CN102438002B - 一种基于Ad hoc网络下的视频文件数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于Ad hoc网络下的视频文件数据传输方法，包括：对要传输的视频文件进行错误弹性编码；对完成错误弹性编码的视频文件使用前向纠错FEC编码；对进行FEC编码处理后的视频文件使用2路优先级传输方法和采用分级优先调度方法进行数据调度处理；将进行数据调度处理后的视频文件在物理层中基于比特流传输。这种设计使得该无线网络更加适合多媒体数据的传输；采用改进的2路路径传输方法，能够更为智能地根据业务的具体需求进行路由选择，对于时延要求比较小，比较严格的数据可以采用时延小的数据；而当时延不大时，可以采用更为可靠的路由进行数据的传输。

Description

一种基于Ad hoc网络下的视频文件数据传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于Adhoc网络下的视频文件数据传输方法。

背景技术

近二十多年来，多媒体应用已经渗透到生活的各个领域。自上世纪90年代以来，交互式网络电视(IPTV)、三重播放(TriPlePlay)和视频通话等宽带IP(InternetProtoco1)业务的迅速发展，更掀起了多媒体应用的新浪潮。第三代移动技术(3rd-generation，3G)、超三代移动技术(BeyondThirdGeneration，B3G)技术的提出和应用，解决了带宽这个困扰无线网络发展的瓶颈问题。

Adhoc网络是一种无中心自组织的多跳无线网络，它不以任何已有的固定设施为基础而能随时随地组建临时性网络。无线网络技术的快速发展和智能终端的大量涌现，使得在移动Adhoc网络上提供多媒体服务成为可能，如音频、视频等业务。但是，移动Adhoc网络的易出错特点和多媒体对错误极其敏感的特性，使得在移动Adhoc网络中提供实时多媒体服务变得极具挑战性。

现有技术基于移动信道上的多媒体单业务传输系统，其分层模型如图1所示。最为高层为服务，包含话音、音像、静态图片、文本数据以及其他类型的服务；下一层是应用和自适应层，主要包括一些压缩标准和错误强壮等业务；然后是移动信道，应用和自适应层之间的接口为网络接口，移动信道包含服务信道、数据信道和自然信道，服务信道包含信源编码，信道编码调制和接入方法，数据信道较之服务信道少一个信源编码，自然信道则比数据信道又少一个信道编码；下一层是空中接口。

该移动通信系统主要用于话音传输，而其他的业务，如音像、图像或者其他数据，若要在移动信道上传输只有两种方法，一种似采用简单的自动重传协议(AutomaticRepeat-reQuest，ARQ)，这可保证无错误传输，但是也会引起延时和比特吞吐率(BitThoughoutRate，BTR)随信道条件而变化；另一种是采用保证稳定的延时和比特吞吐率的传输方法，但当信道恶化时会有错误发生。该模型对无线路由的路径传输和拥塞控制上可以进一步优化，安全性也不足，不能很好的解决多路径衰落、掩蔽效应、信号间干扰等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于Adhoc网络下的视频文件数据传输方法，引入自适应层和复用层使得系统更加适用于多媒体传输；该方法具有差错控制、智能路由选择、拥塞控制和优先级调度等功能，保证系统的鲁棒性、自适应性和负载均衡服务多样化等需求。

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于Adhoc网络下的视频文件数据传输方法：

对要传输的视频文件进行错误弹性编码；

对完成错误弹性编码的视频文件使用前向纠错FEC编码；

对进行FEC编码处理后的视频文件使用2路优先级传输方法和采用分级优先调度方法进行数据调度处理；

将进行数据调度处理后的视频文件在物理层中基于比特流传输。

所述对进行FEC编码处理后的视频文件使用2路优先级传输方法进行数据调度处理包括：

对于路由时延小于某一预设时间阈值时，选择低丢包率的路由；对于路由时延大于某一预设时间阈值时，选择低时延的路由。

所述对进行FEC编码处理后的视频文件采用分级优先调度方法进行数据调度处理包括：

根据预先设置的数据流中的数据包的优先级进行数据调度，对优先级高的数据优先传输。

所述将进行数据调度处理后的视频文件在物理层中基于比特流传输包括：

对所述比特流传输的数据进行拥塞控制。

所述对所述比特流传输的数据进行拥塞控制包括：

预先设置发送端进行速率调节的数据阈值长度以及与数据阈值长度相关联的数据发送速率；

判断发送端当前缓冲区的数据长度与数据阈值间的关系，根据数据阈值长度与相关联的数据发送速率自适应的比特流传输。

所述方法还包括：

在接收端通过无线信道接收到处理后的视频文件数据后，使用2路优先级传输方法和采用分级优先调度方法对视频文件进行解码处理。

所述方法还包括：

在接收端通过无线信道接收到处理后的视频文件数据后，进行前向纠错FEC更正处理。

在本发明实施例中，通过在现有的通信模型上引入自适应层和复用层，业务就只要确定向另一端传输的每个单独比特流所需的QoS。随后系统把这个比特流通过Adhoc网络传输。这种设计使得该无线网络更加适合多媒体数据的传输；2)采用改进的2路路径传输方法，能够更为智能地根据业务的具体需求进行路由选择，对于时延要求比较小，比较严格的数据可以采用时延小的数据；而当时延不大时，可以采用更为可靠的路由进行数据的传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是现有技术中移动信道上多媒体单业务传输系统分层示意图；

图2是本发明实施例中的适用于多媒体传输的层次结构示意图；

图3是本发明实施例中的发送端和接收端结构设计原理图；

图4是本发明实施例中的基于Adhoc网络下的视频文件数据传输方法流程图；

图5是本发明实施例中的FEC冗余纠错处理过程示意图；

图6是本发明实施例中的改进的AOMDV示意图；

图7是本发明实施例中的优先级调度示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提出一种基于发明提供了一种基于Adhoc网络下的视频文件数据传输方法，其基于现有的体系结构上引入自适应层和复用层使得系统更加适用于多媒体传输，其具有差错控制、智能路由选择、拥塞控制和优先级调度等功能，保证系统的鲁棒性、自适应性和负载均衡服务多样化等需求。

在通信系统的分层结构中，通常一层只与接收端相应的层通信，通过低层来满足高层的要求。在实现时，只需要定义每层的接口和任务，而接口定义是非常简单的，在层次之间存在非常清楚的功能划分。

在移动环境中，这种层次结构不再适用，因为信源编码结构，甚至应用控制都可能受到移动信道状态和可用资源的影响。一些服务可能因为错误、复杂性和延时的限制而无法正常进行。当不同的业务混合起来传输时，多媒体通信变得更加困难。各个业务要求的QoS可能完全不同，而通信系统要在一个单传输流中把这些业务综合起来处理。因此，基于图1所示的用于多媒体传输的层需要分为两个子层，自适应层和复用层，如图2所示。这样，业务就只要确定向另一端传输的每个单独比特流所需的QoS。随后系统把这个比特流通过网络传输。

为了完成这个任务，这两个子层应有如下特点：

自适应层必须使上层业务根据所需的传输要求自适应于信道条件。它可以向低层要求基于传输的分组或连接。自适应层可被看成一个工具箱，其中包括用于检错、纠错、比特重排或重传协议的工具。不同质量要求对应不同的自适应工具。如果下层传输系统是时变的，用于某业务的自适应工具可根据当前传输条件来改变。

复用层要把自适应层的比特流或分组复用为一个单比特流，同时使吞吐量最优而误传最小。这层还必须提供同步和填充。因为通常自适应层提供的是时变比特流，所以该复用层必须具有处理不等长分组的能力。

所引入的这两层可以放在OSI第3层以上或以下。如果把它放在下面，对于每种传输媒体，复用和自适应都可以单独进行。但由于在二者之间需要中间码(transcode)，可能增加延时和复杂性。如果把它放在上面，复用比特流则在自适应于数据链路的同时从一端传到另一端。

基于本发明实施例中的设计思路是：首先将整个可用带宽分为若干个比特率、保护等级和处理延时各不相同的子信道，各用户将根据所传业务性质被分配以相应的子信道。在多种业务数据同时传输的情况下，子信道分配是有优先级的，一般实时数据的优先级最高。一种业务数据可能分配给多个子信道。随着信道质量状况的改变，该分配可以动态调整，如当信道恶化导致原来分配的子信道不能保证实时业务通过时，子信道将重新分配，即暂停部分非实时数据传输，将空出的子信道暂时分给实时数据使用，直至信道质量好转；同时各个子信道将根据所传数据的性质和信道当前的状态动态调整信道参数，这些参数包括交织长度、编码效率、迭代译码次数、调制模式等。当信道质量很好时，可以适当提高编码效率，或将调制方式调整到高频带利用率模式，增加单突发数据量，减少非实时数据的传输时间，弥补信道恶化时的流量损失。这样既可以保证实时信号传输的连续性，又能提高非实时信号的传输效率。

其具体实现架构可以为如图3所示。在发射端，多媒体用户数据通过复用器统一分配子信道，每个子信道对应有不同的编码器，M个编码器的输出统一映射到调制星座点上，每个星座点都对应一个复数，然后对N个并行数据分别使用N个正交的副载波调制(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)，合路后经低通滤波和上变频送往信道。在接收端，接收到的信号经过下变频和低通滤波，先作OFDM解调，恢复出N个并行复数(噪声干扰后的QAM星座点)，然后根据各自的星座结构计算出每个复数所包含的每个比特的对数似然比，译码后解复用、送往各自的接收用户或信令控制器。

基于该发射端与接收端的设计，本发明实施例中的接收端主要实现了如下方案：对要传输的视频文件进行错误弹性编码；对完成错误弹性编码的视频文件使用前向纠错FEC编码；对进行FEC编码处理后的视频文件使用2路优先级传输方法和采用分级优先调度方法进行数据调度处理；将进行数据调度处理后的视频文件在物理层中基于比特流传输。

图4示出了本发明实施例中的基于Adhoc网络下的视频文件数据传输方法的流程示意图，包括如下步骤：

Step1：：对于要传输的视频文件(Inputvideo)，对其进行错误弹性编码，在考虑编码效率的同时提高其容错性，转Step2；

Step2：完成编码的文件在网络传输的应用层使用FEC进行进一步的容错性提高，其中FEC的偏移值的设置要进行跨层综合考虑，考虑丢帧率和突发数据包长的变化，之后再交付给网络层，转Step3；

Step3：使用2路径优先级传输方法和采用分级优先调度方法进行调度，然后进行传输，提高视频可靠性和路由效率，转Step4；

Step4：将数据包进一步向下层交付，直到在物理层进行透明的比特流传输。

Step5：在终端接收之后，进行一个从下层到上层的拆封过程，直到在应用层使用FEC进行前向错误更正，然后使用解码器中的错误掩藏技术进行错误最大限度修复，再之后输出，在终端演示(OutputVideo)。

需要说明的是，Step1与Step1中采用了差错控制技术，由于在信道条件恶劣的Adhoc网络中，不可避免的会存在数据包的丢失和随机比特无码或因衰落导致的大范围比特无码。由于压缩编码器使用的熵编码技术和预测技术，高度压缩视频比特流对传输错误是非常敏感的，出现在比特流语法中的头字段的错误可能会损坏整个帧或序列，较轻微的错误，如离散余弦变换(DiscreteCosineTransform，DCT)系数的差错也会在可变长解码(VariableLengthDecoding，VLD)过程中扩散。差错出现的时候，图像质量收到损伤，观看质量下降，因此，我们需要使用差错控制技术提高比特流的容错性或者减轻差错对图像质量的影响。目前存在的差错控制方法主要有：前向纠错(ForwardErrorCorrection，FEC)，延迟约束的重传，错误弹性编码(Error-ResilientEncoding，ERE)如多描述编码(MultipleDescriptionCoding，MDC)，错误掩藏等。本发明采用错误弹性编码进行编码，在完成错误弹性编码之后再进一步进行前向纠错FEC编码，增加信息的冗余度进而保证数据的可靠性。

FEC是一种通过增加冗余信息使得包丢失后能够通过其他包恢复处正确信息的纠错方法。将前一个包的内容冗余到后一个包，然后当包含冗余的数据包到达接收者后，进行解码，解码出后一个包的数据，摒弃检查前一个包是否接受到，若无则从解码数据中补充，否则就丢弃冗余数据。其处理过程图5所示，当第3个包在传输过程中丢失时，由于包“3”被冗余编码到第4个传输包中，因此在接收端收到码流后还可以正常重构出包“3”。

这里，针对Step3中使用2路径优先级传输方法处理视频文件进行详细说明。其主要是对于路由时延小于某一预设时间阈值时，选择低丢包率的路由；对于路由时延大于某一预设时间阈值时，选择低时延的路由。本发明提出的2路径传输体系结构，该方法是在AOMDV(AdhocOn-demandMultipathDistanceVector)这种按需驱动路由来作为路由的原型，并对其做一定的修改得到的。AOMDV是一种多路径路由协议，它引入了备用路由的思想使得链路发生中断的时候能够立即切换到新的路由上，保证数据的通畅传输。我们对AOMDV协议进行了改进，保留了其使用备用路由的思想以便路由能够快速切换，但是将使用路由时延和路由可靠性来作为路由选择的指标(其中可靠性由路由的丢包率来表示，丢包率越小，可靠性越大)，比如在路由时延小于50ms的时候，选择可靠性高的路由，而在路由时延大于50ms的时候，则选择路由。如表1所示。

表1基于时延的路由选择

采用2路径来传输多媒体数据，路由协议使用改进的AOMDV协议，原来AOMDV协议是选用最大不相交路径作为备用路由，当其中一跳链路发生中断的时候，则从备用路径中选取路径进行包的传送，并且使用路由的跳数作为路由选择的标准。其工作示意图如图6所示，S与D之间存在Pathl(S-＞B1B2B3-＞D)与Path2(S-＞C1C2C3-＞D)两条路径，而AOMDV协议只选用了其中的Pathl进行数据传输，而另外一条路径Path2则作为备用路径在Pathl断开的时候快速切换到Path2中使用Path2进行路由传输。

进一步的，针对Step3中采用分级优先调度方法进行调度进行详细说明，其主要根据预先设置的数据流中的数据包的优先级进行数据调度，对优先级高的数据优先传输。优先级调度方法是一种根据优先级进行的调度方法。有的将信道划分为不同的部分，给优先级高的业务分配多的信道资源，为优先级低的业务分配少的信道资源。在本发明中，我们不对信道进行优先级划分，而是对在信道中传输的数据流进行优先级划分，然后根据这些包的优先级，进行有差别的调度，以达到对优先级高的数据包的保护。视频通信对于丢包、延迟、抖动等Qos具有严格的要求，在视频通信中，有些包是视频播放的关键包如BLDO和BLDI，虽然经过MDC和FEC增强了数据流的容错性，但是一旦不能还原处原来的基本层数据，则会造成整个多媒体流的不能回复，这些数据包的丢失会造成一个帧或一个GOP内的帧的不可解码，因此，在调度的过程中，就需要我们对与这些重要的包进行保护，在数据传输中，优先传输这些重要的包，避免时延过大造成包的不可用，在排队等待队列过长需要删除包的情况下使用早期删除队列(EDQ，EarlyDropQueue)，删除次重要的包为重要的数据包预留空间，避免丢失。这就需要为数据包设定优先级，在包调度的时候，根据优先级的大小，进行有区分的服务，其优先级处理流程如图7所示。

进一步的，针对Step4中数据传输，这里还采取了一系列的拥塞控制策略，对该比特流传输的数据进行拥塞控制，根据预先设置发送端进行速率调节的数据阈值长度以及与数据阈值长度相关联的数据发送速率；判断发送端当前缓冲区的数据长度与数据阈值间的关系，根据数据阈值长度与相关联的数据发送速率自适应的比特流传输。移动Adhoc网络是一个终端可移动的网络，应最大限度地减轻终端的负担，因此，在发送端进行速率调节来达到拥塞控制的目的。这里可以在发送端进行速率调节，比如引入了3个阀值：min_thr，mid_thr，max_thr。当发送端缓冲区长度小于min_thr时，以当前发送速率的2倍递增发送速率；当发送端缓冲区的长度介于min_thr和mid_thr之间时，以一定的常量incr递增发送速率；当发送端缓冲区的长度在mid_thr和max_thr之间时，保持发送速率的不变即可；而一旦发送端缓冲区的长度大于了max_thr则以1/2的倍数来递减速率。

综上，本发明提出的基于Adhoc网络的视频文数据传输方法，在传统的网络模型中多增加了自适应层和复用层，这样业务就只要确定向另一端传输的每个单独比特流所需的QoS，随后系统把这个比特流通过网络传输；采用弹性错误编码能够很好的适应网络的不稳定性，加上前向纠错编码使得传输的数据更加可靠；采用改进的2路径传输提高了路径选择的鲁棒性和平衡了整个网络的负载，优化了无线路由路径的选择；采用拥塞控制算法，使得网络的稳定性和可持续性得到保证；采用优先级调度算法能够很好的满足不同的服务需求。通过在现有的通信模型上引入自适应层和复用层，业务就只要确定向另一端传输的每个单独比特流所需的QoS。随后系统把这个比特流通过网络传输。这种设计使得该无线网络更加适合多媒体数据的传输；采用改进的2路路径传输方法，能够更为智能地根据业务的具体需求进行路由选择，对于时延要求比较小，比较严格的数据我们可以采用时延小的数据；而当时延不大时，我们可以采用更为可靠的路由进行数据的传输。

以上对本发明实施例所提供的，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于Adhoc网络下的视频文件数据传输方法，其特征在于，包括：

对要传输的视频文件进行错误弹性编码；

对完成错误弹性编码的视频文件使用前向纠错FEC编码；

对进行FEC编码处理后的视频文件使用2路优先级传输方法和采用分级优先调度方法进行数据调度处理；

将进行数据调度处理后的视频文件在物理层中基于比特流传输；

其中，所述对进行FEC编码处理后的视频文件使用2路优先级传输方法进行数据调度处理包括：

对于路由时延小于某一预设时间阈值时，选择低丢包率的路由；对于路由时延大于某一预设时间阈值时，选择低时延的路由；

对进行FEC编码处理后的视频文件采用分级优先调度方法进行数据调度处理包括：

根据预先设置的数据流中的数据包的优先级进行数据调度，对优先级高的数据优先传输。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将进行数据调度处理后的视频文件在物理层中基于比特流传输包括：

对所述比特流传输的数据进行拥塞控制。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述比特流传输的数据进行拥塞控制包括：

预先设置发送端进行速率调节的数据阈值长度以及与数据阈值长度相关联的数据发送速率；

判断发送端当前缓冲区的数据长度与数据阈值间的关系，根据数据阈值长度与相关联的数据发送速率自适应的比特流传输。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在接收端通过无线信道接收到处理后的视频文件数据后，进行前向纠错FEC更正处理。