基于无线多跳网络的混合路由视频传输技术介绍

1 引言：

无线多跳网络是无线自组网、无线网状网、无线传感器网络的总称。基于无线多跳网络上的视频传输已得到了广泛关注和研究，但所依赖的底层路由协议基本上是传统路由协议(如AODV，DSDV 等)。近年来底层的路由协议有了新发展，文献[2]首次提出一种性能更好、被称作机会路由的协议ExOR(Extremely OpportuniSTic Routing)。

传统的无线多跳网络路由协议基本思路没有脱离有线网络，将节点之间人为地规定是否存在链路，并根据某种路由度量准则，选择最好的路由。而机会路由协议认为无线电波的本质是广播的，利用广播性质所带来的增益，通过节点间的协作，获得了高于传统路由的带宽。因此，从直观上， 利用机会路由作为支持视频传输的底层路由协议会取得比传统路由协议更好的性能， 但是机会路由为了获得这种增益而采取的调度机制在传输实时视频时会产生丢失部分I 帧的严重问题， 使得视频传输的稳定性受到严重影响。

针对此问题， 笔者提出一种综合利用传统路由和机会路由进行实时视频传输的跨层设计方法。

2 机会路由简介：

传统的无线多跳网络的路由协议和有线网络中的路由协议十分相似， 即在源节点和目的节点之间寻找1 组点形成1 条最优的路由，然后各节点依次转发数据。路由上各个节点之间被人为地认为有1 条链路存在， 因此并未有效利用无线电波的广播特性。

图1 机会路由原理演示图

如图1，假设源节点到4 个中间节点n1，n2，n3，n4 的链路质量较差， 且都是数据包发送1 次只有25%的概率可以收到， 节点n1，n2，n3，n4 到目的节点的链路质量很好，且都是数据包发送1 次100%的概率可以收到。那么，按照传统的路由机制， 会从4 个中间节点选择1 个最优的作为中继节点，由于4 个中间节点链路状况一样，则会随机选1 个节点作为路由转发节点，比如n2。这样，数据包会沿着源节点、n2、目的节点这条路由进行转发，那么1个数据包通过这条路由平均传送次数期望ETX(ExpectedTransmissiON Count)为1/0.25+1=5。而由于无线电波的广播特性， 源节点向n2 发送数据时，n1，n3，n4 也会收到一部分包。有些数据包n2 没有收到，但n1 可能恰好收到。有些数据包n1，n2 都没有收到，但n3 可能收到了。可以不必确定哪个节点是中继节点， 只要目的节点有数据包没有收到，那么任何1 个中继节点只要有这个包，都可以传给目的节点。假设n1，n2，n3，n4 收到包的概率相互独立， 经过计算1 个数据包的平均传送次数期望为1/(1-(1-0.25)4)+1≈2.5。这里，充分利用无线电波的广播特性可以获得1 倍的增益。随着网络拓扑的不同，ExOR 所获得的增益也不同，文献[2]实验结果表明ExOR 端到端的平均吞吐量是传统路由协议(AODV)的3 倍。

虽然ExOR 带宽利用效率和端到端吞吐量优势明显，但也存在不足之处，尤其在支持实时视频传输时显得更加明显，主要体现在以下3 点：

1) ExOR 路由算法内在地利用了无线通信的随机性，因此其传输调度算法对每个数据包都是公平的，而视频传输的特点就是不同数据包重要性不同， 因此两者存在一定的矛盾。

2) ExOR 成批发送，会造成一定程度的延迟。

3) ExOR 没有链路级的差错重传机制，最后几个数据包所需传输时间较长，在实时视频传输中，会导致部分关键帧数据包的丢失。

3 混合路由视频传输：

对于某些实时视频传输， 例如视频转播， 有如下特点：对实时性要求较高，系统可以允许一定的延时，但希望视频尽量是连续的，抖动较小，同时在保证传输的情况下视频质量尽量高。由于机会路由在端到端吞吐量上与传统路由相比， 有着明显的优势， 因此， 可以期望利用ExOR 进行实时视频传输取得比传统路由更优的性能。

在设计具体方案时，以下几点是必须予以考虑：

1) 由于ExOR 需要将数据包成批发送，因此视频的延迟将直接和数据包数量的多少相关。每批次的数据包越多，延迟越大;数据包越少，延迟越小。

2) ExOR 的性能和每批包的数量相关，文献[3]研究结果表明，每批包的数量越多，ExOR 的平均端到端吞吐量越高，但数量高于20 个后，数量增加对端到端吞吐量提升效果不明显。

3) 视频的参数选择需要考虑到I 帧的数量，如果I帧过多，会影响压缩效率，如果I 帧过少，会影响视频解码质量。

4) 视频播放时，I 帧的丢失是不可容忍的，因此要尽量保证播放时I 帧的数据已收到。

综合以上几点，选择1 个合适的编码参数，若每T s1 个I 帧，则将每T s 的数据作为一个批次发送。若传输延迟为t s，则初始延迟为(T+t) s。此后为保证视频播放的实时性和流畅性，无论每批次在T s 内是否传送完毕，