CN103051981B - 用于视频多跳传输的自适应帧长计算方法 - Google Patents

Abstract

一种用于视频多跳传输的自适应帧长计算方法，步骤为：（1）当缓存区中的视频帧内编码帧（I帧）和帧间编码帧（P帧）的序列数据达到一个GOP时，发送端使用初设帧长L开始传输LT编码数据，并等待接收端的反馈；（2）接收端根据无线传输丢包率的计算公式统计接收的数据丢包率；再将误码率值反馈给发送端。（3）发送端根据反馈的误码率，综合考虑当前信道质量下的帧长对传输丢包、传输效率和前向纠错编码冗余的影响，选择最佳帧长作为下一发送周期的数据分片长度。本发明综合考虑净荷数据长度和传输丢包与信道工作机制关系，发送端与接收端交互配合，根据反馈的信道质量和目标节点跳数，自适应计算与调整帧长，保证视频多跳传输的传输效率。

Description

用于视频多跳传输的自适应帧长计算方法

技术领域

本发明涉及一种用于视频多跳传输的自适应帧长计算方法，属于无线多跳网络中的传输技术领域。

背景技术

无线多跳网络是由多个节点构成的自组织网络，用户数据在节点之间逐跳转发。这种网络的误码率高、丢包率高，给视频大数据量的传输造成了很大的困难，因此，必需要考虑如何在时变的无线信道上保证传输质量和网络吞吐量。

前向纠错编码FEC(Forward Error Correction)技术是在传输码中加入冗余纠错码，在设定条件下，接收端可以通过解码而自动纠正传输误码，降低接收信号的误码率。原始视频数据在传输以前通过前向纠错编码，可以降低误码丢包的影响，提高传输质量。喷泉码是一种无码率限制的FEC，它能很好地适应丢包率高的传输通道。例如：采用数字喷泉码LT(Luby Transform)进行文件的无线传输、无线视频传输或在车载网进行数据分发，都可有效提高传输质量。

LT编码的发送端将原始数据分为k个源分组，然后由源分组生成任意数量的编码分组；接收端只要接收到其中任意k(1+ε)个编码分组，就可以高概率地完成译码而恢复源分组。其中，ε是译码冗余开销，当k值越大时，ε就越小。而源分组的数量、即k值大小与帧长密切相关，对于给定的原始数据，帧长越小，k值就越大；帧长越大，k值就越小。因此，在利用LT编码传输视频信息时，需要考虑具体的应用环境，才能带来较高的传输收益。

IEEE802.11无线通信标准是目前应用广泛的通信技术，利用802.11通信节点可以方便地实现多跳传输。对于802.11这种竞争式信道工作机制，帧长选取对网络性能具有很大的影响。为了提高系统传输效率，有些科研人员针对802.11无线信道，对一定误码率下帧长与网络吞吐量的关系进行了研究，与其相关的研究还包括：数据分发业务多播方案的最佳负载长度方法、帧长和重传对无线多媒体数据传输性能的研究等等。

在无线传输中，使用LT编码可以提高视频传输质量，代价是一定量的冗余开销。但帧长会影响LT编码冗余度，还会影响网络吞吐量。在传输数据时，综合考虑帧长对LT编码冗余度与网络吞吐量的影响，选择合适的帧长，有助于降低网络时延、提高网络整体效率。这些课题都是业内科技人员关注的焦点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为了提高传输质量和网络吞吐量，满足多跳视频传输的需求，提供一种在802.11无线多跳环境下用于视频多跳传输的自适应帧长计算方法。本发明是在对带宽使用效率、误码开销、前向纠错和信道工作机制展开研究，并分析了负载长度与视频传输性能的关系而提出的。在多跳视频数据传输中，本发明方法能在保证质量和吞吐量的前提下，最小化传输时延。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于视频多跳传输的自适应帧长计算方法，其特征在于：在视频信息传输时，综合考虑净荷数据长度和传输过程中的丢包与信道工作机制的关系，采用前向纠错的自适应帧长选择算法，根据反馈的信道质量和目标节点的跳数，发送端与接收端交互配合完成自适应帧长的计算与调整，以使在多跳的无线传输环境下能够保证系统的传输效率；所述方法包括下列操作步骤：

(1)发送端发送初始数据：当缓存区中的视频帧内编码帧(I帧)和视频帧间编码帧(P帧)的序列数据达到一个画面组GOP(Group of pictures)时，发送端使用初始设定的帧长L开始传输LT编码数据，并等待接收端的反馈；

(2)接收端反馈信道信息：接收端根据无线传输丢包率p的计算公式：p＝1-(1-e)^n(L+H)，统计所接收的数据丢包率p；式中，n为源节点到目标节点的无线传输链路跳数，该数值取自多跳路由表的反向路由与正向路由；e、L、H分别为本发送周期内的误码率、帧长和包括IP头部、UDP头部与LT编码头部的该数据头部总长度；然后，将该误码率e值反馈给发送端；

(3)发送端进行自适应调整：发送端根据反馈的误码率e，综合考虑当前信道质量下的帧长对传输丢包、传输效率和前向纠错编码冗余的影响，选择最佳的帧长L作为下一发送周期的数据分片长度；该步骤(3)包括下列操作内容：

(31)发送端获取e值后，根据下述公式计算在不同帧长L的情况下，传输总长度为F的数据所需要的不同传输时间T(L)：式中，T(L)为LT编码前向纠错时，综合考虑信道质量和路径跳数的传输时间；Data是发送端应该发送的数据量，B是信道带宽，B_user是实际可用的信道带宽，Z为LT编码冗余开销，T是发送端发送每帧数据所需的时间，t_L是长度为L的数据净荷所需的传输时间；F为本次传输需要编码的源数据长度，即当前生成的帧内编码帧(I帧)和帧间编码帧(P帧)序列数据之和；帧长L是LT编码的数据分片长度，因LT编码的基本单位是4字节和受限于无线传输的最大传输单元，故变量L的取值分别为：4、8、12、…、1400；且T(L)值越小，传输效率越高；

(32)因为确定视频数据长度F后，发送端应选取适宜的L值，以使T(L)值尽可能小；所以，发送端选取上述步骤(31)中T(L)值最低时的变量L值，作为最佳的帧长L值；

(33)利用该最佳的帧长L值，作为源数据的分组长度，进行下一周期LT编码数据传输，即发送端发送新的LT编码的源数据，接收端返回执行步骤(2)；

(34)发送端接收到接收端的新的反馈信息，再次进行调整，直至获得相对满意的L值。

本发明相对现有的最好技术而言，所具有的优点和效果：现有的传输技术，只考虑传输误码和前向纠错的因素，对数据分发业务进行帧长的选择。这些方法都没有对视频帧重组和信道工作机制进行分析，造成实际使用中的传输时延大、网络吞吐量低和视频的传输质量差。本发明是首次基于对影响无线传输中的误码开销、视频帧重组、前向纠错、信道工作机制等多种因素相互关系的综合考虑，提出的一种802.11标准的多跳视频传输的自适应帧长算法。该方法用于多跳视频数据传输中，能够在保证质量和吞吐量的前提下，使得传输时延最小化；而且，操作步骤简单，容易实现，便于推广应用。

附图说明

图1是分布协调功能工作机制示意图。

图2是本发明用于视频多跳传输的自适应帧长计算方法操作步骤流程图。

图3是分别采用本发明方法与无前向纠错两种编码传输方式的峰值信噪比PSNR曲线比较图。

图4(A)、(B)分别是采用图3的本发明计算方法与无前向纠错的两种编码传输方式的YUV第204帧视频图像Frame比较图。

图5(A)、(B)分别是采用图3的本发明自适应帧长计算方法与无前向纠错的两种编码传输方式的YUV第233帧视频图像Frame比较图。

图6是分别采用本发明方法与固定帧长两种编码传输的PSNR比较图。

图7是分别采用本发明方法与固定r的两种编码传输的PSNR比较图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，介绍本发明方法的应用场景：采用802.11的分布协调功能DCF(Distributed Coordination Function)信道工作机制的网络：当发送端需要发送一帧数据时，先检测和判断信道是否空闲,如果空闲、且空闲时间超过分布协调功能帧间间隔DIFS(DCF InterFrame Space)时长,则发送端立即发送该数据；否则，即判断信道“忙”，则发送端处于持续侦听状态,直到信道再次空闲、且该空闲时间大于DIFS间隔时长时，发送端也不立即发送数据,而是选择一个随机避让时间,并在该避让时间结束后，再发送数据；接收端正确接收每个分组后，要在短帧间隔SIFS(Short InterFrame Space)时长内发送一个确认ACK帧，以确认已经接收上一帧数据。

本发明的帧长计算方法中，考虑了帧长对丢包的影响、帧长对竞争式信道网络效率的影响，以及多跳路径跳数的影响。下面介绍本发明方法的设计依据：

从802.11无线信道的传输过程来看，传送数据需要一定的时间开销。发送端发送每帧数据所需时间T的计算公式为：

T＝T_DIFS+T_backoff+T_data+T_PHY+T_SIFS+T_ACK，式中，T_DIFS、T_backoff、T_SIFS、T_ACK和T_PHY分别为DIFS间隔时间、随机避让时间、SIFS间隔时间、确认帧的传输时间和物理层头部的传输时间，T_data为净荷数据加上MAC层、IP层和UDP层的传输时间；802.11信道的传输效率V的计算公式为：式中，T_payload为净荷数据的传输时间。

众所周知，无线多跳传输路径的跳数越多，丢包损失就越大。为了对丢包进行补偿，本发明将LT编码中的固定参数R修改为变量：式中，调整系数r的初值下限为2，上限为8，其数值取决于跳数n： $r=\left\{\begin{array}{cc}2& n<3\\ 2+0.2\&times;(n-3)& n\&GreaterEqual;3\end{array}\right.;$ 跳数n取自多跳路由表的对应路由项；k为源数据的分组数，其计算公式为：其中，F为本次传输的数据总长度，L为LT编码的数据分片长度。

为了使得接收端的解码成功率的概率提高，接收端需要接收的LT编码数据包的总数M＝kZ；式中，Z为LT编码冗余开销。这样，发送端应发送的数据量Data的计算公式为：其中，H为发送数据的IP头部、UDP头部、LT编码头部的总长度；L为数据净荷长度；e为n跳无线链路的误码率，其传输误码的丢包率p为p＝1-(1-e)^n(L+H)。

另外，接收端接收的LT编码数据包的在无线信道传输数据的信道带宽为B，但因受限于信道的工作机制，带宽B不能全部用来传输用户数据，实际可用的带宽B_user的计算公式为：式中，V是传输效率，T为802.11标准下传输每帧数据的总时间，t_L是长度为L的数据净荷所需的传输时间。

参见图2，介绍本发明用于视频多跳传输的自适应帧长计算方法：在视频信息传输时，综合考虑净荷数据长度和传输过程中的丢包与信道工作机制的关系，采用前向纠错的自适应帧长选择算法，根据反馈的信道质量和目标节点的跳数，发送端与接收端交互配合完成自适应帧长的计算与调整，以使在多跳的无线传输环境下能够保证系统的传输效率。该方法包括下列操作步骤：

步骤1，发送端发送初始数据：当缓存区中的视频帧内编码帧(I帧)和视频帧间编码帧(P帧)的序列数据达到一个画面组GOP时，发送端使用初始设定的帧长L开始传输LT编码数据，并等待接收端的反馈。

步骤2，接收端反馈信道信息：接收端根据无线传输丢包率p的计算公式：p＝1-(1-e)^n(L+H)，统计所接收的数据丢包率p；式中，n为源节点到目标节点的无线传输链路跳数，该数值取自多跳路由表的反向路由与正向路由；e、L、H分别为本发送周期内的误码率、帧长和包括IP头部、UDP头部与LT编码头部的该数据头部总长度；然后，将该误码率e值反馈给发送端。

步骤3，发送端进行自适应调整：发送端根据反馈的误码率e，综合考虑当前信道质量下的帧长对传输丢包、传输效率和前向纠错编码冗余的影响，选择最佳的帧长L作为下一发送周期的数据分片长度。该步骤包括下列操作内容：

(31)发送端获取e值后，根据下述公式计算在不同帧长L的情况下，传输总长度为F的数据所需要的不同传输时间T(L)：式中，T(L)为LT编码前向纠错时，综合考虑信道质量和路径跳数的传输时间；Data是发送端应该发送的数据量，B_user是信道实际可用的带宽，Z为LT编码冗余开销，F为本次传输需要编码的源数据长度，即当前生成的帧内编码帧(I帧)和帧间编码帧(P帧)序列数据之和；帧长L是LT编码的数据分片长度，因LT编码的基本单位是4字节和受限于无线传输的最大传输单元，故变量L的取值分别为：4、8、12、…、1400；且T(L)值越小，传输效率越高；

(32)因为确定视频数据长度F后，发送端应选取适宜的L值，以使T(L)值尽可能小；所以，发送端选取上述步骤(31)中T(L)值最低时的变量L值，作为最佳的帧长L值；

(33)利用该最佳的帧长L值，作为源数据的分组长度，进行下一周期LT编码数据传输，即发送端发送新的LT编码的源数据，接收端返回执行步骤(2)；

(34)发送端接收到接收端的新的反馈信息，再次进行调整，直至获得相对满意的L值。

为了验证本发明自适应帧长选择算法的效果，申请人使用视频传输评价系统，在仿真实施例的环境中对自适应帧长算法的性能进行了多次试验和评价比较。仿真实施例系统设置的画面组GOP(Group of pictures)为5，量化参数为28；为提高实时性，LT编码的源数据采用该GOP一组的数据总和，即I、P、P、P、P数据帧。信道的误码率为10^-4，突发长度为100。

实施例第1个试验环境中，设定无线传输的跳数n为3，对采用本发明自适应帧长算法与无前向纠错的两种编码传输的质量进行了比较。图3是两者峰值信噪比PSNR(Peak Signal Noise Ratio)的比较。图4和图5分别是采用这两种传输方法的YUV第204帧、233帧的两种视频画面的比较；可以看出无前向纠错编码传输的视频帧重组损失较大，导致PSNR有多处降低，自适应帧长算法可以较好的避免视频帧的丢失，提高视频传输质量。

实施例第2个试验环境中，设定无线传输的跳数n为3，对采用本发明自适应帧长传输与帧长固定LT传输的两种传输质量进行了对比。其中固定帧长是1000字节。图6为自适应帧长传输与帧长固定的PSNR比较。相比较第1个试验中的无前向纠错编码方案，采用帧长固定LT编码传输的方案在PSNR下降点有所减少，但是，由于GOP一组统一进行LT编码，受损时出现了连续丢帧的现象。这是因为固定大小的LT帧长在误码出现时，丢包率较高，导致LT解码端解码失败。然而，自适应帧长能较好地适应传输环境，根据信道当前质量进行帧长调整，避免了帧长固定导致的传输损失。

实施例第3个试验环境中，设定无线传输的跳数n为5，对采用本发明自适应帧长与固定r的两种传输质量进行了对比，其中固定r为2。从图7可见，自适应帧长能较好地适应传输环境，在跳数为5时，依据前述公式调整r为2.4，LT编码的冗余加大，对多跳传输的丢失进行了一定的补偿，提高了传输质量。

因此，本发明的实施例试验是成功的，实现了发明目的。

Claims (5)

1.一种用于视频多跳传输的自适应帧长计算方法，其特征在于：在视频信息传输时，综合考虑净荷数据长度和传输过程中的丢包与信道工作机制的关系，采用前向纠错的自适应帧长选择算法，根据反馈的信道质量和目标节点的跳数，发送端与接收端交互配合完成自适应帧长的计算与调整，以使在多跳的无线传输环境下能够保证系统的传输效率；所述方法包括下列操作步骤：

(1)发送端发送初始数据：当缓存区中的视频帧内编码帧(I帧)和视频帧间编码帧(P帧)的序列数据达到一个画面组GOP时，发送端使用初始设定的帧长L开始传输LT编码数据，并等待接收端的反馈；

(2)接收端反馈信道信息：接收端根据无线传输丢包率p的计算公式：p＝1-(1-e)^n(L+H)，统计所接收的数据丢包率p；式中，n为源节点到目标节点的无线传输链路跳数，该数值取自多跳路由表的反向路由与正向路由；e、L、H分别为本发送周期内的误码率、帧长和包括IP头部、UDP头部与LT编码头部的该数据头部总长度；然后，将该误码率e值反馈给发送端；

(3)发送端进行自适应调整：发送端根据反馈的误码率e，综合考虑当前信道质量下的帧长对传输丢包、传输效率和前向纠错编码冗余的影响，选择最佳的帧长L作为下一发送周期的数据分片长度；该步骤(3)包括下列操作内容：

(31)发送端获取e值后，根据下述公式计算在不同帧长L的情况下，传输总长度为F的数据所需要的不同传输时间T(L)：式中，T(L)为LT编码前向纠错时，综合考虑信道质量和路径跳数的传输时间；Data是发送端应该发送的数据量，B是信道带宽，B_user是实际可用的信道带宽，Z为LT编码冗余开销，T是发送端发送每帧数据所需的时间，t_L是长度为L的数据净荷所需的传输时间；F为本次传输需要编码的源数据长度，即当前生成的帧内编码帧(I帧)和帧间编码帧(P帧)序列数据之和；帧长L是LT编码的数据分片长度，因LT编码的基本单位是4字节和受限于无线传输的最大传输单元，故变量L的取值分别为：4、8、12、…、1400；且T(L)值越小，传输效率越高；

(32)因为确定视频数据长度F后，发送端应选取适宜的L值，以使T(L)值尽可能小；所以，发送端选取上述步骤(31)中T(L)值最低时的变量L值，作为最佳的帧长L值；

(33)利用该最佳的帧长L值，作为源数据的分组长度，进行下一周期LT编码数据传输，即发送端发送新的LT编码的源数据，接收端返回执行步骤(2)；

(34)发送端接收到接收端的新的反馈信息，再次进行调整，直至获得相对满意的L值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法的应用场景为采用802.11的分布协调功能DCF信道工作机制的网络：当发送端需要发送一帧数据时，先检测和判断信道是否空闲,如果空闲、且空闲时间超过分布协调功能帧间间隔DIFS时长,则发送端立即发送该数据；否则，即判断信道“忙”，则发送端处于持续侦听状态,直到信道再次空闲、且该空闲时间大于DIFS间隔时长时，发送端也不立即发送数据,而是选择一个随机避让时间,并在该避让时间结束后，再发送数据；接收端正确接收每个分组后，要在短帧间隔SIFS时长内发送一个确认ACK帧，以确认已经接收上一帧数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述发送端发送每帧数据所需时间T的计算公式为：T＝T_DIFS+T_backoff+T_data+T_PHY+T_SIFS+T_ACK，式中，T_DIFS、T_backoff、T_SIFS、T_ACK和T_PHY分别为DIFS间隔时间、随机避让时间、SIFS间隔时间、确认帧的传输时间和物理层头部的传输时间，T_data为净荷数据加上MAC层、IP层和UDP层的传输时间；其传输效率V的计算公式为：式中，T_payload为净荷数据的传输时间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述无线多跳传输路径的跳数越多，丢包损失就越大；为了对丢包进行补偿，将LT编码中的固定参数R修改为变量：式中，调整系数r的初值下限为2，上限为8，其数值取决于跳数n： $r=\left\{\begin{array}{cc}2& n<3\\ 2+0.2\&times;(n-3)& n\&GreaterEqual;3\end{array}\right.;$ 跳数n取自多跳路由表的对应路由项；k为源数据的分组数，其计算公式为：其中，F为本次传输的数据总长度，L为LT编码的数据分片长度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述接收端接收的LT编码数据包的总数M＝kZ，Z为LT编码冗余开销，k是源数据的分组数，且发送端应发送的数据量Data的计算公式为：在无线信道传输数据的信道带宽为B，但因受限于信道的工作机制，带宽B不能全部用来传输用户数据，实际可用的带宽B_user的计算公式为：式中，V是传输效率，T为802.11标准下传输每帧数据的总时间，t_L是长度为L的数据净荷所需的传输时间。