CN104811720A - 基于Mesh网络视频传输IPB帧的映射机制实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线自组织网络与网状网络领域，具体为一种基于Mesh网络视频传输IPB帧的映射机制实现方法，用来提高在大规模Mesh网络中视频传输的画面和服务质量。本发明对Mesh节点接收到的视频帧的类型进行判断，对不同的视频帧采取不同的优先级映射机制。保证高优先级视频帧优先传递，同时基于不同的访问类别（Access Category, AC）实时拥塞监控，合理将视频帧映射于相对应的访问类别AC。本发明提供的基于Mesh网络视频传输IPB帧的映射机制实现方法，能够实时地在Mesh 网络的多跳传输中，根据AC的流量状态，调节I、P、B帧的映射机制，对数据量大的多媒体视频传输提供了可靠的服务质量。

Description

基于Mesh网络视频传输IPB帧的映射机制实现方法
技术领域
本发明涉及无线自组织网络与网状网络领域(简称无线Mesh网络)，具体为一种基于Mesh网络视频传输IPB帧的映射机制实现方法，用来提高在大规模Mesh网络中视频传输的画面和服务质量。
背景技术
随着因特网接入的要求日益增加，无线Mesh网络提供了“最后一公里”接入的点对多点通信。无线Mesh网络相比于一般传统的因特网接入无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)具有：快速部署、远距传输、强健壮性、高灵活性等优点。同时，大规模无线Mesh网络技术的快速发展，被广泛应用到交通管理、治安监管、多媒体传输、视频监控等诸多领域。相比于传统的WLAN，Mesh网络由一定数量的Mesh节点搭建而成，它们能够在复杂危险环境中迅速展开，并通过无线自组网，不受现有有线网络基础设施限制。Mesh节点既可以作为接入点(Access Point，AP)，又可作为路由器，多媒体数据通过无线多跳的方式传播。无线Mesh网络使人们在不受时间和环境条件下实时获取大量多媒体数据，提供了廉价、可靠、便捷的传播。
目前已经由大量研究工作致力于如何提高无线Mesh网络中多媒体数据的传输性能。IEEE802工作组发布了专门用于保障服务质量的扩展协议IEEE802.11e，相对于802.11协议，802.11e定义了混合的协调功能(Hybrid Coordinati on Function,HCF)机制，提出了增强分布式信道接入(Enhanced Di stri but ed Channel Access,EDCA)和混合控制信道接入(Hybrid Controlled Channel Access,HCCA)两种新的介质访问模式。对所有业务分为4个类别和8个数据流，分别给予不同的优先级，每个类别分别有一种不同的参数。EDCA机制提供了不同优先级的质量服务(Quality Of Service,QOS)，HCCA机制提供了参数化的QOS。在无线Mesh网络中，EDCA机制的实现更为简单，实现了服务的区别对待。
EDCA机制引入了四种不同的接入种类，从优先级高到低可分为：AC(3)、AC(2)、AC(1)、AC(0)。每个AC都有自己的EDCA参数，优先级越高的AC具有更高的机会传输数据，然而大多数研究都是在无线Mesh网络中怎么更好的调节EDCA参数来提高视频的传输质量，并没有对视频帧编码技术考虑在内。
在802.11e中，EDCA机制将所有的视频帧都被赋予第二优先级，在AC(2)中传递。当大量的视频流在AC(2)中传输的时候，难免会出现拥塞，对相应数据包包尾的视频帧就会丢弃。在视频分级编码技术中，视频帧种类按重要性从高到低分为：I帧、P帧、B帧。I帧是最重要的视频帧，不需依靠P帧和B帧就可解码。P帧需要先前的I帧和P帧才能进行成功解码。B帧解码必须同时要求相对应I帧和P帧的存在。那么如果I帧不能成功解码，P帧和B帧将不能相应成功解码。在H.264编码中，通常将整个的视频流数据分为一系列的单元，称为组图片(GroupOf Pictures,GOP)，GOP用G(N,M)来表示，其中N表示两个连续I帧之间的距离，M表示I帧和距离其最近的P帧之间的距离。例如，G(10,3)代表IBBPBBPBBP。如果在无线Mesh网络多媒体视频传输中对于三个帧的优先级和其他AC的状态不予以考虑，简单地分配到AC(2)中传输，对于视频传输的画面和视频服务质量是不能保障的。
发明内容
本发明为了解决无线Mesh网络多媒体视频传输中对视频帧没有区分优先级而导致视频传输的画面和视频服务差的问题，提供了一种基于Mesh网络视频传输IPB帧的映射机制实现方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于Mesh网络视频传输IPB帧的映射机制实现方法，包括以下步骤：
(1)判断视频帧的类型：Mesh节点接收到上一个Mesh节点传输过来的视频数据时，检测视频帧的类型是I帧、P帧或B帧；
(2)若检测到视频帧类型为I帧时，设定PI→AC(3)为I帧在AC(3)传递的概率，
P I → AC ( 3 ) = Max { quelen ( I ) max _ AC ( 2 ) × max _ AC ( 3 ) - quelen ( voice ) - quele n ′ ( X ) max _ AC ( 3 ) , 0 } , 式中，max_AC(2)表示AC(2)中允许的传输的数据最大序列长度，quelen'(X)表示上一次数据传输中留在AC(3)中未传输完的I帧或P帧的数据大小，max_AC(3)表示AC(3)中允许的传输的数据最大序列长度，quelen(I)表示I帧的数据大小，quelen(voice)表示AC(3)中传输的语音信号的数据大小，当max_AC(3)-quelen(voice)-quelen(I)'>0时，PI→AC(3)的值大于0，该视频帧在AC(3)中传输，当max_AC(3)-quelen(voice)-quelen(I)'≤0时，PI→AC(3)的值为0，该视频帧在AC(2)中传输；
(3)若检测到视频帧类型为P帧时，设定PP→AC(3)为P帧在AC(3)传递的概率，
P p → AC ( 3 ) = Max { quelen ( P ) max _ AC ( 2 ) × max _ AC ( 3 ) - quelen ( voice ) - quele n ′ ( X ) max _ AC ( 3 ) , 0 } , 式中quelen(P)表示P帧的数据大小，quelen'(X)表示上一次数据传输中留在AC(3)中未传输完的I帧或P帧的数据大小，当max_AC(3)-quelen(voice)-quelen'(X)>0时，PP→AC(3)的值大于0，该视频帧在AC(3)中传输，当max_AC(3)-quelen(voice)-quelen'(X)≤0时，PP→AC(3)的值为0，判断视频帧在AC(2)(或AC(1))中进行传输的概率，
设定PP→AC(1)为P帧在AC(1)传递的概率，
P p → AC ( 1 ) = Max { quelen ( P ) max _ AC ( 2 ) × max _ AC ( 1 ) - quele n ′ ( Y ) - quelen ( AC ( 1 ) ) max _ AC ( 1 ) , 0 } , 式中，quelen'(Y)表示上一次数据传输中留在AC(1)中未传输完的P帧或B帧的数据大小，quelen(AC(1))代表AC(1)中非及时流数据大小，max_AC(1)表示AC(1)中允许传输的数据最大序列长度，则P帧在AC(2)传递的概率PP→AC(2)＝1-[PP→AC(3)]-[PP→AC(1)]，当PP→AC(2)＝1时，该视频帧在AC(2)中传输，当PP→AC(2)小于1时，该视频帧在AC(1)中传输；
(4)若检测到视频帧类型为B帧时，设定PB→AC(1)为P帧在AC(1)传递的概率，
P B → AC ( 1 ) = Max { quelen ( B ) max _ AC ( 2 ) × max _ AC ( 1 ) - quele n ′ ( Y ) - quele n ( AC ( 1 ) ) max _ AC ( 1 ) , 0 } , 式中，quelen(B)表示B帧的数据大小，B帧在AC(2)传递的概率PB→AC(2)＝1-[PB→AC(1)]，当PB→AC(2)＝1时，B帧在AC(2)中传输，当PB→AC(2)小于1时，B帧在AC(1)中传递。
本发明提供了一种基于Mesh网络视频传输IPB帧的映射机制实现方法，该方法和传统映射机制方法不同，采取了自适应AC的解决方案，通过对AC(2)上下层的AC(3)和AC(1)的数据流量拥塞程度进行判断和实时的状态信息。依据这些信息来调用自适应映射I PB帧机制，分配不同的视频帧进入不同的AC进行传输，从而提高了视频传输的服务质量。
本发明提供的基于Mesh网络视频传输I PB帧的映射机制实现方法，能够实时地在Mesh网络的多跳传输中，根据AC的流量状态，调节I、P、B帧的映射机制，对数据量大的多媒体视频传输提供了可靠的服务质量。
附图说明
图1是IPB帧的映射机制流程图。
具体实施方式
一种基于Mesh网络视频传输IPB帧的映射机制实现方法，包括以下步骤：
(1)判断视频帧的类型，在无线Mesh网络视频传输中，多媒体视频流会根据多跳选择自己合适的路径，当Mesh节点接收到上一个节点传输过来的视频数据时，首先要对视频帧的类型做出判断，是I帧，还是P帧亦或是B帧。在本系统中，根据视频的特点把几帧图像分为一组GOP，也就是一个序列，为防止运动变化，帧数不宜取多，一般为10或12帧为一组；
(2)若检测到视频帧类型为I帧时，Mesh节点根据AC(3)中拥塞程度，考虑是否分配I帧至AC(3)中进行传输，如果AC(3)中拥塞，则分配I帧到AC(2)中进行传输；为了充分利用无限网络的带宽资源，尽可能的将I帧映射分配到AC(3)中，来提高关键帧I帧，更快更准确的传输；然而，在802.11e机制中，AC(3)是被分配传输语音数据流的，不能简单的直接将I帧映射分配到AC(3)中，需要检测AC(3)中语音数据流是否拥挤；设定PI→AC(3)为I帧在AC(3)传递的概率，
P I → AC ( 3 ) = Max { quelen ( I ) max _ AC ( 2 ) × max _ AC ( 3 ) - quelen ( voice ) - quele n ′ ( X ) max _ AC ( 3 ) , 0 } , 式中，max_AC(2)表示AC(2)中允许的传输的数据最大序列长度，quelen'(X)表示上一次数据传输中留在AC(3)中未传输完的I帧或P帧的数据大小，max_AC(3)表示AC(3)中允许的传输的数据最大序列长度，quelen(I)表示I帧的数据大小，quelen(voice)表示AC(3)中传输的语音信号的数据大小，当max_AC(3)-quelen(voice)-quelen(I)'>0时，PI→AC(3)的值大于0，该视频帧在AC(3)中传输，当max_AC(3)-quelen(voice)-quelen(I)'≤0时，PI→AC(3)的值为0，该视频帧在AC(2)中传输；考虑到视频帧I帧在视频解码时的重要性，所以本视频传输映射机制只将I帧映射到AC(3)和AC(2)中；
(3)若检测到视频帧类型为P帧时，Mesh节点会根据此时AC(3)中的拥塞程度，考虑是否将P帧分配到AC(3)中进行传输，此时，AC(3)中可能存在上一次数据传输中未传输完的I帧或P帧，因此需要将该数据帧的数据包大小考虑在内，设定PP→AC(3)为P帧在AC(3)传递的概率，
P p → AC ( 3 ) = Max { quelen ( P ) max _ AC ( 2 ) × max _ AC ( 3 ) - quelen ( voice ) - quele n ′ ( X ) max _ AC ( 3 ) , 0 } , 式中quelen(P)表示P帧的数据大小，quelen'(X)表示上一次数据传输中留在AC(3)中未传输完的I帧或P帧的数据大小，当max_AC(3)-quelen(voice)-quelen'(X)'>0时，PP→AC(3)的值大于0，该视频帧在AC(3)中传输，当max_AC(3)-quelen(voice)-quelen(X)'≤0，PP→AC(3)的值为0，视频帧在AC(2)或AC(1)中进行传输的概率，考虑到P帧的重要性小I帧的重要性，P帧则有可能会被分配到AC(1)中进行传输；设定PP→AC(1)为P帧在AC(1)传递的概率，
P p → AC ( 1 ) = Max { quelen ( P ) max _ AC ( 2 ) × max _ AC ( 1 ) - quele n ′ ( Y ) - quele n ( AX ( 1 ) ) max _ AC ( 1 ) , 0 } , 式中，quelen'(Y)表示上一次数据传输中留在AC(1)中未传输完的P帧或B帧的数据大小，quelen(AC(1))代表AC(1)中非及时流数据大小，max_AC(1)表示AC(1)中允许的传输的数据最大序列长度。视频帧P帧在视频解码时的重要性较次之，所以本视频传输映射机制将P帧映射到AC(3)、AC(2)和AC(1)，则P帧在AC(2)传递的概率PP→AC(2)＝1-[PP→AC(3)]-[PP→AC(1)]，当PP→AC(2)＝1时，该视频帧在AC(2)中传输，当PP→AC(2)小于1时，该视频帧在AC(1)中传输；
(4)若检测到视频帧类型为B帧时，设定PB→AC(1)为P帧在AC(1)传递的概率，
P B → AC ( 1 ) = Max { quelen ( B ) max _ AC ( 2 ) × max _ AC ( 1 ) - quele n ′ ( Y ) - quele n ( AC ( 1 ) ) max _ AC ( 1 ) , 0 } , 式中，quelen(B)表示B帧的数据大小，视频帧B帧在视频解码时的重要性最低，所以本视频传输映射机制只将B帧映射到AC(2)和AC(1)中，则B帧在AC(2)传递的概率PB→AC(2)＝1-[PB→AC(1)]，当PB→AC(2)＝1时，B帧在AC(2)中传输，当PB→AC(2)小于1时，B帧在AC(1)中传递。

Claims (1)

1.一种基于Mesh网络视频传输IPB帧的映射机制实现方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)判断视频帧的类型：Mesh节点接收到上一个Mesh节点传输过来的视频数据时，检测视频帧的类型是I帧、P帧或B帧；
(2)若检测到视频帧类型为I帧时，设定PI→AC(3)为I帧在AC(3)传递的概率， P I → AC ( 3 ) = Max { quelen ( I ) max _ AC ( 2 ) × max _ AC ( 3 ) - quelen ( voice ) - quelen ′ ( X ) max _ AC ( 3 ) , 0 } , 式中，max_AC(2)表示AC(2)中允许的传输的数据最大序列长度，quelen′(X)表示上一次数据传输中留在AC(3)中未传输完的I帧或P帧的数据大小，max_AC(3)表示AC(3)中允许的传输的数据最大序列长度，quelen(I)表示I帧的数据大小，quelen(voice)表示AC(3)中传输的语音信号的数据大小，当max_AC(3)-quelen(voice)-quelen(I)′>0时，PI→AC(3)的值大于0，该视频帧在AC(3)中传输，当max_AC(3)-quelen(voice)-quelen(I)′≤0时，PI→AC(3)的值为0，该视频帧在AC(2)中传输；
(3)若检测到视频帧类型为P帧时，设定PP→AC(3)为P帧在AC(3)传递的概率， P P → AC ( 3 ) = Max { quelen ( P ) max _ AC ( 2 ) × max _ AC ( 3 ) - quelen ( voice ) - quelen ′ ( X ) max _ AC ( 3 ) , 0 } , 式中quelen(P)表示P帧的数据大小，quelen′(X)表示上一次数据传输中留在AC(3)中未传输完的I帧或P帧的数据大小，当max_AC(3)-quelen(voice)-quelen(X)′>0时，PP→AC(3)的值大于0，该视频帧在AC(3)中传输，当max_AC(3)-quelen(voice)-quelen(X)′≤0，PP→AC(3)的值为0，判断视频帧在AC(2)中进行传输的概率，
设定PP→AC(1)为P帧在AC(1)传递的概率， P P → AC ( 1 ) = Max { quelen ( P ) max _ AC ( 2 ) × max _ AC ( 1 ) - quelen ′ ( Y ) - quelen ( AC ( 1 ) ) max _ AC ( 1 ) , 0 } , 式中，quelen′(Y)表示上一次数据传输中留在AC(1)中未传输完的P帧或B帧的数据大小，quelen(AC(1))代表AC(1)中非及时流数据大小，max_AC(1)表示AC(1)中允许的传输的数据最大序列长度，则P帧在AC(2)传递的概率PP→AC(2)＝1-[PP→AC(3)]-[PP→AC(1)]，当PP→AC(2)＝1时，该视频帧在AC(2)中传输，当PP→AC(2)小于1时，该视频帧在AC(1)中传输；
(4)若检测到视频帧类型为B帧时，设定PB→AC(1)为P帧在AC(1)传递的概率， P B → AC ( 1 ) = Max { quelen ( P ) max _ AC ( 2 ) × max _ AC ( 1 ) - quelen ′ ( Y ) - quelen ( AC ( 1 ) ) max _ AC ( 1 ) , 0 } , 式中，quelen(B)表示B帧的数据大小，B帧在AC(2)传递的概率PB→AC(2)＝1-[PB→AC(1)]，当PB→AC(2)＝1时，B帧在AC(2)中传输，当PB→AC(2)小于1时，B帧在AC(1)中传递。
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