计算得到的重要性值选择其中一种差错控制处理模块。

本发明的另一技术方案为：一种适用于下一代移动互联网的链路层差错控制方法，根据不同链路层数据帧的不同重要性值，而该重要性值由数据帧的路由跳数和帧类型决定，为链路层数据帧选择一个最优的差错控制方法。

采用上述技术方案，可提高下一代移动互联网的数据通信整体效率的同时保持高可靠性和高能效，减少无线信号传输过程中衰减和失真情况，提高无线通信的质量和效率，使得在下一代移动互联网通信环境下的网络系统性能大大增强。

附图说明

图1是下一代移动互联网的拓扑结构图。

图2是本发明自适应链路层差错控制系统分层模型示意图。

图3是本发明自适应链路层差错控制系统各节点数据流示意图。

图4是本发明自适应链路层差错控制方法程序示意图。

图5是本发明在下一代移动互联网树型拓扑中运行的实施例示意图。

图6是本发明中源节点的自适应链路层差错控制方法流程图。

具体实施方式

根据前述中的跳数原则和视频帧类型原则，本发明的一具体实施例为提供一种自适应链路层差错控制系统，如图2-3，该系统包括源节点、由若干个转发节点组成的下一代互联网、目标节点，其中源节点包括：应用层18，其包括有MPEG编码器，该MPEG编码器用于对多媒体数据进行编码并封装成若干个多媒体数据包；传输层16，将来自应用层的多媒体数据包通过UDP协议封装成UDP数据包；网络层14，将所述UDP数据包封装为IPv6数据包，采用IPv6协议；数据链路层12，将IPv6数据包进一步封装为若干个链路层数据帧，并将该链路层数据帧发送出去，且其包括丢包判别模块、VFT模块、Hops模块、LLFIV(Link LayerFrame Importance Valuation)模块、AEC(Adaptive Error Contro1)模块、FEC差错控制处理模块、ARQ差错控制处理模块、HARQ差错控制处理模块；其中丢包判别模块用于判断发送过的链路层数据帧是否丢失，VFT模块用于根据应用层18的多媒体数据信息判断并记录该数据帧所属的帧类型，Hops模块用于根据IPv6协议计算该数据帧所经历的路由跳数，LLFIV模块在链路层数据帧丢失时调用VFT模块和Hops模块来计算该链路层数据帧的重要性值，AEC模块根据丢包判别模块和LLFIV模块所计算得到的重要性值选择其中一种差错控制处理模块。其中丢包判别模块判断当前的链路层数据帧是否丢失过，如果未丢失过，则将该链路层数据帧发送出去，如果丢失过即收到一个NACK信息，并进入LLFIV模块。

本发明的LLFIV模块是根据链路层数据帧重要性来予以选择不同的差错控制方法，可由下述公式计算得到：

LLFIV＝hop_count+video_frame_type    公式(5)

其中，LLFIV表示链路层数据帧的重要性值。hop_count表示链路层数据帧所经历的路由跳数或者转发该链路层数据帧的节点数。video_frame_type表示该链路层数据帧所属的帧类型。每个链路层数据帧记录这2个值，当某个节点收到该链路层数据帧则根据这2个值依据上述公式计算出LLFIV的值。

源节点在应用层18对视频源数据采用自适应MPEG算法编码，视频源数据帧被封装为UDP数据包，网络层14采用IPv6协议，设置IPv6数据包的最大长度设为1280字节。在数据链路层12，如果链路层数据帧丢失，则首先由Hops模块计算该帧所经历的跳数，VFT模块用于根据应用层18的多媒体数据信息判断并记录该数据帧所属的帧类型，LLFIV模块调用VFT模块和Hops模块来计算该链路层数据帧的重要性值，然后由AEC模块根据丢包判别模块和LLFIV模块所计算得到的重要性值从FEC，ARQ和HARQ三个差错控制处理模块中选择最佳的差错控制方法。

本发明的另一具体实施例是应用于上述系统中的链路层差错控制方法，其根据不同链路层数据帧的不同重要性值，而该重要性值由数据帧的路由跳数和帧类型决定，为链路层数据帧选择一个最优的差错控制方法，其详细工作过程如下：

S1源节点的多媒体数据首先由应用层18的MPEG编码器对视频帧进行编码，被封装为若干个多媒体数据包；

S2将来自应用层18的多媒体数据包在传输层16通过UDP协议封装成UDP数据包；

S3将所述UDP数据包在网络层14采用IPv6协议封装成IPv6数据包；

S4所述IPv6数据包在数据链路层12进一步被封装为若干个链路层数据帧；

S5数据链路层12中的丢包判别模块判断当前的链路层数据帧是否丢失过；如果未丢失过，则将该链路层数据帧发送出去并进入步骤S9，如果丢失过即收到一个NACK，则进入步骤S6；

S6数据链路层12中的VFT模块根据应用层的多媒体数据信息判断并记录所述链路层数据帧的帧类型，将该帧类型写入到链路层的帧头中；数据链路层12中的Hops模块根据IPv6协议计算并记录该数据帧所经历的路由跳数；

S7数据链路层12中的LLFIV模块根据Hops模块中该数据帧所经历的跳数，以及VFT模块中该数据帧的帧类型计算该数据帧的重要性值；

S8根据LLFIV模块计算该数据帧的重要性值，AEC模块从FEC，ARQ和HARQ三种差错控制模块中选择一种方法处理该数据帧；

S9通过下一代移动互联网进行数据转发，经历多个中间节点进行数据转发，每一个转发节点重复操作步骤：S5-S8；

S10目标节点收到的链路层数据帧数据在链路层12解封成IPv6数据包；

S11将IPv6数据包在网络层14采用IPv6协议解封为UDP数据包；

S12将UDP数据包在传输层16解封为多媒体数据包；

S13将多媒体数据包上传给应用层18，采用MPEG解码器，得到原始的多媒体数据至结束。

图4给出了AEC-LLFIV模块中算法的伪码，Lost_LLF表示丢失的链路层数据帧。hop_count(Lost_LLF)和video_frame_type(Lost_LLF)分别表示Lost_LLF的hop_count和video_frame_type的值。根据公式(5)，Lost_LLF的LLFIV的值记为LLFIV(Lost_LLF)。在AEC-LLFIV算法中设置了θ₁和θ₂，θ₁和θ₂是选择FEC，ARQ或HARQ方法的阈值，即通过θ₁和θ₂可以确定三个区间值。当链路数据帧的LLFIV值分别属于这三个区间时，将分别采用对应的差错控制模块：FEC或ARQ或HARQ来处理。如果LLFIV(Lost_LLF)属于区间(θ₁，θ₂]，则采用ARQ处理丢失的数据帧Lost_LLF，如果LLFIV(Lost_LLF)大于θ₂，则采用HARQ处理丢失的数据帧Lost_LLF。因此，本发明中，记AEC-LLFIV算法为函数LLFIV(α，β，θ₁，θ₂)，其中，α表示hop_count的值，β表示video_frame_type的值。

图5给出了一个本发明AEC-LLFIV算法在一个下一代移动互联网树型拓扑中运行的例子，其中，在MPEG-4编码算法中I帧最重要，其次是P帧和B帧。因此，本发明中β分别取3，2和1，用以标识I帧，P帧和B帧。另外，θ₁和θ₂分别取2和3。

在图5中，节点A发送一系列属于P帧的链路层数据帧。如果某一个链路层数据帧在节点A与B之间丢失，则根据AEC-FFLIV算法计算得到LLFIV的值为3，与LLFIV(1，2，2，3)对比，当前丢失的链路层数据帧的LLFIV属于区间(2，3]，得出结论：应选择ARQ处理该丢失的链路层数据帧；同理，如果某一个链路层数据帧在节点B和C之间丢失，计算得到的LLFIV的值为大于3，因此采用HARQ处理该丢失的数据帧。假设节点F发送一系列属于B帧的链路层数据帧。如果某个链路层数据帧在节点F和E之间丢失，根据AEC-LLFIV计算得到该链路层数据帧的LLFIV是2，属于区间(0，2]，因此采用FEC处理该丢失的数据帧；如果某链路层数据帧在节点E和C之间丢失，则根据AEC-LLFIV计算得到该链路层数据帧的LLFIV大于3，因此采用HARQ处理该丢失的数据帧。

以上各功能模块的算法描述为：

(1)发送方丢包判别机制(位于链路层)

    Listen(NACK)；//监听

    If(NACK)

        AEC_s＝1；//启动AEC-LLFIV

    E1se

        AEC_s＝0；

        Send(链路层数据帧)；//发送该链路层数据帧

(2)发送方AEC-LLFIV(位于链路层)算法描述为：

    Listen(AEC_s)；//监听

    If(AEC_s)

    Hops(Lost_LLF)；//Lost_LLF表示丢失的链路层数据帧，计算丢失的数据帧所经历的跳数

      LLFIV(Lost_LLF)；//计算丢失的数据帧重要性值

      AEC(LLFIV(Lost_LLF))；//为丢失的链路层数据帧选择最佳的差错控制方法

    Else

        No operation；

而源节点AEC-LLFIV流程图如图6所示。

由于链路层数据帧所经历的跳数以及所属视频帧的类型的不同，它们的重要性有所不同，本发明采用上述基于链路层数据帧重要性的自适应差错控制系统及其方法，通过跨层设计，在数据链路层根据链路层数据帧重要性，自适应地为每一个链路层数据帧分配不同的差错控制方法。采用本发明，可提高下一代移动互联网的数据通信整体效率的同时保持高可靠性和高能效，减少无线信号传输过程中衰减和失真情况，提高无线通信的质量和效率，使得在下一代移动互联网通信环境下的网络系统性能大大增强。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (4)

1.一种适用于下一代移动互联网的链路层差错控制系统，该系统包括源节点、若干个转发节点、目标节点，其特征在于：该源节点和每个转发节点的数据链路层，均至少包括：丢包判别模块、VFT模块、Hops模块、LLFIV模块、AEC模块、FEC差错控制处理模块、ARQ差错控制处理模块、HARQ差错控制处理模块；其中丢包判别模块用于判断发送过的链路层数据帧是否丢失，VFT模块用于根据应用层的多媒体数据信息判断并记录该数据帧所属的帧类型；Hops模块用于根据IPv6协议计算该数据帧所经历的路由跳数；LLFIV模块在链路层数据帧丢失时调用VFT模块和Hops模块来计算该链路层数据帧的重要性值；AEC模块根据丢包判别模块和LLFIV模块所计算得到的重要性值选择其中一种差错控制处理模块。

2.一种适用于下一代移动互联网的链路层差错控制方法，其特征在于：根据不同链路层数据帧的不同重要性值，而该重要性值由数据帧的路由跳数和帧类型决定，为链路层数据帧选择一个最优的差错控制方法。

3.如权利要求2所述的链路层差错控制方法，其特征在于：该差错控制方法至少包括FEC，ARQ和HARQ三种。

4.如权利要求2所述的链路层差错控制方法，其特征在于：其包括如下步骤：

S1源节点的多媒体数据首先由应用层18的MPEG编码器对视频帧进行编码，被封装为若干个多媒体数据包；

S2将来自应用层18的多媒体数据包在传输层16通过UDP协议封装成UDP数据包；

S3将所述UDP数据包在网络层14采用IPv6协议封装成IPv6数据包；

S4所述IPv6数据包在数据链路层12进一步被封装为若干个链路层数据帧；

S5数据链路层12中的丢包判别模块判断当前的链路层数据帧是否丢失过；如果未丢失过，则将该链路层数据帧发送出去并进入步骤S9，如果丢失过即收到一个NACK，则进入步骤S6；

S6数据链路层12中的VFT模块根据应用层的多媒体数据信息判断并记录所述链路层数据帧的帧类型，将该帧类型写入到链路层的帧头中；数据链路层12中的Hops模块根据IPv6协议计算并记录该数据帧所经历的路由跳数；

S7数据链路层12中的LLFIV模块根据Hops模块中该数据帧所经历的跳数，以及VFT模块中该数据帧的帧类型计算该数据帧的重要性值；

S8根据LLFIV模块计算该数据帧的重要性值，AEC模块从FEC，ARQ和HARQ三种差错控制模块中选择一种方法处理该数据帧；

S9通过下一代移动互联网进行数据转发，经历多个中间节点进行数据转发，每一个转发节点重复操作步骤：S5-S8；

S10目标节点收到的链路层数据帧数据在链路层12解封成IPv6数据包；

S11将IPv6数据包在网络层14采用IPv6协议解封为UDP数据包；

S12将UDP数据包在传输层16解封为多媒体数据包；

S13将多媒体数据包上传给应用层18，采用MPEG解码器，得到原始的多媒体数据至结束。

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