2. 中国科学院网络化控制系统重点实验室, 辽宁 沈阳 110016;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
2. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;
3. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
随着多媒体技术和无线通信技术的发展，传统的仅能支持“一对一”、 “一对多”视频传输的无线视频传输系统已无法满足大规模应用场景的需求. 在此背景下，能够支持多路视频并发传输的WMSN应运而生.
由于针对WMSN的研究刚刚起步，人们对WMSN的整体性能仍然缺少定量化认知，无法指导网络协议的设计. 现有针对WMSN视频传输性能的研究大多基于仿真平台[1-9]. 文[1-3]分别研究了视频编码方式、 错误隐藏机制、 无用帧丢弃机制等视频自身属性对于视频传输质量的影响. 文[4-7]分别研究了缓存大小、 数据传输速率、 网络吞吐率等硬件参数对于视频传输质量(延迟、 抖动、 丢包率、 峰值信噪比)的影响. 文[8-9]研究了距离、 障碍、 移动、 干扰等环境因素对于视频传输质量的影响.
然而，基于仿真平台的实验结果往往过于理想化，与基于物理平台的实际结果存在较大差异[10]. 目前，基于物理平台的研究较为少见[11-15]. 其中，文[11-14]研究了报文长度、 视频帧率、 编码方式、 传输协议等软件参数对于视频传输质量的影响. 文[15]研究了多径效应对于视频传输质量的影响.
综上所述，现有针对WMSN的研究尚不完善，无法有效指导网络协议的设计. 本文针对不同网络拓扑(点对点网络、 线型网络和星型网络)结构下的视频传输性能进行了全面的分析和研究，并进行了物理实验. 本文贡献包括： (1) 针对并发视频传输构造了一个数据链路层延迟模型. (2) 实验测试了不同网络拓扑下的报文延迟、 抖动和信道利用率，并分析了多种因素对于视频传输质量的影响. (3) 针对如何有效利用网络资源以满足视频用户的体验质量(quality of experience，QoE)给出了相应指导.
2 数据链路层延迟建模对于基于IEEE 802.11 RTS/CTS握手机制的WMSN，数据链路层的延迟主要由排队延迟和接入延迟两部分组成. 需要指出的是，延迟并不仅仅表示数据未按时到达，它也反映了网络的整体性能，如信道拥塞状况等. 视频传输系统延迟较大时造成的后果绝不仅仅是视频滞后那么简单，而是会造成画面停滞，有时可达十几秒.
目前针对IEEE 802.11协议延迟的研究主要集中于接入延迟，忽视了排队延迟. 而针对排队延迟的研究大多面向TDMA协议，而非IEEE 802.11协议. 为此，本文针对IEEE 802.11协议的排队延迟进行了建模，将总延迟定义为排队延迟与接入延迟之和，进而为后文实验性能评估提供理论参考.
2.1 排队延迟排队延迟定义为数据帧从进入缓存队列到离开缓存队列所经历的时间. 当系统处理速度一定时，数据帧的排队延迟主要取决于位于该帧之前的正在排队的帧的数量. 新进入数据链路层缓存队列的数据帧可能面临下列两种情况之一： (1) 缓存队列为空，该数据帧可以率先接受服务. (2) 缓存队列中有其它数据帧正在排队，该数据帧需要等待其它数据帧成功发送后，才能接受服务.
缓存队列是否为空，即系统繁忙的概率，取决于数据量及系统处理数据的能力. 在某一时段内，如果系统的处理速率大于数据帧进入缓存队列的速率，则缓存队列为空； 否则，缓存队列不为空. 因此，缓存队列不为空的概率可表示为
根据Little定理[16]，当缓存队列非空时，数据帧的平均数量为
当缓存队列为空时，新到达的数据帧虽然可以率先接受服务，但未必能够立即接受服务，它也可能需要等待t时间，原因在于： 虽然缓存队列为空，但是系统可能刚刚从队列中取走了仅有的一个数据帧，并且正在为其服务. 因此，当队列为空时，新到达的数据帧平均需要等待的时间为(0+t)/2.
因此，总的排队延迟为
根据式(1)～(3)，可得到数据链路层的排队延迟为
接入延迟取决于信道的使用机制. 基于IEEE 802.11 RTS/CTS机制的数据帧传输原理如图 1所示. 站点在发送数据之前需要发送RTS帧竞争信道使用权. 因此，接入延迟定义为站点竞争信道使用权所消耗的时间，如图 1阴影部分所示. 接入延迟的建模过程参照文[17]所建立的模型，涉及到的符号和缩略语如表 1所示.
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| 图 1 RTS/CTS机制的数据包传输过程 Fig. 1 Packet transmission with RTS/CTS mechanism |
假设数据帧经过i次RTS/CTS尝试后发送成功，则接入延迟D可以表示为
D的条件期望值计算为
| 缩写 | 描述 |
| RTS/CTS | 请求发送/允许发送 |
| ACK | 确认帧 |
| DIFS | 分布式帧间间隔 |
| EIFS | 扩展帧间间隔 |
| SIFS | 短帧间间隔 |
| δ | 传播延迟 |
| Rmax | 重传次数上限 |
定义p为数据帧发生碰撞的概率，Pi可以表示为
根据全期望公式，D的平均值表示为
根据图 2所示过程，Di可表示为
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| 图 2 计时器退避过程 Fig. 2 Backoff process of the timer |
根据IEEE 802.11协议的定义，Tc、 Ts和Wi可以表示为
式(8)中的E(Di)可以由式(12)～(15)导出：
本节从数据帧延迟、 抖动、 信道利用率三方面评价视频传输质量. 3个性能评价指标分别定义如下.
(1) 延迟. 延迟定义为从“源节点开始发送一个数据帧”到“目的节点完整接收这个数据帧”所耗费的时间. 第i个数据帧的延迟表示为
本文实验中，通过测量RTT/2统计延迟值，RTT为往返时延.
(2) 抖动. 抖动定义为延迟的变化量[7]，即数据帧i和数据帧i-1的延迟的差值. 第i个数据帧的抖动表示为
本文实验中，抖动通过计算“相邻的两个数据包的延迟之差”的平均值获得.
(3) 信道利用率. 信道利用率定义为“单位时间内信道实际传输的数据量(实际数据传输率)”与“单位时间内信道可传输的最大数据量(最大数据传输率)”的比值，表示为
本文实验中，IP摄像机采用固定速率(2 Mb/s)发送视频数据. 当信道条件恶化时，真实的数据发送速率将会小于2 Mb/s. 因此，本文对信道利用率进行如下归一化： 如果IP摄像机的数据发送速率达到2 Mb/s，则认为信道利用率达到100%. 在实验中，信道利用率可由Wireshark软件测得.
3.2 实验设置实验中使用的软硬件及参数取值如表 2和表 3所示.
| 名称 | 描述 |
| 操作系统 | Windows 7 |
| 抓包软件 | Wireshark |
| 视频客户端 | IVMS-4000(V2.0) |
| 视频参数 | 格式： H.264 |
| 比特率： 2 Mb/s | |
| 帧率： 25 f/s | |
| 分辨率： 1 280×960 |
本节分别实验测量了点对点网络、 线型网络、 星型网络结构下的视频传输质量.
3.3.1 点对点网络实验(1) 场景描述. 实验场景由一个网络摄像机和一个接入点(无线路由器)构成，如图 3所示. 摄像机与接入点以无线方式连接，视频经一跳直接传回接入点. 摄像机和接入点之间的距离变化为： 从10 m增加至100 m. 测量不同距离情况下的延迟、 抖动、 信道利用率.
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| 图 3 点对点网络拓扑 Fig. 3 Topology of peer-to-peer network |
(2) 结果分析. 不同距离下，点对点网络的数据链路层延迟和抖动变化情况如图 4所示. 其特征如下： 在无线网络信号覆盖范围内，延迟和抖动增长缓慢； 在无线网络信号覆盖边缘，延迟和抖动突然增加.
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| 图 4 距离对延迟及抖动的影响 Fig. 4 Effect of distance on delay and delay jitter |
当摄像机与接入点之间的距离从10 m增加至70 m时，延迟和抖动增长缓慢，如图 4(a)所示，延迟增长了6.5 ms，抖动增长了7.5 ms. 理论延迟几乎没有改变，因为理论延迟的计算基于“无线信号无衰减”这一假设.
当距离从80 m增加至100 m时，延迟和抖动急剧增长，如图 4(b)所示，延迟增长至996 ms，抖动增长至328 ms. 在该状态下，视频发生了停滞，原因是信号衰减.
不同距离下，点对点网络的信道利用率变化情况如图 5所示. 信道利用率的变化特点与延迟和抖动相似，当距离从10 m增加至70 m时，信道利用率从99.53%下降至99.02%，变化幅度微小，如图 5(a)所示. 但是当距离从80 m增加至100 m时，信道利用迅速下降至26.94%，如图 5(b)所示. 信道利用率发生突变的原因也与信号覆盖范围有关.
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| 图 5 距离对信道利用率的影响 Fig. 5 Effect of distance on channel utilization |
延迟和抖动的分布情况如图 6所示. 二者的分布呈多峰函数，而非正态分布. 相似的结论在文[19]中也有论述.
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| 图 6 延迟及抖动分布情况 Fig. 6 Distribution of delay and delay jitter |
延迟的分布通常由1个主峰和2～3个副峰组成. 主峰的位置取决于当时的网络拥塞状况. 抖动的分布特征与延迟相似，抖动的主峰与延迟的主峰位置相近，但抖动的副峰数量通常比延迟多，这表明抖动的变化情况比延迟的变化状况更不稳定.
3.3.2 线型网络实验(1) 场景描述. 实验场景由一个网络摄像机和多个中继站点组成，如图 7所示. 各站点之间相距10 m，以无线方式连接，视频经过多跳传回主机. 由于本实验希望测量跳数对视频传输质量的影响，因此各站点之间相距较近，可保证信号不会因距离过大而衰减，影响实验结果. 实验中，将中继站点的数量从0增加至3，即线性网络总长度从10 m增加至40 m，以测试1～4跳情况下的视频传输质量.
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| 图 7 线型网络拓扑 Fig. 7 Topology of linear network |
(2) 结果分析. 不同跳数下，线型网络的数据传输延迟和抖动变化情况如图 8所示. 二者呈现近似线性增长趋势. 原因在于： 每个中继节点需要一定的时间来接收、 处理和转发视频，总的延迟和抖动近似等于每个中继节点的延迟和抖动之和，而且总延迟和抖动随着跳数增加而累加.
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| 图 8 跳数对于延迟及抖动的影响 Fig. 8 Effect of hops on delay and delay jitter |
不同跳数下，线型网络的信道利用率如图 9所示，信道利用率呈现近似线性下降趋势. 当跳数从1增长至4时，信道利用率从99.53%下降至98.07%，下降幅度较小. 其原因是： 线型网络仅传输一路视频，独占2 Mb/s带宽，远远没有达到中继站点的传输能力上限. 因此，每个中继站点都有足够的带宽传输该视频，不存在信道拥塞问题.
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| 图 9 跳数对信道利用率的影响 Fig. 9 Effect of hops on channel utilization |
(1) 场景描述. 实验场景由多个网络摄像机和1个接入点组成，如图 10所示. 多个摄像机以正多边形的方式坐落于接入点周围，以无线方式与接入点相连，视频数据经一跳发送到接入点. 接入点与主机之间采用有线连接方式. 摄像机与接入点之间相距10 m，采用距离较近的实验方案，既可以防止信号衰减对实验结果产生影响，又可以保证6个摄像机发送的信号可以相互干扰，便于测试并发视频传输的效果. 实验中，设置多个摄像机同时发送视频数据，以模拟并发传输. 摄像机数量从1个增加至6个，测试并发数对于星型网络延迟、 抖动、 信道利用率的影响.
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| 图 10 星型网络拓扑 Fig. 10 Topology of star network |
(2) 结果分析. 并发视频传输对星型网络数据链路层延迟和抖动的影响如图 11所示. 延迟和抖动随着视频数量的增加而增加. 其中，延迟从13 ms增加至311 ms，抖动从11.75 ms增加至309.25 ms. 二者数值相近，差值在15 ms以内.
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| 图 11 并发传输对延迟及抖动的影响 Fig. 11 Effect of concurrent transmission on delay and delay jitter |
并发视频传输对星型网络信道利用率的影响如图 12所示. 信道利用率随着视频数量的增加而降低，且下降速
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| 图 12 并发传输对信道利用率的影响 Fig. 12 Effect of concurrent transmission on channel utilization |
度很快，从98.82%快速下降至45.63%，3项实验中，星型网络的并发视频传输对于延迟、 抖动、 信道利用率的影响最为显著，表明IEEE 802.11协议承受并发视频传输的能力较差，在支持多点并发传输时性能衰退严重，这是由于IEEE 802.11协议的竞争机制所造成的. 为此，本文提出的建议是： 在进行高并发无线视频传输时，网络设计者应该采用分层的方式，部署较多的接入点进行分流，以缓解信道争用带来的性能快速衰退问题.
4 结束语本文针对基于IEEE 802.11的WMSN的视频并发传输性能进行了建模与实验分析. 利用排队论和概率论原理建立了数据链路层延迟模型，并实验测试了典型WMSN拓扑结构(点对点网络、 线型网络及星型网络)下的视频传输质量. 实验结果表明，目前的IEEE 802.11协议不适合多路视频并发传输，亟待开展相关专属协议的开发工作. 下一步将设计适合高并发无线视频传输的MAC协议，以满足视频用户的需求.
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