CN102364962A - 一种基于可扩展分层编码的多径传输方案 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可扩展分层编码的多径传输方案。包括以下步骤：汇聚节点为每个节点建立能量时延梯度ET和时延梯度T；将视频序列经过M级可扩展编码，设编码后各层的比特率为，…. (其中<<…)，为基本层和增强层设置不同的标记，设信道带宽为P，若，则只传输基本层；若(1<q<M)，则传输前q个码流层，若，则传输M个码流层；选择要传输的码流层中的第一个数据包作为探测数据包，发送到汇聚节点；汇聚节点收到探测数据包，进行反向路径加强；后续的码流层选择与自己的标记值相同的数据包经过的路径做为传输路径，将数据发送到汇聚节点。使用本发明，可以适应网络带宽的变化，满足具有不同带宽用户的业务要求。

Description

一种基于可扩展分层编码的多径传输方案

技术领域

本发明是一种在无线多媒体传感器网络中，针对视频源经过可扩展分层编码后的码流提出的多径传输方案。主要用于解决视频信息在带宽受限网络中传输问题，属于无线多媒体传感器网络中传输技术领域。 

  

背景技术

无线多媒体传感器网络（Wireless Multimedia Sensor Networks, WMSN ）中节点能量有限，网络带宽相比有线信道较低，并且存在着信号衰减、噪声干扰等多种因素，使得视频流传输时面临着包延时的大范围起伏、损耗、流量限制等。针对这些问题，需要研究视频的编码方式和传输方式。目前的编码技术中比较适合实时流媒体传输的是多描述编码和分层编码，而多描述编码是将视频源生成多个同等重要的码流，故其码流不能适应网络带宽和接收设备的特性进行自适应的调整。对视频的传输，目前广泛采用的是多路径路由的方式，同时需要结合传输的码流，为不同需求的码流选择相适应的路由。 

可扩展分层编码方法能够适应网络带宽的变化，同时可以满足具有不同处理能力的用户终端。在实际应用中，即使丢失增强层的码流，接收端仍然可以保持可观看的视频质量，因此，可扩展分层视频编码可以很好的支持差分服务等不同QoS方式的网络。 

WMSN中带宽资源有限，而视频流的传输又具有传输量大、实时性要求高，多径传输的策略正是为了满足这一特点而提出的。现有的多径传输有两种模式：一种是主/备模式，数据随机的沿着一条路径传输，或者沿着一条根据事先定义好的路径传输，当主路径失效后，备份路径才可以承担传输任务；另一种多径传输技术是复制模式，源节点复制数据并同时沿着所有的路径进行传输，以提高冗余性。这两种方式虽然都有一定的效果，但前者限制了备份路径的潜能并会很快消耗完主路径的能量；后者增加了数据的冗余并浪费了资源和能量，而且都没能有效的和视频源经过可扩展编码后的码流特点相结合，没有为不同的码流选择相适合的路由。 

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种WMSN中的多径传输方案，以适应视频源经过可扩展分层编码后的码流，来解决视频信息在带宽受限网络中的传输问题。 

技术方案：本发明的方法是一种策略性的方法，通过修改WMSN中定向扩散路由协议，为每个节点建立能量时延梯度和时延梯度，根据该梯度信息为源节点和汇聚节点建立多条具有不同服务质量的路径，使得视频源经过可扩展编码后的每一层码流都能根据自己的特点进行更加合理的路径选择并加以传输。 

一、体系结构

    利用可扩展分层编码进行视频传输的基本原理如图1所示，即对某个信源产生的具有一定分辨率的视频数据进行累加层次编码，在时间域或空间域等作用域上分成若干层次，包括一个基本层和一个或多个增强层，每个层次数据经过编码后都可以独立传输。基本层可以被独立译码，而增强层码流，需要和基本层一起解码，经过一定的解码器解码后，基本层码流可以保证最基本的视频质量，而增强层码流则可以提供增强的细节上的视频质量。基本层中包含最基本的视频信息和关键的时间信息，称为关键帧，这种帧要求传输过程中具有高的可靠性和实时性；增强层中含有视频帧中的细节信息，是视频编码的可选信息，称为普通帧，这种帧对实时性要求较高，对可靠性要求较低。因此可以根据两种码流传输过程中的不同要求选择不同的路径。

基于定向扩散路由协议进行多径传输的WMSN网络建立多条路径的过程包括兴趣扩散、梯度建立和路径加强三个阶段。在梯度建立阶段，传统的定向扩散路由协议为每个节点仅建立了一个梯度项，从而建立起来的多条路径无法对路径服务质量加以区分，本文的改进方法为每个节点建立两个梯度项，即能量时延梯度和时延梯度（分别称为ET和T）。在多路径的构建方面，传统的定向扩散路由协议仅需要构建具有一种服务质量的多条路径，本文的改进方法则需要构建具有多种不同服务质量的路径。 

下面给出对定向扩散路由协议中梯度建立和多路径构建两个方面改进的具体说明。 

梯度建立：当汇聚节点向全网洪泛兴趣消息时，进行梯度的建立，每个节点都维护一个兴趣记录表，对于节点接收到的每一个兴趣，列表中都有一个表项，来记录发送该兴趣消息的邻居节点的ET和T。 

ET和T的建立方法为：对传感器网络中的某个节点，若收到m个邻居节点发来的n个兴趣消息（,丢弃同一邻居节点发来的相同兴趣消息），首先，根据该节点收到的相同兴趣消息到达的顺序，建立时延梯度。最先到达的兴趣消息，其邻居节点时延梯度T最大，设为G(G应该远大于n)，对第i个到达的兴趣消息，设定其邻居节点的梯度值为T=G-i+1；其次，由于每个兴趣消息中都携带有邻居节点的剩余能量，将发送相同兴趣消息的m个不同邻居节点的剩余能量按从大到小进行排序，若排序为j，则最后的ET=T-j。如图2所示的无线多媒体网络中，若对节点6来说，收到m=5个邻居节点发来的n=6个兴趣消息，其中邻居节点1、2、3、4发来的兴趣消息为interestA，到达顺序为1、2、3、4；邻居节点4、5发来的兴趣消息为interestB，到达顺序为1、2，设G＝100，各邻居节点的剩余能量为E1=4J、E2=3J、E3=1J、E4=2J、E5=5J，则ET和T建立后的兴趣梯度表如图3所示. 

多路径的构建：梯度建立好之后，当某个传感器节点采集到与其兴趣表中兴趣消息匹配的数据时，说明该数据为汇聚节点需要的数据，则由该节点向汇聚节点发送探测数据包，建立合适的路径。

假设源节点需要发送N个探测数据包，每个探测数据包都有一个包头标识用来加以区分，设为0, 1, ……，N－1，探测数据包构建多路径的过程为：源节点对N个具有不同包头标识的探测包依据下述节点选取准则选择不同的下一跳节点，下一跳节点再根据同样的节点选取准则继续转发，直到达到汇聚节点，从而形成从源节点到汇聚节点的N条路径。 

下一跳节点选取准则：查看节点A的兴趣梯度表，查找与要传输的数据相匹配的兴趣消息所对应的表项，对标识为0的探测包，选择ET最大的邻居节点B作为下一跳节点。若具有相同的最大值，则选择兴趣表中首先出现的具有最大ET的邻居节点；对标识不为0的探测包，找出兴趣表里除去节点B以外的前N-1个具有较大T值的邻居节点，随机分配一个作为下一跳节点。以图3所示的传感器网络为例，设源节点采集到与兴趣梯度表中interestA相对应的数据，发送了4个探测数据包，当节点6收到探测数据包进行转发时，若探测包标识为0，则选择邻居节点1作为下跳节点；若探测包标识不为0，则选择邻居节点2、3、4进行随机分配，作为下一跳节点。 

二、方法流程

基于可扩展分层编码的多径传输方法具体为：源节点建立梯度信息，将视频源进行可扩展分层编码，确定要传输的码流层，构建多条路径，为不同的码流层选择不同的路径进行传输。该方法的具体流程为：

（1）汇聚节点向整个网络洪泛兴趣消息，为每个节点建立梯度ET和T。

（2）某个传感器节点采集到与其兴趣表中匹配的视频数据时，将视频源进行M级可扩展编码，编码成为一个基本层和M－1个增强层，设编码后各层的比特率分别为, ….  (其中< <…)。传感器节点将基本层码流和增强层码流分别设置不同的标记，基本层: ，增强层1: ，...，增强层M－1: 。设信道的带宽为P，若,则只传输基本层；若 (1<q<M),则传输前q个码流层；若,则传输前M个码流层。 

（3）若要传输前Q（）个码流层，则选择这Q层中每层的第一个数据包作为探测数据包进行发送，每个探测数据包选择不同的下跳节点，直到到达汇聚节点，形成从源节点到汇聚节点的多条路径。 

（4）汇聚节点对接收到的Q个数据包，根据每个数据包所经过的路径，进行反向路径加强，建立Q条高速路径。 

（5）后续的基本层码流和增强层码流选择与自己的tag值相同的探测包经过的路径，将数据发送到汇聚节点。 

  

有益效果

本发明针对WMSN中视频信息在带宽受限的环境中传输问题，提出了一种解决方案。当网络中的带宽不足时，也至少能保证基本层的高效可靠传输，提供基本的视频服务质量，随着带宽的增大，收到的增强层也越来越多，接收端接收到的视频质量也随之提高，直到收到所有的码流层，视频质量达到最好。从而保证了视频在带宽受限网络中的传输质量，并能适应具有不同带宽的用户需求。

附图说明

图1利用可扩展分层编码进行视频传输的基本原理。 

图2是多媒体传感器网络模拟图。 

图3 ET和T建立后的兴趣梯度表。 

具体实施方式

根据图2场景图假设节点6采集到的视频数据需要向sink 节点发送，数据的编码方式为4级时域可扩展编码，信道带宽为P，则视频数据从节点6到sink 节点的多径传输过程为： 

1.        sink 节点向节点1，2，3，4，5，6洪泛兴趣消息，每个节点收到兴趣消息后，建立兴趣记录表，记录邻居节点的T和ET 。

2.        节点6采集到和自己的兴趣记录表中匹配的数据，将视频源进行4级时域可扩展编码，编码成1个基本层和3个增强层，为每个数据包加上包头标识，基本层: ，增强层1: ，增强层2: ，增强层3: ，设编码后基本层和增强层1，2，3的比特率分别为，，， (其中<<<)。 

3.      若，则只传输基本层；若，则传输基本层和增强层1；若，则传输基本层和增强层1，2；若 ，则传输基本层和增强层1，2，3。 

4.      若要传输Q（）层码流，节点6发送每一层码流的第一个数据包作为探测数据包，目的节点设置为sink 节点。 

5.      查看节点6的兴趣记录表，找出与要传输的数据相匹配的兴趣消息所对应的表项，对的探测包，选择首先出现的具有最大ET的节点作为下跳节点，对的节点，随机分配一个除去的探测包选择的节点以外的前Q-1个具有较大T值的节点作为下跳节点。 

6.      下跳节点按照同样的方法继续转发，并在数据包中将该包经过的路径记录下来，直到到达汇聚节点。 

7.      sink 节点对接收到的Q个数据包，根据每个数据包中记录的经过的路径，进行反向路径加强，建立从节点6到sink 节点的Q条高速路径。 

8.      后续的基本层码流和增强层码流选择与自己的tag值相同的探测包经过的路径，将数据发送到sink 节点。  

Claims (3)

1.一种基于可扩展分层编码的多径传输方案，其特征在于包含以下步骤：

汇聚节点向整个网络洪泛兴趣消息，为每个节点建立梯度能量时延梯度ET和时延梯度T；

当一个传感器节点采集到与其兴趣表中匹配的视频数据时，将视频源进行M级可扩展编码，编码成为一个基本层和M－1个增强层，设编码后各层的比特率分别为                                                ,….,  (其中<

 <…<)；

传感器节点将基本层码流和增强层码流分别设置不同的标记，基本层: ，增强层1: ，...，增强层M－1: ；

设信道的带宽为P，若,则只传输基本层；若 (1<q<M),则传输前q个码流层；若,则传输前M个码流层；

若要传输前Q（）个码流层，则选择这Q层中每层的第一个数据包作为探测数据包进行发送，每个探测数据包选择不同的下跳节点，直到到达汇聚节点，形成从源节点到汇聚节点的多条路径；

汇聚节点对接收到的Q个数据包，根据每个数据包所经过的路径，进行反向路径加强，建立Q条高速路径；

后续的基本层码流和增强层码流选择与自己的tag值相同的探测包经过的路径，将数据发送到汇聚节点。

2.根据权利要求1所述的基于可扩展编码的多径传输方法，其特征在于（所述）节点建立梯度的步骤包括：根据节点收到的相同兴趣消息到达的顺序，建立时延梯度，最先到达的兴趣消息，其邻居节点时延梯度T最大，设为G(G应该远大于n)，对第i个到达的兴趣消息，设定其邻居节点的梯度值为T=G-i+1；根据每个兴趣消息中携带的邻居节点的剩余能量建立能量时延梯度ET，将发送相同兴趣消息的m个不同邻居节点的剩余能量按从大到小进行排序，若排序为j，则最后的ET=T-j。

3.根据权利要求1所述的基于可扩展编码的多径传输方法，其特征在于（所述）探测数据包传输时下跳节点选择的步骤：查看节点的兴趣梯度表，查找与要传输的数据相匹配的兴趣消息所对应的表项，对基本层的探测包，选择ET最大的邻居节点B作为下一跳节点；若具有相同的最大值，则选择兴趣表中首先出现的具有最大ET的邻居节点；对其余的探测包，找出兴趣表里除去节点B以外的前N-1个具有较大T值的邻居节点，随机分配一个作为下一跳节点。

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