1 引言：

　　無線多跳網(wǎng)絡是無線自組網(wǎng)、無線網(wǎng)狀網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡的總稱?；跓o線多跳網(wǎng)絡上的視頻傳輸已得到了廣泛關注和研究，但所依賴的底層路由協(xié)議基本上是傳統(tǒng)路由協(xié)議(如AODV，DSDV 等)。近年來底層的路由協(xié)議有了新發(fā)展，文獻[2]首次提出一種性能更好、被稱作機會路由的協(xié)議ExOR(Extremely OpportuniSTic Routing)。

　　傳統(tǒng)的無線多跳網(wǎng)絡路由協(xié)議基本思路沒有脫離有線網(wǎng)絡，將節(jié)點之間人為地規(guī)定是否存在鏈路，并根據(jù)某種路由度量準則，選擇最好的路由。而機會路由協(xié)議認為無線電波的本質(zhì)是廣播的，利用廣播性質(zhì)所帶來的增益，通過節(jié)點間的協(xié)作，獲得了高于傳統(tǒng)路由的帶寬。因此，從直觀上， 利用機會路由作為支持視頻傳輸?shù)牡讓勇酚蓞f(xié)議會取得比傳統(tǒng)路由協(xié)議更好的性能， 但是機會路由為了獲得這種增益而采取的調(diào)度機制在傳輸實時視頻時會產(chǎn)生丟失部分I 幀的嚴重問題， 使得視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性受到嚴重影響。

　　針對此問題， 筆者提出一種綜合利用傳統(tǒng)路由和機會路由進行實時視頻傳輸?shù)目鐚釉O計方法。

　　2 機會路由簡介：

　　傳統(tǒng)的無線多跳網(wǎng)絡的路由協(xié)議和有線網(wǎng)絡中的路由協(xié)議十分相似， 即在源節(jié)點和目的節(jié)點之間尋找1 組點形成1 條最優(yōu)的路由，然后各節(jié)點依次轉發(fā)數(shù)據(jù)。路由上各個節(jié)點之間被人為地認為有1 條鏈路存在， 因此并未有效利用無線電波的廣播特性。

　　圖1 機會路由原理演示圖

　　如圖1，假設源節(jié)點到4 個中間節(jié)點n1，n2，n3，n4 的鏈路質(zhì)量較差， 且都是數(shù)據(jù)包發(fā)送1 次只有25%的概率可以收到， 節(jié)點n1，n2，n3，n4 到目的節(jié)點的鏈路質(zhì)量很好，且都是數(shù)據(jù)包發(fā)送1 次100%的概率可以收到。那么，按照傳統(tǒng)的路由機制， 會從4 個中間節(jié)點選擇1 個最優(yōu)的作為中繼節(jié)點，由于4 個中間節(jié)點鏈路狀況一樣，則會隨機選1 個節(jié)點作為路由轉發(fā)節(jié)點，比如n2。這樣，數(shù)據(jù)包會沿著源節(jié)點、n2、目的節(jié)點這條路由進行轉發(fā)，那么1個數(shù)據(jù)包通過這條路由平均傳送次數(shù)期望ETX(ExpectedTransmissiON Count)為1/0.25+1=5。而由于無線電波的廣播特性， 源節(jié)點向n2 發(fā)送數(shù)據(jù)時，n1，n3，n4 也會收到一部分包。有些數(shù)據(jù)包n2 沒有收到，但n1 可能恰好收到。有些數(shù)據(jù)包n1，n2 都沒有收到，但n3 可能收到了。可以不必確定哪個節(jié)點是中繼節(jié)點， 只要目的節(jié)點有數(shù)據(jù)包沒有收到，那么任何1 個中繼節(jié)點只要有這個包，都可以傳給目的節(jié)點。假設n1，n2，n3，n4 收到包的概率相互獨立， 經(jīng)過計算1 個數(shù)據(jù)包的平均傳送次數(shù)期望為1/(1-(1-0.25)4)+1≈2.5。這里，充分利用無線電波的廣播特性可以獲得1 倍的增益。隨著網(wǎng)絡拓撲的不同，ExOR 所獲得的增益也不同，文獻[2]實驗結果表明ExOR 端到端的平均吞吐量是傳統(tǒng)路由協(xié)議(AODV)的3 倍。

　　雖然ExOR 帶寬利用效率和端到端吞吐量優(yōu)勢明顯，但也存在不足之處，尤其在支持實時視頻傳輸時顯得更加明顯，主要體現(xiàn)在以下3 點：

　　1) ExOR 路由算法內(nèi)在地利用了無線通信的隨機性，因此其傳輸調(diào)度算法對每個數(shù)據(jù)包都是公平的，而視頻傳輸?shù)奶攸c就是不同數(shù)據(jù)包重要性不同， 因此兩者存在一定的矛盾。

　　2) ExOR 成批發(fā)送，會造成一定程度的延遲。

　　3) ExOR 沒有鏈路級的差錯重傳機制，最后幾個數(shù)據(jù)包所需傳輸時間較長，在實時視頻傳輸中，會導致部分關鍵幀數(shù)據(jù)包的丟失。

　　3 混合路由視頻傳輸：

　　對于某些實時視頻傳輸， 例如視頻轉播， 有如下特點：對實時性要求較高，系統(tǒng)可以允許一定的延時，但希望視頻盡量是連續(xù)的，抖動較小，同時在保證傳輸?shù)那闆r下視頻質(zhì)量盡量高。由于機會路由在端到端吞吐量上與傳統(tǒng)路由相比， 有著明顯的優(yōu)勢， 因此， 可以期望利用ExOR 進行實時視頻傳輸取得比傳統(tǒng)路由更優(yōu)的性能。

　　在設計具體方案時，以下幾點是必須予以考慮：

　　1) 由于ExOR 需要將數(shù)據(jù)包成批發(fā)送，因此視頻的延遲將直接和數(shù)據(jù)包數(shù)量的多少相關。每批次的數(shù)據(jù)包越多，延遲越大;數(shù)據(jù)包越少，延遲越小。

　　2) ExOR 的性能和每批包的數(shù)量相關，文獻[3]研究結果表明，每批包的數(shù)量越多，ExOR 的平均端到端吞吐量越高，但數(shù)量高于20 個后，數(shù)量增加對端到端吞吐量提升效果不明顯。

　　3) 視頻的參數(shù)選擇需要考慮到I 幀的數(shù)量，如果I幀過多，會影響壓縮效率，如果I 幀過少，會影響視頻解碼質(zhì)量。

　　4) 視頻播放時，I 幀的丟失是不可容忍的，因此要盡量保證播放時I 幀的數(shù)據(jù)已收到。

　　綜合以上幾點，選擇1 個合適的編碼參數(shù)，若每T s1 個I 幀，則將每T s 的數(shù)據(jù)作為一個批次發(fā)送。若傳輸延遲為t s，則初始延遲為(T+t) s。此后為保證視頻播放的實時性和流暢性，無論每批次在T s 內(nèi)是否傳送完畢，都應停止當前批次的發(fā)送，及時啟動下一批次的發(fā)送。在每批次中，視頻幀的打包應遵循IETF 相關標準[4]規(guī)定。即每一個數(shù)據(jù)包的長度應滿足不超過MTU (Maximum TransmissionUnit，最大傳輸單元,一般為1 500 byte)的條件，每個P 幀單獨組成1 個數(shù)據(jù)包，I 幀在每個限制長度內(nèi)組成1 個包， 不足的部分單獨組成1 個包。如果只利用ExOR 傳輸數(shù)據(jù)，由于無線多跳網(wǎng)絡本身的隨機性和不穩(wěn)定性以及ExOR 最后幾個包的傳輸延遲較大， 并不一定能保證每T s 的數(shù)據(jù)都能在T s 內(nèi)傳輸完畢。這樣就會造成某些批次最后幾個數(shù)據(jù)包的丟失。而ExOR 調(diào)度機制本身決定了這最后幾個數(shù)據(jù)包是隨機的， 如果丟掉的恰好是I 幀的數(shù)據(jù)包，造成I 幀的丟失，就會導致這T s 的視頻無法播放， 從而造成視頻觀看的不連續(xù)性和主觀收看質(zhì)量的下降。因此，不能簡單地將ExOR 直接用于視頻傳輸，必須根據(jù)視頻傳輸?shù)奶厥庑宰鱿鄳卣{(diào)整。

　　視頻傳輸與一般數(shù)據(jù)傳輸所不同， 其特殊性之一就在于視頻傳輸中數(shù)據(jù)包的重要性是不同的[5]。關鍵幀I 幀是重要的，一般要盡量保證I 幀傳輸?shù)目煽啃?。因? 個I 幀將影響并決定其后數(shù)個P 幀的解碼，1 個I 幀的丟失將導致2 個I 幀之間的視頻無法播放或視頻質(zhì)量急劇下降。而P 幀是非關鍵幀，丟失個別P 幀對視頻質(zhì)量影響不大，一般來說，P 幀只是盡量傳輸，并不進行差錯重傳。因此，必須根據(jù)數(shù)據(jù)包重要性的不同進行相應處理。對于I幀，應保證無差錯地傳輸，而對于P 幀，盡力保證一定時間內(nèi)盡量多的傳送。同時，傳統(tǒng)路由雖然傳輸速率不如機會路由， 但是傳統(tǒng)路由網(wǎng)絡結構清晰， 并且無須成批發(fā)送，配合差錯重傳會使得某些特定數(shù)據(jù)傳輸更有保障。所以，對于實時視頻傳輸，可以利用傳統(tǒng)路由對I 幀的數(shù)據(jù)包進行差錯重傳， 而對P 幀的數(shù)據(jù)包用機會路由進行盡力傳輸。這樣，就同時利用了2 種路由的優(yōu)點根據(jù)不同數(shù)據(jù)包的性質(zhì)選擇相應合適的路由協(xié)議進行傳輸， 并且解決了I 幀丟失的問題。

　　4 實驗結果分析：

　　為了對算法進行驗證， 在Windows 平臺下利用C/C++語言編寫了無線多跳網(wǎng)絡仿真程序，實 現(xiàn)了傳統(tǒng)路由(AODV)[6]、機會路由(ExOR)、混合路由3 種協(xié)議。無線網(wǎng)絡參數(shù)基于802.11 b，網(wǎng)絡拓撲如圖2 所示，A 為源節(jié)點，E 為目標節(jié)點。視頻采用MPEG-4 標準，每秒25 幀，其中有1 幀為I 幀，視頻碼率為220 Kbit/s。為了對3 種方法進行公平的比較，采用以下方法：1)傳統(tǒng)路由對I 幀進行差錯重傳。2)每1 s 的視頻作為一個批次發(fā)送，為了保證視頻的連續(xù)性，每1 s 時間到時,無論當前批次的數(shù)據(jù)包是否傳送完畢，都開始下個批次的傳送。3)用報文投遞率(PDR)來衡量效果，考慮到視頻數(shù)據(jù)的特殊性，規(guī)定若I幀沒有收到，由于其他P 幀無法解碼，則報文投遞率為0，即當前1 s 的數(shù)據(jù)丟失;若I 幀收到，報文投遞率為收到幀數(shù)/總幀數(shù)。

　　圖2 實驗仿真網(wǎng)絡拓撲圖(直線上的數(shù)字是鏈路分組傳遞率)

　　實驗結果如圖3 所示， 傳統(tǒng)路由雖然可以保障I 幀的傳送，但由于端到端吞吐量較差，因此總的報文投遞率較低，影響視頻收看質(zhì)量。機會路由端到端吞吐量高，報文平均投遞率高，但由于內(nèi)在的調(diào)度機制使得某些時間I幀丟失，導致視頻無法播放，影響了視頻播放的連續(xù)性。

　　圖3 3 種方式傳輸視頻結果比較

　　而混合路由的平均報文投遞率遠高于傳統(tǒng)路由， 與機會路由相差不多，但可以有效減少I 幀的丟失，保障了視頻播放的連續(xù)性。

　　5 小結：

　　無線多跳網(wǎng)絡中機會路由的端到端吞吐量遠高于傳統(tǒng)路由，但由于機會路由內(nèi)在的調(diào)度機制，單獨利用機會路由傳輸視頻會產(chǎn)生I 幀丟失的問題， 并嚴重影響視頻傳輸質(zhì)量。筆者提出了一種將I 幀和P 幀分別利用傳統(tǒng)路由和機會路由傳輸?shù)姆椒ǎ?獲得較高的報文投遞率并降低了I 幀的丟失率， 取得了比單獨利用傳統(tǒng)路由或機會路由更好的性能。