基于NS-2的無線網(wǎng)絡(luò)視頻QoS平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

1 引言
??? 隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，無線多媒體通信的業(yè)務(wù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)業(yè)務(wù)。視頻業(yè)務(wù)，特別是實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)將是未來無線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的主體，因此面向無線網(wǎng)絡(luò)的視頻QoS保障問題成為新的研究熱點(diǎn)。在QoS保障機(jī)制的研究過程中，由于網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和經(jīng)濟(jì)條件的制約，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)非常重要。網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)通過建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路的統(tǒng)計(jì)模型，并模擬網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸，從而獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)或優(yōu)化所需的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)。
??? 在分析EvalVid 工具集的基礎(chǔ)上，結(jié)合NS技術(shù)，提出一種利用NS-2建立無線網(wǎng)絡(luò)中圖像QoS研究仿真平臺(tái)的方法。NS支持的協(xié)議廣泛，采用開放的體系結(jié)構(gòu)，用戶很容易根據(jù)需求開發(fā)新的協(xié)議，因此使用NS針對具體的無線視頻業(yè)務(wù)研究網(wǎng)絡(luò)傳輸策略及其傳輸性能非常合適。

2 網(wǎng)絡(luò)視頻的QoS研究
??? Jirka Klaue給出統(tǒng)一評價(jià)視頻傳輸質(zhì)量的框架和工具集一EvalVid。EvalVid具有模塊化結(jié)構(gòu)，可在所用的的視頻編碼策略下，通過trace文件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的交互作用，很容易在任何網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使用。EvalVid評估框架如圖1所示。

??? (1)信源視頻信源可能是QCIF(176×144)或CIF(352×288)格式的YUV視頻信息。
??? (2)視頻編碼器和解碼器用來對YUV視頻進(jìn)行編解碼以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸，編碼策略可采用MPEG，H．261等。
??? (3)視頻發(fā)送器 VS從編碼的視頻文件中產(chǎn)生trace文件，即視頻trace文件和發(fā)送trace文件。VS讀取視頻編碼器輸出的視頻壓縮文件，將大視頻幀分成較小的分段以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中經(jīng)UDP分組傳輸。發(fā)送trace文件記錄每個(gè)傳輸?shù)腢DP分組時(shí)間戳，分組id和分組負(fù)載大小。視頻trace文件記錄視頻文件中每個(gè)幀的信息。視頻trace文件和發(fā)送trace文件在隨后的視頻質(zhì)量評估中使用。
??? (4)評價(jià)trace利用原始編碼視頻文件、視頻trace文件、發(fā)送trace文件和接收trace文件中記錄的分組時(shí)間戳、分組id和分組載荷大小等信息，ET產(chǎn)生一個(gè)幀／分組丟失、幀／分組延時(shí)抖動(dòng)報(bào)告和一個(gè)重建的視頻文件。
??? (5)重建視頻數(shù)字視頻質(zhì)量的評價(jià)通過逐幀比較實(shí)現(xiàn)。如果選用的編解碼器不能處理丟失的幀，則通過插入最近成功解碼的幀代替每一個(gè)丟失的幀的錯(cuò)誤隱藏技術(shù)處理。
??? (6)主觀和客觀質(zhì)量評價(jià)(PSNR、MOS)主觀質(zhì)量評價(jià)直接反映人眼的感覺，是相對較為準(zhǔn)確的圖像質(zhì)量評價(jià)方法。常用的指標(biāo)是基于5級(jí)質(zhì)量制或5級(jí)損傷制的平均意見分(MOS分)。視頻圖像質(zhì)量的客觀評價(jià)通過某些數(shù)學(xué)準(zhǔn)則衡量，常用峰一峰信噪比(PSNR)。其定義如下：
???
式中，M和N是視頻幀的寬度和高度的維數(shù)；x(i,j)和x'(i,j)是原始像素和重構(gòu)像素在(i，j)點(diǎn)的亮度或色度值。
??? Chih-Heng Ke等將EvalVid和NS-2結(jié)合，給出視頻流質(zhì)量評估的新工具集。NS-2和EvalVid的結(jié)合通過3個(gè)連接模擬代理實(shí)現(xiàn)，即MyTrafficTrace，MyUDP和MyUDPSink。設(shè)計(jì)這些接口既要讀取視頻trace文件，又要產(chǎn)生視頻傳輸質(zhì)量評估用的數(shù)據(jù)。
??? MyTrafficTrace代理從VS的輸出文件中提取視頻trace文件的幀類型和幀大小。此外該代理將視頻幀分割成小的分段，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間發(fā)送這些分段至低層UDP，發(fā)送時(shí)間由用戶在模擬描述文件中設(shè)定。
??? MyUDP是UDP代理的延伸。此新代理允許用戶指定發(fā)送trace的輸出文件名。它記錄每個(gè)傳輸分組的時(shí)間戳，分組id和分組大小。
??? MyUDP代理的任務(wù)對應(yīng)于在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的cp-dump或win-dump工具的任務(wù)。MyUDPSink是接收代理，接收MyUDP發(fā)送的視頻幀分組，此代理也在用戶指定的文件中記錄每個(gè)接收分組的時(shí)間戳、分組id和負(fù)載大小。在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展，提出一種適合無線視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量評價(jià)體系。

3 基于NS-2的無線網(wǎng)絡(luò)視頻QoS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)
3．1 NS-2中的無線模塊
??? NS中的無線模塊最初由CMU的Monarch 工作組引入到NS。由CMU／Monarch引入的無線模塊可進(jìn)行純無線網(wǎng)絡(luò)仿真，擴(kuò)展后的無線模塊還支持無線和有線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合仿真以及移動(dòng)IP。還有一些其他無線模塊可在NS-2中使用，包括Blueware，Blue2Hoc，Mobiwan，GPRS，CIMS等。無線模塊以MobileNode為基本核心，并通過一些附加特性以支持多跳Adhoc網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)仿真。MobileNode由基本Node增加無線和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所需功能，可在OTCL中設(shè)定其各種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件，如鏈路層(LL)、連接到LL上的ARP模塊、接口隊(duì)列(ifql、ifqlen)MAC層和網(wǎng)絡(luò)接口等。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)接口連接到無線信道上。目前MobileNode支持的ad-hoc路由協(xié)議包括DSVD、DSR、TORA和AODV。
3．2 無線網(wǎng)絡(luò)視頻仿真的過程
??? 由于在視頻傳輸?shù)姆抡嬷校柙诰W(wǎng)絡(luò)中傳輸真實(shí)的視頻碼流，兇此必須擴(kuò)展并修改NS-2，添加視頻傳輸仿真過程所需的網(wǎng)絡(luò)元素，包括代理，即MyTrafficTrace、MyUDP和MyUDPSink。如果研究者要驗(yàn)證其提出的傳輸策略，則需使用C++和OTcl對網(wǎng)絡(luò)元素編程，將其提出的策略加到網(wǎng)絡(luò)元素中，然后重新編譯NS。在完成對NS-2的擴(kuò)展后，就可利用NS進(jìn)行仿真。過程如下：
??? (1)利用選定的視頻編碼器對原始視頻編碼，并從中提取視頻分組的相關(guān)信息，編寫程序產(chǎn)生傳輸用的trace文件。trace文件的格式為<分組序號(hào)，時(shí)間戳，分組大小>。

?(2)根據(jù)所研究的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的特性，設(shè)置物理層(MAC層)的基本屬性；建立各種節(jié)點(diǎn)并配置其參數(shù)，設(shè)定節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性；配置網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)，確定鏈路的基本特性，如延遲、帶寬和選擇策略等。
??? (3)建立協(xié)議代理，將協(xié)議代理綁定到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，建立代理之間的連接；確定網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)量分布，將視頻業(yè)務(wù)量和各種背景業(yè)務(wù)量綁定到相應(yīng)的協(xié)議代理上。
??? (4)設(shè)置Trace對象。Trace對象把仿真過程中發(fā)生的特定類型事件記錄在trace文件中。NS-2通過trace文件保存整個(gè)仿真過程。仿真完成后，可以分析研究trace文件。
??? (5)編寫其他輔助過程，設(shè)定仿真結(jié)束時(shí)間，至此OTcl腳本編寫完成。用NS-2解釋執(zhí)行已編寫的OTcl腳本。
??? (6)分析trace文件，得出所需的數(shù)據(jù)。也可用Nam等工具觀看網(wǎng)絡(luò)仿真運(yùn)行過程。根據(jù)trace文件判斷編碼產(chǎn)生的壓縮視頻分組流中哪些分組要在傳輸過程中丟失。基于該方法，可以從壓縮視頻文件中丟棄傳輸丟失的分組，從而產(chǎn)生新的傳輸后的視頻壓縮文件。
??? (7)利用視頻解碼器對傳輸后的視頻壓縮文件進(jìn)行解碼，從主觀和客觀上可觀察視頻的傳輸質(zhì)量。

4 應(yīng)用分析
??? 圖2是進(jìn)行實(shí)例分析的視頻傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，視頻攝像產(chǎn)生視頻文件，通過發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)浇邮展?jié)點(diǎn)，中間通過無線接入點(diǎn)AP1和AP2；發(fā)送節(jié)點(diǎn)還帶有一個(gè)CBR流發(fā)生器，經(jīng)中間節(jié)點(diǎn)AP1和AP2向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送，作為影響視頻傳輸?shù)谋尘傲鳌ＴO(shè)置CBR流使用UDP協(xié)議，速率為512 Kb／s。AP1和AP2之間的帶寬為0．5 Kb／s。AP和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的鏈路為1 Mb／s的IEEE802．11b。使用100幀的圖像測試序列foreman_cif．yuv，利用MPEG4編解碼器編寫仿真腳本文件，在NS中運(yùn)行仿真，產(chǎn)生一個(gè)trace文件。

??? 利用視頻壓縮文件和trace文件編寫分析程序，從視頻壓縮文件中將由于丟包所丟失的分組去掉，得到新的壓縮視頻文件，解碼后可從主觀和客觀評價(jià)視頻質(zhì)量。在無線網(wǎng)絡(luò)中，視頻流的傳輸受CBR流的影響，產(chǎn)生丟包現(xiàn)象，造成視頻圖像失真，圖3中的b2．dat和n2．dat分別展示有無CBR背景流存在的情況下視頻序列的PSNR，表明CBR流的存在使視頻質(zhì)量急劇惡化。

??? 圖4從主觀角度對比兩種情況下第74幀視頻的質(zhì)量，右邊幀為沒有CBR背景流的情況，圖像質(zhì)量基本正常，左邊幀出現(xiàn)馬賽克表明圖像出現(xiàn)失真。

5 結(jié)論
??? 本文選取NS-2網(wǎng)絡(luò)模擬器作為仿真環(huán)境，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)無線視頻QoS分析的試驗(yàn)平臺(tái)。提出視頻QoS分析對于試驗(yàn)平臺(tái)的需求，分析全部的實(shí)現(xiàn)過程后。通過實(shí)例進(jìn)行論證。對于需要在NS中加入新的視頻傳輸協(xié)議模塊的仿真試驗(yàn)，可以應(yīng)用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析和驗(yàn)證協(xié)議的有效性。通過試驗(yàn)證明，所提出的方案完全可行。根據(jù)結(jié)果視頻文件直觀評價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能，便捷反映實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，可大大增強(qiáng)仿真結(jié)果的可靠性，對于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼跋嚓P(guān)協(xié)議設(shè)計(jì)與研究具有重要意義。