基于NS-2的無線網絡視頻QoS平臺的實現

1 引言
??? 隨著無線網絡技術的飛速發展，無線多媒體通信的業務量將遠遠超過傳統業務。視頻業務，特別是實時視頻業務將是未來無線網絡業務的主體，因此面向無線網絡的視頻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，由于網絡的復雜性和經濟條件的制約，網絡仿真技術非常重要。網絡仿真技術通過建立網絡設備和網絡鏈路的統計模型，并模擬網絡流量的傳輸，從而獲取網絡設計或優化所需的網絡性能數據。
??? 在分析EvalVid 工具集的基礎上，結合NS技術，提出一種利用NS-2建立無線網絡中圖像QoS研究仿真平臺的方法。NS支持的協議廣泛，采用開放的體系結構，用戶很容易根據需求開發新的協議，因此使用NS針對具體的無線視頻業務研究網絡傳輸策略及其傳輸性能非常合適。

2 網絡視頻的QoS研究
??? Jirka Klaue給出統一評價視頻傳輸質量的框架和工具集一EvalVid。EvalVid具有模塊化結構，可在所用的的視頻編碼策略下，通過trace文件實現網絡之間的交互作用，很容易在任何網絡環境下使用。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網絡的傳輸，編碼策略可采用MPEG，H．261等。
??? (3)視頻發送器 VS從編碼的視頻文件中產生trace文件，即視頻trace文件和發送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絡環境中經UDP分組傳輸。發送trace文件記錄每個傳輸的UDP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文件和發送trace文件在隨后的視頻質量評估中使用。
??? (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)重建視頻數字視頻質量的評價通過逐幀比較實現。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處理。
??? (6)主觀和客觀質量評價(PSNR、MOS)主觀質量評價直接反映人眼的感覺，是相對較為準確的圖像質量評價方法。常用的指標是基于5級質量制或5級損傷制的平均意見分(MOS分)。視頻圖像質量的客觀評價通過某些數學準則衡量，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；x(i,j)和x'(i,j)是原始像素和重構像素在(i，j)點的亮度或色度值。
??? Chih-Heng Ke等將EvalVid和NS-2結合，給出視頻流質量評估的新工具集。NS-2和EvalVid的結合通過3個連接模擬代理實現，即MyTrafficTrace，MyUDP和MyUDPSink。設計這些接口既要讀取視頻trace文件，又要產生視頻傳輸質量評估用的數據。
??? 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，并在適當的時間發送這些分段至低層UDP，發送時間由用戶在模擬描述文件中設定。
??? MyUDP是UDP代理的延伸。此新代理允許用戶指定發送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代理的任務對應于在真實網絡環境中的cp-dump或win-dump工具的任務。MyUDPSink是接收代理，接收MyUDP發送的視頻幀分組，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。在此基礎上擴展，提出一種適合無線視頻傳輸的質量評價體系。

3 基于NS-2的無線網絡視頻QoS平臺實現
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絡仿真，擴展后的無線模塊還支持無線和有線網絡聯合仿真以及移動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網絡和無線局域網仿真。MobileNode由基本Node增加無線和移動節點所需功能，可在OTCL中設定其各種網絡構件，如鏈路層(LL)、連接到LL上的ARP模塊、接口隊列(ifql、ifqlen)MAC層和網絡接口等。移動節點通過網絡接口連接到無線信道上。目前MobileNode支持的ad-hoc路由協議包括DSVD、DSR、TORA和AODV。
3．2 無線網絡視頻仿真的過程
??? 由于在視頻傳輸的仿真中，需在網絡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絡元素，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對網絡元素編程，將其提出的策略加到網絡元素中，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信息，編寫程序產生傳輸用的trace文件。trace文件的格式為<分組序號，時間戳，分組大小>。

?(2)根據所研究的真實網絡的特性，設置物理層(MAC層)的基本屬性；建立各種節點并配置其參數，設定節點的運動特性；配置網絡拓樸結構，確定鏈路的基本特性，如延遲、帶寬和選擇策略等。
??? (3)建立協議代理，將協議代理綁定到相應的節點上，建立代理之間的連接；確定網絡上的業務量分布，將視頻業務量和各種背景業務量綁定到相應的協議代理上。
??? (4)設置Trace對象。Trace對象把仿真過程中發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，設定仿真結束時間，至此OTcl腳本編寫完成。用NS-2解釋執行已編寫的OTcl腳本。
??? (6)分析trace文件，得出所需的數據。也可用Nam等工具觀看網絡仿真運行過程。根據trace文件判斷編碼產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行解碼，從主觀和客觀上可觀察視頻的傳輸質量。

4 應用分析
??? 圖2是進行實例分析的視頻傳輸系統結構示意圖，視頻攝像產生視頻文件，通過發送節點傳輸到接收節點，中間通過無線接入點AP1和AP2；發送節點還帶有一個CBR流發生器，經中間節點AP1和AP2向接收節點發送，作為影響視頻傳輸的背景流。設置CBR流使用UDP協議，速率為512 Kb／s。AP1和AP2之間的帶寬為0．5 Kb／s。AP和移動節點之間的鏈路為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中運行仿真，產生一個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視頻質量。在無線網絡中，視頻流的傳輸受CBR流的影響，產生丟包現象，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幀視頻的質量，右邊幀為沒有CBR背景流的情況，圖像質量基本正常，左邊幀出現馬賽克表明圖像出現失真。

5 結論
??? 本文選取NS-2網絡模擬器作為仿真環境，設計并實現一個無線視頻QoS分析的試驗平臺。提出視頻QoS分析對于試驗平臺的需求，分析全部的實現過程后。通過實例進行論證。對于需要在NS中加入新的視頻傳輸協議模塊的仿真試驗，可以應用該實驗平臺，分析和驗證協議的有效性。通過試驗證明，所提出的方案完全可行。根據結果視頻文件直觀評價網絡性能，便捷反映實際網絡的運行狀態，可大大增強仿真結果的可靠性，對于復雜網絡拓撲及相關協議設計與研究具有重要意義。