CN103248965B - 一种基于近似时延的视频传输队列调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于近似时延的视频传输队列调度方法，其特征在于，将高优先级的视频帧进入时延较小的队列，所述的调度方法具体包括以下步骤：步骤1：计算数据包从进入队列到离开队列的近似时延；步骤2：根据数据包进出队列的近似时延D_i(t)的大小关系；步骤3：判断高优先级队列AC[n]队列长度L_n是否小于队列长度下限L_low，若为是，则数据包直接进入队列AC[n]，否则，计算视频帧进入低一级优先级队列的概率，即降队列概率；步骤4：对不同优先级的视频帧设置最大队列长度上限L_limit_Type；步骤5：比较计算得到的降队列概率与随机数random。与现有技术相比，本发明不仅减小了平均时延，而且显著地提高了视频传输质量。

Description

一种基于近似时延的视频传输队列调度方法

技术领域

本发明涉及视频传输队列调度方法，尤其是涉及一种基于近似时延的视频传输队列调度方法。

背景技术

随着3G、WLAN、Adhoc等无线移动通信网络技术的迅猛发展以及多媒体应用需求的日益增长，无线多媒体传输需求日益迫切，对QoS的要求也越来越高。

802.11eEDCA协议是IEEE为了能够在无线网络中提供对不同业务种类的服务区分以及为无线局域网提供了MAC层的QoS保障在802.11的基础上提出的。EDCA机制根据用户优先级的不同定义了4种AC，为各个不同的接入类别分配不同的接入参数，使得高优先级的业务可以优先接入信道，为高优先级的业务提供很好的QoS。其中优先级别从高到低排列为：语音业务(Voice)、视频业务(Video)、尽力而为业务(BestEffort)和背景业务(Background)。每个AC都有一个独立的发送队列如图1所示，AC队列间根据CSMA/CA协议来竞争接入信道。不同业务优先级可以根据高层设定来分别映射到指定的AC中排队等待发送。每个AC队列都能以特定的EDCA参数进行信道接入。在802.11e标准中，为EDCA机制的接入参数提供了默认值，但是这些参数都是固定定义的，没有根据网络状态的不同而改变。虽然在大部分情况下可以适应业务的要求，但是在网络负载较重，或者网络动态变化时，容易引起网络拥塞，不能满足视频传输的需求以及有效的保证业务的QoS性能。

MPEG-4是MPEG组织在1998年提出的新一代多媒体压缩标准MPEG-4标准，其为压缩视频流定义了三种视频帧类型：I帧(Intra-codedframe，帧内预测编码帧)，P帧(Predictive-codedframe，前向预测编码帧)，B帧(Bi-directionallyPredictive-codedframe，双向预测编码帧)。对于MPEG-4中的分层编码技术，I帧是基本帧，P、B帧是增强帧，帧的优先级由高到低排序分别是I帧、P帧、B帧。无线视频传输可以根据不同的视频分层来标记优先级并执行接入队列管理与调度，通过应用层视频帧优先级来影响MAC层信道接入策略，从而改进EDCA协议的视频传输性能。其中，Ksentini，A.在IEEECommunicationsMagazine的文献“TowardanimprovementofH.264videotransmissionoverIEEE802.11ethroughacross-layerarchitecture”提出了一种应用于802.11的静态映射算法，利用H.264分层编码特性，将不同重要性的视频帧分别映射到不同优先级的AC队列中，有利于对高优先级视频帧的保护。C.H.Lin等在TelecommunicationSystems2009的文献“Anadaptivecross-layermappingalgorithmforMPEG-4videotransmissionoverIEEE802.11eWLAN”中提出了动态映射算法，根据网络状况自适应的调整视频帧的映射选择，不仅实现了各视频帧优先级区分，保护了高优先级视频帧的QoS，而且考虑了队列的长度，提高了高优先级的队列空间利用率，减少队列溢出丢包，从而比静态映射算法能够更好的保证视频分组的成功传输。

在网络传输中，衡量QoS性能的指标主要有误码率、丢包率、吞吐率、PSNR、时延、抖动等，不同的业务有不同的QoS侧重要求。传统数据业务对网络传输的误码率、吞吐率等要求较高，对时延及抖动不敏感，而现代多媒体应用一般都要严格的最大时延要求。对于实时视频传输业务，时延越小，用户的体验满意度越高。特别在多跳网络的场景中，时延会随着视频包传输的跳数增加而增加，时延过大的视频包将在接收端的解码过程中丢弃，进而降低了视频质量。因此，减小传输时延方面的研究工作将会对无线网络视频传输性能起到重要推动作用。动态映射算法提出了综合视频帧重要性与队列长度来调整降队列概率的方案，保护了优先级高的视频包，但没有考虑时延的影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种减小了平均时延，而且显著地提高了视频传输质量的基于近似时延的视频传输队列调度方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于近似时延的视频传输队列调度方法，其特征在于，将高优先级的视频帧进入时延较小的队列，通过牺牲低优先级视频帧的时延来保障高优先级视频帧的传输，从而减小平均时延并获得更高的视频质量的PSNR值，所述的调度方法具体包括以下步骤：

步骤1：计算数据包从进入队列到离开队列的近似时延D_i(t)，i＝0，1，...，n；

步骤2：根据数据包进出队列的近似时延D_i(t)的大小关系，将AC队列区分为D_i(t)最小的队列定义为AC[min]，D_i(t)中等的队列定义为AC[mid]，D_i(t)最大的队列定义为AC[max]；

步骤3：判断高优先级队列AC[n]队列长度L_n是否小于队列长度下限L_low，若为是，则数据包直接进入队列AC[n]，否则，计算视频帧进入低一级优先级队列的概率，即降队列概率；

步骤4：对不同优先级的视频帧设置最大队列长度上限L_limit_Type；

步骤5：比较计算得到的降队列概率与随机数random，若降队列概率小于随机数random，判断AC[min]长度与视频帧队列长度上限L_limit_Type，小于上限则数据包进入AC[min]，大于上限则进入AC[mid]；若降队列概率大于随机数random，则判断AC[mid]长度与视频帧队列长度上限L_limit_Type，小于上限则数据包进入AC[mid]，大于上限则进入AC[max]。

所述的近似时延D_i(t)由平均每包传输间隔T_packet，i(t)与队列长度L_i(t)估计出来，即D_i(t)＝L_i(t)×T_packet，i(t)，其中

$T_{\mathrm{packet},i}\left(t\right)=\frac{T_{\mathrm{tran},i}\left(t\right)}{C_i\left(t\right)}$

式中，T_tran，i(t)表示队列AC[i](i＝0，1...，n)接入信道的时间间隔，C_i(t)表示队列AC[i]每次接入信道时持续传输的数据包个数。

使用平滑因子α来对平均每包传输间隔T_packet，i(t)进行处理以减少T_tran，i(t)带来的波动性，即T_avg，i(t+1)＝α×T_packet，i(t+1)+(1-α)×T_avg，i(t)，则所述的近似时延更新为D_i(t)＝L_i(t)×T_avg，i(t)。

降队列概率Pr_New(t)根据根据不同类型的视频帧的默认降队列概率Pr_Type、进队列速率V_avgin(t)以及出队列速率V_avgout(t)计算得到，即

Pr_New(t)＝Pr_Type×((V_avgin(t)-V_avgout(t))/V_avgout(t))

式中，Pr_Type必须满足越重要的视频帧类型其Pr_Type值越小，对于MPEG-4编码的三个不同类型视频帧：B帧、I帧、P帧需满足下式：

1＞Pr_B＞Pr_P＞Pr_I≥0

其中Pr_B为B帧的默认降队列概率，Pr_P为P帧的默认降队列概率，Pr_I为I帧的默认降队列概率。

使用平滑因子α来减小进队列速率V_avgin(t)和出队列速率V_avgout(t)的突变，即

V_avgin(t+1)＝α×V_in(t+1)+(1-α)×V_avgin(t)

V_avgout(t+1)＝α×V_out(t+1)+(1-α)×V_avgout(t)

式中，V_in(t)表示进队列总速率，V_out(t)表示出队列总速率。

所述的不同优先级的视频帧的最大队列长度上限L_limit_Type应满足下式，

L_{limit_Type}＝L_limit_I＞L_limit_P＞L_limit_B，

其中L_limit_I为I帧的最大队列长度上限，L_limit_P为P帧的最大队列长度上限，L_limit_B为B帧的最大队列长度上限。

对不同优先级的视频帧设置最大队列长度上限以减少高优先级视频帧的溢出丢包，当视频帧超过相应优先级的队列上限时即使获得接入AC[min]的机会也需要进行降队列处理。

与现有技术相比，本发明具有考虑到时延的影响，利用近似时延区分AC队列，使用进队列速率与出队列速率之比来调整接入高时延队列的概率，通过默认降队列概率和队列长度上限来区分视频帧优先级，确保高优先级视频包优先进入低时延队列，从而使新的队列调度方法不仅可以减小平均时延，而且显著地提高了视频传输质量。

附图说明

图1为IEEE802.11e传输队列模型；

图2为本发明的仿真网络拓扑结构；

图3为本发明实施例的队列调度流程图；

图4为不同网络负载下不同方法的视频质量PSNR的比较；

图5为不同网络负载下不同方法的平均时延的比较。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，三个无线节点A，B，C通过AP与服务器相连，场景大小设置为500*500m，路由协议为AODV，视频数据流采用常用的YUVQCIF(176*144)格式的Foreman流，视频流分包大小为1024bytes，采用MPEG-4编解码方式，一个GOP(Groupofpicture)中含有9个视频帧(IBBPBBPBB)，数据率为1Mbps，有线链路带宽10Mbps，MAC层基本接入参数(CW、TXOP等)采用IEEE802.11eEDCA的默认设置，同时，为模拟在实际网络中视频传输与非视频流数据同时传输的情况，对AC[1]与AC[0]队列分别加上了CBR与FTP的非视频应用数据，非视频流速率限定为视频流的一半。

如图3所示，本实施例包括如下具体步骤：

步骤1：接收新视频包后估计出数据包从进入队列到离开队列的近似时延D_i(t)，i＝0，1，2：

首先，队列AC[i]的近似时延D_i(t)由平均每包传输间隔T_packet，i(t)与队列长度L_i(t)估计出来，即D_i(t)＝L_i(t)×T_packet，i(t)，其中

$T_{\mathrm{packet},i}\left(t\right)=\frac{T_{\mathrm{tran},i}\left(t\right)}{C_i\left(t\right)}$

式中，T_tran，i(t)表示队列AC[i](i＝0，1，2)接入信道的时间间隔，C_i(t)表示队列AC[i]每次接入信道时持续传输的数据包个数；

进一步，近似时延D_i(t)可以表示为D_i(t)＝L_i(t)×T_avg，i(t)，其中

T_avg，i(t+1)＝α×T_packet，i(t+1)+(1-α)×T_avg，i(t)

在本实施例中取平滑因子α为0.5。

步骤2：根据数据包进出队列的近似时延D_i(t)的大小关系将AC队列区分为D_i(t)最小的队列定义为AC[min]，D_i(t)中等的队列定义为AC[mid]，D_i(t)最大的队列定义为AC[max]。

步骤3：判断高优先级队列AC[2]队列长度，若队列长度L₂小于队列长度下限L_low，则数据包直接进入队列AC[2]，反之，则计算视频帧进入低一级优先级队列的概率即降队列概率Pr_New(t)，其可以表示为：

Pr_New(t)＝Pr_Type×((V_avgin(t)-V_avgout(t))/V_avgout(t))

其中，Pr_Type为默认降队列概率，V_avgin(t)为进队列速率，V_avgout(t)为出队列速率，Pr_Type必须满足越重要的视频帧类型其Pr_Type值越小，对于MPEG-4编码的三个不同类型视频帧：B帧、P帧、I帧需满足下式：

1＞Pr_B＞Pr_P＞Pr_I≥0

在本实施例中选取I帧的默认降队列概率Pr_I为0，B帧的默认降队列概率Pr_B为0.8，P帧的默认降队列概率Pr_P为0.4，选取队列长度下限L_low为10。

本发明利用进队列总速率V_in(t)与出队列总速率V_out(t)之比来表示网络负载情况以保证一定的预见性，并同样使用平滑因子α来减少进队列速率V_avgin(t)和出队列速率V_avgout(t)突变的影响，即

V_avgin(t+1)＝α×V_in(t+1)+(1-α)×V_avgin(t)

V_avgout(t+1)＝α×V_out(t+1)+(1-α)×V_avgout(t)

步骤4：对不同优先级的视频帧设置最大队列长度上限L_limit_Type，对于MPEG-4编码的三个不同类型视频帧的最大队列长度上限L_limit_Type应满足下式，

L_limit＝L_limit_I＞L_limit_P＞L_limit_B

在本实施例中选取I帧的最大队列长度上限L_limit_I为50，P帧的最大队列长度上限L_limit_P为30，B帧的最大队列长度上限L_limit_B为20，每个队列的最大队列长度上限L_limit也为50。

步骤5：比较计算得到的降队列概率与随机数random，若降队列概率小于随机数random，判断AC[min]长度与视频帧队列长度上限L_limit_Type，小于上限则数据包进入AC[min]，大于上限则进入AC[mid]；若降队列概率大于随机数random，则判断AC[mid]长度与视频帧队列长度上限L_limit_Type，小于上限则数据包进入AC[mid]，大于上限则进入AC[max]。

如图4所示，本实施例在不同网络负载下将本发明方法与三种常用方法：静态映射算法(Static)、动态映射算法(Dynamic)和EDCA的视频质量PSNR进行比较，对于本发明的基于近似时延的队列调度方法，视频传输丢包总量较少，且对高优先级视频帧的保护作用优于三种常见算法，视频质量PSNR也相应有所提升。

如图5所示，本实施例在不同网络负载下将本发明方法与Static、Dynamic和EDCA方法的平均时延进行比较，从图中可以看出本发明在队列调度时充分考虑了队列近似时延的大小，视频帧优先进入时延较小的队列，从而能够获得比静态和动态映射队列调度方法更低的时延。

Claims (6)

1.一种基于近似时延的视频传输队列调度方法，其特征在于，将高优先级的视频帧进入时延较小的队列，通过牺牲低优先级视频帧的时延来保障高优先级视频帧的传输，从而减小平均时延并获得更高的视频质量的PSNR值，所述的调度方法具体包括以下步骤：

步骤1：计算数据包从进入队列到离开队列的近似时延D_i(t),i＝0,1,...,n；

步骤2：根据数据包进出队列的近似时延D_i(t)的大小关系，将AC队列区分为D_i(t)最小的队列定义为AC[min]，D_i(t)中等的队列定义为AC[mid]，D_i(t)最大的队列定义为AC[max]；

步骤3：判断高优先级队列AC[n]队列长度L_n是否小于队列长度下限L_low，若为是，则数据包直接进入队列AC[n]，否则，计算视频帧进入低一级优先级队列的概率，即降队列概率；

步骤4：对不同优先级的视频帧设置最大队列长度上限L_limit_Type；

步骤5：比较计算得到的降队列概率与随机数random，若降队列概率小于随机数random，判断AC[min]长度与视频帧队列长度上限L_limit_Type，小于上限则数据包进入AC[min]，大于上限则进入AC[mid]；若降队列概率大于随机数random，则判断AC[mid]长度与视频帧队列长度上限L_limit_Type，小于上限则数据包进入AC[mid]，大于上限则进入AC[max]。

2.根据权利要求1所述的一种基于近似时延的视频传输队列调度方法，其特征在于，所述的近似时延D_i(t)由平均每包传输间隔T_packet,i(t)与队列长度L_i(t)估计出来，即D_i(t)＝L_i(t)×T_packet,i(t)，其中

式中，T_tran,i(t)表示队列AC[i](i＝0,1,...,n)接入信道的时间间隔，C_i(t)表示队列AC[i]每次接入信道时持续传输的数据包个数。

3.根据权利要求2所述的一种基于近似时延的视频传输队列调度方法，其特征在于，使用平滑因子α来对平均每包传输间隔T_packet,i(t)进行处理以减少T_tran,i(t)带来的波动性，即T_avg,i(t+1)＝α×T_packet,i(t+1)+(1-α)×T_avg,i(t)，则所述的近似时延更新为D_i(t)＝L_i(t)×T_avg,i(t)。

4.根据权利要求1所述的一种基于近似时延的视频传输队列调度方法，其特征在于，降队列概率Pr_New(t)根据不同类型的视频帧的默认降队列概率Pr_Type、进队列速率V_avgin(t)以及出队列速率V_avgout(t)计算得到，即

Pr_New(t)＝Pr_Type×((V_avgin(t)-V_avgout(t))/V_avgout(t))

式中，Pr_Type必须满足越重要的视频帧类型其Pr_Type值越小，对于MPEG-4编码的三个不同类型视频帧：B帧、I帧、P帧需满足下式：

1＞Pr_B＞Pr_P＞Pr_I≥0

其中Pr_B为B帧的默认降队列概率，Pr_P为P帧的默认降队列概率，Pr_I为I帧的默认降队列概率。

5.根据权利要求4所述的一种基于近似时延的视频传输队列调度方法，其特征在于，使用平滑因子α来减小进队列速率V_avgin(t)和出队列速率V_avgout(t)的突变，即

V_avgin(t+1)＝α×V_in(t+1)+(1-α)×V_avgin(t)

V_avgout(t+1)＝α×V_out(t+1)+(1-α)×V_avgout(t)

式中，V_in(t)表示进队列总速率，V_out(t)表示出队列总速率。

6.根据权利要求1所述的一种基于近似时延的视频传输队列调度方法，其特征在于，所述的不同优先级的视频帧的最大队列长度上限L_limit_Type应满足下式，

L_{limit_Type}＝L_limit_I＞L_limit_P＞L_limit_B，

其中L_limit_I为I帧的最大队列长度上限，L_limit_P为P帧的最大队列长度上限，L_limit_B为B帧的最大队列长度上限。