CN101888664B - 无线自组织网络中视频多路并行传送方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线自组织网络中视频多路并行传送方法，整体上视频数据被分配到优选的多条路径上同时传输，局部上组成视频数据的数据包由数据发送端根据多条路径的时延和数据包发送速率情况，选择该数据包发送时延最小的路径传输。优选多路径的选择原则是在数据发送端和数据接收端的所有路径中，选择最短路径集合，然后在最短路径集合中寻求最大流量路径的集合，满足视频数据传输带宽要求的最大流量路径的集合为视频数据同时传输的多条路径。发送端和接收端还设置有网络状态反馈和实时流量控制，接收端根据接收到数据包计算链路时延，将链路时延反馈给接收端，接收端根据各路径的链路时延，动态调整各路径的数据包发送速率。

Description

无线自组织网络中视频多路并行传送方法

技术领域

本发明涉及无线自组织网络中的视频传输，具体涉及一种无线自组织网络中视频多路并行传送方法。

背景技术

Ad Hoc无线网络又称移动自组网、多跳网络，是在没有任何现存网络基础设施或是集中管理的情况下动态形成的暂时网络。在AdHoc无线网络中，每一个移动节点不仅作为主机而且还作为路由器来为网络中的其他不能直接通信的节点转发分组信息。由于无线节点的发射功率和无线网络接口传输范围的限制，现有技术的AdHoc无线网络无法满足以视频传输为代表的流媒体传输技术对网络带宽、时延的高要求。具体表现为：

1)现有技术的数据网络中，路由表的建立是以路径长短的度量为单一参考。如果在AdHoc网络中采用单一最短路径传输多媒体业务，由于无线节点发射功率和无线网络接口传输范围的限制，很难确保满足视频传输中端到端带宽和数据包延迟要求，导致视频传输延迟加大；

2)现有技术的流媒体传输技术的数据流分配方法是根据视频流的先后次序把数据分割成若干块，然后将这若干块数据沿着不同的路径进行传输，由于各路径的延时不同，这种流量分配机制会给目的端的数据重组带来很大麻烦，由于无线节点的传输带宽较有线网络更小，数据流必然要分割成较有线网络更小的数据包，这导致在接受端的数据重组运算加重，耗费更大开销，视频接收不流畅。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明公开了一种无线自组织网络中视频多路并行传送方法，在视频传输过程中进行多路径选择和数据包按最小延时分序调度传输实现了无线自组织网络下视频流的连续平滑传输，避免了在无线网络有限带宽下视频播放出现阻塞的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种无线自组织网络中视频多路并行传送方法，组成视频数据的数据包由数据发送端采用如下步骤选择发送的路径，向数据接收端发送，具体步骤为：

1)选取数据发送端的数据可到达数据接收端的路径；

2)确定要发送的数据包中第一个数据包传送出的时刻T0；

3)计算要发送的数据包中，第k个数据包从各条路径中传送到接收端的时刻{T_1，k，T_2，k，...，T_n，k}，其中n为路径的条数；

4)取Min({T_1，k，T_2，k，...，T_n，k})，Min({T_1，k，T_2, k，...，T_n，k})中第k个数据包对应的路径为使第k个数据包最快到达数据接收端的路径，向该路径发送第k个数据包；

5)重复3)至4)，遍历完所有数据包。

进一步，步骤3)的具体步骤为：

31)确认第i条路径数据包的发送速率V_i，i＝1...N；

32)确认第i条路径上数据包之间的发送时间间隔Q_i；

33)统计从T₀开始到前k-1个数据包发送过程中，已经在第i条路径上发送的数据包个数n_i, k；

34)计算第i条路径上发送数据包的时延d_i＝L_b/V_i，其中L_b为数据包大小；

35)计算第i条路径上，发送第k个视频数据包时，第k个视频数据包到达接收端的时刻为：T_i，k＝T₀+n_i，k×Q_i+d_i；

进一步，V_i通过如下公式确定

$V_i=\frac{B_a\×(0.7+\frac{t_{\max }-t_i}{t_{\max }}\×0.3)}{L_b}$

其中B_a为第i条路径可用带宽，t_max为所有条路径中的最大链路时延，t_i为第i条路径的链路时延；

进一步，步骤1)具体步骤为：

11)初始化多路径集合R为空，初始化多路径总可用带宽B_总为零，获取视频数据传送带宽B′；

12)选择数据发送端到数据接收端的最短路径t，将t加入集合R中；

13)计算多路径集合R中最短路径t的最大可用带宽B_t＝min(B(t))，其中路径t∈R，令B_总＝B_总+B_t，如果B_总＞＝B′，则结束路径选择，反之，将路径t上每条链路可用带宽减小B_t，即B(t)＝B(t)-B_t，如果有链路B(t)为0，则在t中删除该链路；

14)重复步骤12)至13)；

进一步，数据接收端设置有数据重排与缓存模块，通过数据缓存重组从数据发送端传输过来的数据包；

进一步，数据接收端与数据发送端之间设置有网络状态反馈模块，数据接收端定时计算数据发送端到数据接收端的所有路径的链路时延，向数据接收端反馈链路时延；

进一步，数据发送端还设置有实时流量控制模块，数据发送端根据数据接收端反馈的第i条路径的链路时延大小，调节第i条路径发送速率V_i的大小，连路时延越大，调节使得V_i越大。

本发明的有益效果是：采用多路径传输机制对视频数据进行传输流量分配，对视频流在网络传输中的时延有了大幅度的减小；通过相应的包的调度机制，即在数据包对应传输路径的分配上，选择传输时延最小的路径，使得视频数据接收端可按视频数据先后顺序接收数据包，使得视频流在终端的显示更加顺畅，避免了在有限带宽情况下视频播放出现阻塞的问题。由于采用多路径传输机制使得视频传输能够在不同路径下传输到目的地，即使网络传输某条链路损坏，也不会导致整个传输过程终止，提高了视频传输的鲁棒性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1示出了本发明工作流程图；

图2示出了数据包的调度机制图；

图3示出了调度后数据包与其对应的路径；

图4示出了现有技术的视频数据包传输机制；

图5示出了无线网络拓扑图；

图6示出了采用多路径传输机制进行路径选择的出的第一条路径；

图7示出了采用多路径传输机制进行路径选择第二条路径选择过程；

图8示出了采用多路径传输机制进行路径选择的结果。

具体实施方式

以下将对本发明的优选实施例进行详细地描述。

一、数据包传输路径的分配

对于在移动Ad hoc网络中传输以视频流为代表的多媒体数据，应考虑到链路带宽与链路延时两个因素。针对无线链路带宽较有线链路小的特点，本发明公开了一种数据包分配调度机制，其功能主要是对视频数据进行实时的流量分配，从而把视频数据划分成能够满足无线自组织网络视频传输要求的数据“颗粒”，同时选择网络中的多条路径有选择地并发传输细化后的视频数据。

对实时的多媒体业务而言，数据流在多条路径上的分配策略需要有与之相对应的流量分配机制。传统的分配方法是根据视频流的先后次序把数据分割成若干块，然后将这若干块数据沿着不同的路径进行传输，如图2所示。

由于各路径的延时不同，这种流量分配机制会给接收端的数据重组带来很大麻烦，并且对于移动Ad hoc网络来说，这种简单的数据分块技术会给网络带宽带来严峻的考验。因此，本发明公开了一种无线自组织网络中视频多路并行传送方法，其特征在于：组成视频数据的数据包由数据发送端采用如下步骤选择发送的路径，向数据接收端发送，具体步骤为：

1)选取数据发送端的数据可到达数据定大小的数据包；

2)确定要发送的数据包中，第一个数据包传送出的时刻T₀；

3)计算第k个数据包从各条路径中传送到接收端的时刻{T_1，k，T_2，k，...，T_n，k}，其中n为路径的条数；

4)取Min({T_1，k，T_2，k，...，T_n，k})，Min({T_1，k，T_2，k，...，T_n，k})中第K个数据包对应的路径为使第K个数据包最快到达数据接收端的路径，向该路径发送第k个数据包；

5)重复3)至4)，遍历完所有数据包。

进一步，步骤3)具体为：

31)确认第i条路径数据包的发送速率V_i，i＝1...N；

32)确认第i条路径上数据包之间的发送时间间隔Q_i；

33)统计从T₀开始到前k-1个数据包发送过程中，已经在第i条路径上发送的数据包个数n_i，k；

34)计算第i条路径上发送数据包的时延d_i＝L_b/V_i，其中L_b为数据包大小；

35)计算第i条路径上，发送第k个视频数据包时，第k个视频数据包到达接收端的时刻为：T_i，k＝T₀+n_i，k×Q_i+d_i。

步骤3)中第i条路径上V_i，Q_i的确定与实际无线网络中第i条路径上各链路间的节点可用带宽密切相关，在本发明中，采用下式确定：

其中B_a为第i条路径可用带宽，t_max为所有条路径中最大链路时延，t_i为第i条路径的链路时延。

某条路径上的链路时延的获取是公知知识，可将数据接收端收到数据包的时刻减去数据包发送时刻作为该条链路的时延。

根据V_i的大小，可以确定出Q_i。

以上算法可以举例说明：

假设步骤1)获得从数据发送端1到数据接收端2有五条路径，其实际发送速率V_i，i＝1...5，依次分别为：0.4、0.3、0.5、0.7和0.1Mbps，路径发送数据包时延d_i依次分别为：412、475、594、865和945ms。数据包的大小n为54个字节。并选取开始发送数据包的时刻T₀为基准时刻。由于计算出的数据包的数目较大，故由图3看出数据包在各条路径上发送的趋势，即前124个包连续从第一条路径上发送；第124到第431个包交叉地从第一和第二条路径上发送；第431到第857个包交叉地从第一、第二和第三条路径上发送；第857到第1305个包交叉地从第一、第二、第三和第四条路径上发送；其余的包交叉地分别从五条路径上发送。具体地，选取第1305到第1753个数据包为例，如图4中表示了各个数据包在五条路径上交叉传输后，数据包与其对应的传输路径。因此，数据包不是以传统的以块为单位的模式在多条路径上发送(除了刚开始一段时间内数据包在第一条路径上连续发送)，也不是以简单的轮询的模式在多条路径之间循环发送，而是数据包分配调度机制以每个数据包为单位根据网络参数选择合适的路径进行发送，从而达到顺序到达接收端的目的。

二、多路径的选择

步骤1)在选取数据发送端1与数据接收端2间路径的过程中，其基本思想是在数据发送端1与数据接收端2的所有路径中，选择最短路径集合，然后在最短路径集合中寻求最大流量路径的集合；

具体步骤为：

11)初始化多路径集合R为空，初始化多路径总可用带宽B_总为零，获取视频数据传送带宽B′；

12)选择数据发送端1到数据接收端2的最短路径t，将t加入集合R中；

13)计算多路径集合R中最短路径t的最大可用带宽B_t＝min(B(t))，其中路径t∈R，令B_总＝B_总+B_t，如果B_总＞＝B′，则结束路径选择，反之，将路径t上每条链路可用带宽减小B_t，即B(t)＝B(t)-B_t，如果有链路B(t)为0，则在t中删除该链路；

14)重复步骤12)至13)。

路径选择举例说明如下：

如图5所示的无线网络拓扑结构中，根据最短路径选路算法得到如图6所示的延时最短的路径R1(NO，N1，N3，N5，N6)

计算路径R1的最大可用带宽B_R1＝min(B(R1))＝10，B_总＝B_总+B_R1＝10；但因为视频传输总需求带宽B′＝20，所以B_总＜B′。

在图6的拓扑结构中对路径R1中每条链路的可用带宽减小B_R1，得到如图7的拓扑结构。

在图7中根据最短路径选择延时最短的路径R2(N0，NI，N4，N5，N6)。

计算路径R2最大可用带宽B_R2＝min(B(R2))＝10，

此时B_总＝B_总+B_R2＝B_R2+B_R1＝20结束，得到如图8所示的两条路径，链路选择结束。

如图1所示，无线自组织网络视频多路并行传送方法中，数据接收端2还设置有数据重排与缓存4模块，通过数据缓存重组从数据发送端传输过来的数据包。

为了进一步保证数据接收端2的视频数据顺序的正确，在数据接收端2接收数据前，利用数据重排与缓存功能，对数据进行重排与缓存管理，数据接收端2根据接收到的数据包中带有延时信息，获取网络路径的延时情况，并且获取各条路径上的数据包的传输量，实时的分配数据缓冲区的大小对数据包进行重排。

数据接收端2与数据发送1端之间设置有网络状态反馈5模块，数据接收端2定时计算数据发送端1到数据接收端2的所有路径的链路时延，向数据接收端反馈链路时延。

数据发送端1还设置有实时流量控制3模块，数据发送端1根据数据接收端2反馈的第i条路径的链路时延大小，调节第i条路径发送速率V_i的大小，链路时延越大，调节使得V_i越大，使链路时延满足视频数据传送需求，提高网络的适应性。

以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种无线自组织网络中视频多路并行传送方法，其特征在于：组成视频数据的数据包由数据发送端采用如下步骤选择发送的路径，向数据接收端发送，具体步骤为： 

1)选取数据发送端的数据可到达数据接收端的路径； 

2)确定要发送的数据包中第一个数据包传送出的时刻T₀； 

3)计算要发送的数据包中，第k个数据包从各条路径中传送到接收端的时刻{T_1，k，T_2，k，...，T_n，k}，其中n为路径的条数； 

4)取Min({T_1，k，T_2，k，...，T_n，k})，Min({T_1，k，T_2，k，...，T_n，k})中对应的路径为使第 k个数据包最快到达数据接收端的路径，向该路径发送第k个数据包； 

5)重复3)至4)，遍历完所有数据包； 

步骤1)具体步骤为： 

11)初始化多路径集合R为空，初始化多路径总可用带宽B_总为零，获取视频数据传送带宽B′； 

12)选择数据发送端到数据接收端的最短路径t，将t加入集合R中； 

13)计算多路径集合R中最短路径t的最大可用带宽B_t＝min(B(t))，其中路径t∈R，令B_总＝B_总+B_t，如果B_总＞＝B′，则结束路径选择，反之，将路径t上每条链路可用带宽减小B_t，即B(t)＝B(t)-B_t，如果有链路B(t)为0，则在t中删除该链路； 

14)重复步骤12)至13)； 

步骤3)的具体步骤为： 

31)确认第i条路径数据包的发送速率V_i，i＝1...n； 

32)确认第i条路径上数据包之间的发送时间间隔Q_i； 

33)统计从T₀开始到前k-1个数据包发送过程中，已经在第i条路径上发送的数据包个数n_i，k； 

34)计算第i条路径上发送数据包的时延d_i＝L_b/V_i，其中L_b为数据包大小； 

35)计算第i条路径上，发送第k个视频数据包时，第k个视频数据包到达接收端的时刻为：T_i，k＝T₀+n_i，k×Q_i+d_i； 

V_i通过如下公式确定 

其中B_a为第i条路径可用带宽，t_max为所有条路径中的最大链路时延，t_i为第i条路径的链路时延。 

2.如权利要求1所述的一种无线自组织网络中视频多路并行传送方法，其特征在于：数据接收端设置有数据重排与缓存模块，通过数据缓存重组从数据发送端传输过来的数据包。 

3.如权利要求1所述的一种无线自组织网络中视频多路并行传送方法，其特征在于：数据接收端与数据发送端之间设置有网络状态反馈模块，数据接收端定时计算数据发送端到数据接收端的所有路径的链路时延，向数据接收端反馈链路时延。 

4.如权利要求3所述的一种无线自组织网络中视频多路并行传送方法，其特征在于：数据发送端还设置有实时流量控制模块，数据发送端根据数据接收端反馈的第i条路径的链路时延大小，调节第i条路径发送速率V_i的大小，链路时延越大，调节使得V_i越大。 

5.如权利要求1至4任意一项无线自组织网络中视频多路并行传送方法，其特征在于：无线自组织网络中视频多路并行传送方法工作在网络层。 

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