基于NS-2的無線網(wǎng)絡(luò)視頻QoS平臺的實現(xiàn)
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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)量將遠遠超過傳統(tǒng)業(yè)務(wù)。視頻業(yè)務(wù)，特別是實時視頻業(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。在QoS保障機制的研究過程中，由于網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和經(jīng)濟條件的制約，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文件記錄每個傳輸?shù)腢DP分組時間戳，分組id和分組負載大小。視頻trace文件記錄視頻文件中每個幀的信息。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間戳、分組id和分組載荷大小等信息，ET產(chǎn)生一個幀／分組丟失、幀／分組延時抖動報告和一個重建的視頻文件。
(5)重建視頻數(shù)字視頻質(zhì)量的評價通過逐幀比較實現(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丟失的幀的錯誤隱藏技術(shù)處理。
(6)主觀和客觀質(zhì)量評價(PSNR、MOS)主觀質(zhì)量評價直接反映人眼的感覺，是相對較為準確的圖像質(zhì)量評價方法。常用的指標是基于5級質(zhì)量制或5級損傷制的平均意見分(MOS分)。視頻圖像質(zhì)量的客觀評價通過某些數(shù)學(xué)準則衡量，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個連接模擬代理實現(xiàn)，即MyTrafficTrace，MyUDP和MyUDPSink。設(shè)計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間發(fā)送這些分段至低層UDP，發(fā)送時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。它記錄每個傳輸分組的時間戳，分組id和分組大小。
MyUDP代理的任務(wù)對應(yīng)于在真實網(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接收分組的時間戳、分組id和負載大小。在此基礎(chǔ)上擴展，提出一種適合無線視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量評價體系。
3 基于NS-2的無線網(wǎng)絡(luò)視頻QoS平臺實現(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行純無線網(wǎng)絡(luò)仿真，擴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增加無線和移動節(jié)點所需功能，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、接口隊列(ifql、ifqlen)MAC層和網(wǎng)絡(luò)接口等。移動節(jié)點通過網(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)中傳輸真實的視頻碼流，兇此必須擴展并修改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的擴展后，就可利用NS進行仿真。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，時間戳，分組大小>。
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