专利名称：一种基于路由代理的媒体感知arq控制方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线网络通信技术，尤其涉及一种基于路由代理的有线-无线异构网 络的媒体感知自动重传请求(Automatic Repeat Request, ARQ)的控制方法及系统。
背景技术：
无线宽带网络和hternet的迅猛发展和应用为网络多媒体传输技术的发展提供 了强大的市场动力，基于有线-无线异构网络的无线流媒体业务正变得日益流行。从端系 统对流媒体的服务质量(QoQ保障技术进行改进是最直接的手段，但并不是最有效的。目 前，网络QoS保障机制的研究已成为研究热点之一，这对网络视频业务的大规模商业应用 提供了一大契机。在网络视频业务传输中，视频数据一般是以实时传输协议(RTP)/用户数 据报协议(UDP)/网际网协议(IP)的方式进行传输，如何对视频数据的丢包进行保护将影 响到接收端的视频播放质量。在有线-无线异构网络中存在着两种丢包类型，一种是无线 链路的随机比特误码导致随机丢包，另一种是拥塞导致的连续丢包。一般来说，在媒体接入 控制(Medium Access Control, MAC)层采用ARQ机制减少丢包，而采用主动队列管理算法 来处理队列拥塞，来保证关键数据的高服务质量和避免无效的视频分组传输，是一种提高 视频传输质量的有效解决方案。但过多的数据包重传可能会增加端到端传输延时，从而影 响视频通信的实时性要求，所以需要在视频播放质量和实时性之间寻求最佳折中。现有技 术中有三种方案用于实现上述目的，分别为方案一，MAC层ARQ方案，该方案中，发送端发送数据包给接收端。当接收端正确 接收到此数据包后将反馈一个表征成功的ACK包给发送端，否则接收端将不会反馈此ACK 包。发送端在发送数据包时启动的定时器在超过设定的时间内没有收到ACK包后则启动超 时重传此数据包。当重传后的数据包成功接收后将反馈ACK，此时发送端才开始发送下一个 数据包。如果仍没有收到ACK包，则发送端仍然重传直到最大重传次数才结束重传过程和 开始发送下一个数据包。此方案能有效的对无线链路的随机丢包进行保护。但是此方案的 ACK包比较多(与发送的数据包相同，将占用带宽资源)，此外其并不能对拥塞丢包进行保 护。方案二，一种自适应ARQ方案，该方案中，发送端发送数据包给接收端。当接收端 正确接收到此数据包后将不会反馈一个表征成功的ACK包给发送端，但接收端发现有数据 包丢失后将会反馈表征丢包的NACK包。发送端在发送N个数据包后仍然没有收到前第N 个包错误接收的NACK包时，则表示此包正确接收。如果有收到此NACK包则重传第N个数 据包。此方案能有效的对无线链路的随机丢包进行保护，可以减少发送大量的ACK包，将节 省带宽资源，但其同样不能对拥塞丢包进行保护，而且上述方法并没有考虑ARQ在无线流 媒体传输中的应用。方案三，在NACK机制的基础上提出的一种针对H. 264/MPEG-4流媒体优化的ARQ 方法。其将ARQ应用到多跳网络，其通过媒体感知节点(拥有ARQ代理)来实现ARQ机制。 此外，其还利用了视频数据包在延时太长时将不能解码的特点，采用了超时早检测的算法。该算法判断视频包是否超时，如果超时则丢弃此数据包已节省宝贵的带宽资源。此方法可 以在无线多跳网络提高视频数据包的抗丢包的能力。但其重传时并未考虑不同类型的视频 帧有不同的重要性而且未与优先重传队列管理相结合以减少传输时延。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于路由代理的媒体感知ARQ控制 方法及系统，用于解决现有有线-无线异构网络的ARQ控制方法不能很好地结合H. 264/ MPEG-4视频编码的特性，对于网络视频传输不能提供所需的QoS保障的技术问题。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种基于路由代理的媒体感知ARQ控制方法，该方法包括路由代理接收到发送端发送的视频包后，对视频包所属的帧类型进行识别；接收端接收路由代理转发的视频包，并做I帧数据包的丢包判断，在判断到有I帧 数据包丢失时，向路由代理反馈包含丢失的I帧数据包信息的NACK应答消息；路由代理根据接收到的NACK应答消息将缓存的丢失的I帧数据包重传给接收端。进一步地，在所述路由代理重传所述丢失的I帧数据包之前，还包括以下判断步 骤路由代理判断该视频包延时是否大于有线-无线异构网络的总平均延时，若大于 则丢弃该视频包，若不大于则将该视频包重传给接收端；所述有线-无线异构网络的总平均延时等于异构网络的有线侧平均时延Lw、丢包 识别总处理时延Lp、数据包的平均排队时延Ltl、异构网络的无线链路的平均传输时延Lh之 和。进一步地，路由代理采用优先发送重传包的方式处理重传的I帧数据包。进一步地，所述方法还包括设定B帧数据包的优先权最高、P帧数据包的优先权次之、I帧数据包的优先权最 低；若在路由代理转发视频包的过程中产生拥塞，路由代理优先丢弃优先权高的视频 数据包。所述优先权丢包方法还包括设置两种缓存队列，一种是虚拟视频包队列，另一种是由非视频包所组成的队列， 在拥塞时，路由代理对虚拟视频包队列采用优先丢弃优先权高的视频数据包的处理方法。进一步地，所述方法还包括在拥塞时，路由代理优先丢弃缓存队列头部的视频数 据包。进一步地，所述路由代理对视频包所属的帧类型进行识别的方法为所述路由代理通过应用层在视频包中附加的标志位来识别视频包所属的帧类型， 或所述路由代理通过解析视频包判断其所属的视频帧的类型。基于本发明实施例，本发明还提出一种基于路由代理的媒体感知ARQ控制系统， 包括发送端、路由代理和接收端，路由代理接收到发送端发送的视频包后，还对视频包所属的帧类型进行识别；接收端接收路由代理转发的视频包，并做I帧数据包的丢包判断，在判断到有I帧数据包丢失时，向路由代理反馈包含丢失的I帧数据包信息的NACK应答消息；路由代理根据接收到的NACK应答消息将缓存的丢失的I帧数据包重传给接收端。进一步地，所述路由代理还用于设置视频包的优先级，设定B帧数据包的优先权 最高、P帧数据包的优先权次之、I帧数据包的优先权最低；所述路由代理在视频包产生拥塞时，优先丢弃优先权高的视频数据包。本发明借助于视频数据包的特征，利用原有的MAC层ARQ优势，提出一种用于无线 网络流媒体传输的基于路由代理的ARQ控制方法，即R-ARQ方法。R-ARQ对重要的数据信 息，例如I帧数据包，提供更高的服务质量保障，实现更好的视频传输服务。同时引入超时 早期检测机制，可以根据队列长度和信道条件估计进入缓存队列的分组到达收端时超时的 可能性，并采取相应的早期丢弃策略，防止无效的分组传输占用宝贵的网络资源，避免拥塞 的发生，同时在R-ARQ的前提下，对视频数据包的队列拥塞丢包进行有优先权的保护和优 先发送重传的数据包。
图1为GOP帧间依赖图；图2为本发明实施例基于路由代理的媒体感知ARQ控制方法流程示意图；图3为本发明实施例的仿真网络拓扑结构图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下举实施例并参照附图，对 本发明进一步详细说明。本发明结合H. ^4/MPEG4视频编码的特性，提出一种基于路由代理的媒体感知 ARQ控制方法，主要包括两个方面的改进从分组优先级角度考虑实施的改进及从对视频 流传输的时延限制角度考虑实施的改进。1、从ARQ分组优先级角度考虑实施的改进一个标准的MPEG-4编码器可产生出三种不同类型的帧1帧、P帧和B帧。I帧仅 使用自身的信息进行独立解码，可作为其他帧解码的参考帧；P帧在解码时，会参考前面的 I帧或P帧，也可作为其他帧解码的参考帧；B帧在解码时，会参考前面或后面两个方向的I 帧或P帧，不可作为其他帧解码的参考帧。为了更明确地说明，图1给出了 MPEG-4中三类 帧之间的依存关系，Frame的顺序为I1B1B2B3P1B4B5B6P2，其中I1是可以独立解码的，不需要参 考其他的Frame ；而P1会去参考I1, P2会去参考P1，而B1B2B3会参考I1和P1, B4B5B6会参考 P1 和 P20MPEG-4标准中把包含一个I帧的一系列帧定义为一个图像组(Group OfPicture, GOP)。如包含12帧的GOP JBBBPBBBPBBBo由于帧间的相互参考，可知丢弃一个I帧将导 致整个GOP的帧无法正确解码，因为GOP里的其他帧都直接或间接地依靠I帧来解码；类似 的，丢弃一个P帧使得将其作为参考帧的P帧和B帧无法解码。本发明将视频数据独有的特征与ARQ机制结合，以使性能最大化。从拥塞避免的 角度，如果进行路由层重传，需要避免过多的重传以免加剧拥塞。所以根据视频数据的重要 性，进行有选择的视频数据重传。当接收端连续收到N个视频包后进行丢包判断。由于本发明只对I帧进行重传，所以还须进行I帧的预判断，I帧信息的判断方式不限，可以通过 应用层在视频包中附加的标志位来识别，也可以由路由器收到视频数据后进行解析判断。 然后将相关的信息如起始丢包序号、丢包长度和发送视频包的发送时间写入新定义的NACK 包。NACK路由代理协议包的结构如下struct hdr_nack{u_int8_t rp_type// 包类型u_int8_t distance//丢包长度u_int8_t rp_hop_count// 跳数nsaddr_t rp_dst// 目的地址u_int32_t startseq// 丢包起始地址nsaddr_t rp_src// 包发起者地址double rp_lifetime//生存时间double rp_timestamp//发送时间} NACK ；当路由代理，例如接入点(AP) /基站(Node B) /路由器等，收到NACK包时，从路由 缓存队列中取出包进行优先权重传以减少时延。针对视频数据成功投递但延时超过视频解码的时间而导致接收端无法进行视频 解码的问题，本发明将不断的判断延时是否超出范围，若超时则将超时包丢掉以节省宝贵 的网络资源，超时的判断依据是延时大于以下方式计算出的平均延时。假设AP到接收端之间的无线信道的丢包模型是Gilbert-Elliot模型。在此无线 信道模型下，设网络层的丢包率为Sfci，第i个传输的视频数据包的重传次数为Hifci,此重
Ifl, ■
传包的丢包率为h’1,设网络的视频数据包的超时时间为τ h，如果无线链路h段上的传输
时延为Lh，则超时丢包率为已{Lh > xh}。由超时丢包和无线信道丢包导致的网络层总丢包 率为Phl =εΚι +(I-Ci)PALh >τΚι}(1)另一个重要参数是重传次数。这个值可以通过所采用的信道模型来计算。重传K 次成功接收的概率是球σΑ,) = (1Β(2)
l~￡h算式( 中Ohii是第i数据包在无线链路h段的最大重传次数。通过0&和 i，可以使用下式计算视频数据包i的平均重传次数
1 -mh. = ―^——(3)
丄—￡h算式C3)计算综合考虑了信道丢包分布的影响和ARQ的影响。因此，无线链路h 段中数据包的平均传输延时是Lh (i) =ahJ)[k * RTTh + FTTh ]( 4 )
k=()
7
FTTh, RTTh分别是无线链路h段的单向传播时延和往返传播时延。由于R-ARQ机 制为了限制延时，所以Ofci默认为1，而且重传时优先出队(即重传时的队列延时接近为 零)。本发明将异构网络的无线链路的平均传输时延记为Lh。设AP的队列建模成GI/M/1/K排队模型、平均队长为E，则数据包的平均排队时延 为Lq = E*FTTh。(5)当系统存在干扰流时，干扰流与视频流公平共享无线带宽。设干扰流的速率为 a (bps)，视频流速率为b (bps)，接收端在接收到N个视频包后进行丢包识别。丢包识别总处 理时延Lp为Lp=N* * FTTh( 6 )设异构网络的有线侧平均时延为Lw，由上可知，有线-无线异构网络的总平均延时 为La (i) = Lw+Lh+Lp+La(7)2、从对列管理角度考虑的改进方法为了最大限度防止视频包在拥塞时丢包导致视频播放质量下降，本发明结合路由 层重传算法，将路由代理的缓存队列建模成两种虚拟队列一种是虚拟视频包队列，另一种 是由非视频包所组成的队列。针对两种虚拟队列采用两类主动队列保护机制。为了减少 视频包的时延抖动和平均时延，本发明对虚拟视频包队列采用优先权丢包的机制，即设定B 帧数据包的优先权最高、P帧数据包的优先权次之、I帧数据包的优先权最低，在拥塞时，优 先丢弃优先权高的视频数据包，例如当要丢弃I或P帧视频包时，以丢弃B帧视频包来预留 队列资源给I或P帧视频包。另外，当拥塞发生时路由代理以优先丢弃虚拟视频包队列头 部(非丢尾)的视频数据包的方式来降低视频包的时延抖动和重传时队列延时。图2为本发明基于上述两方面的改进提出的基于路由代理的媒体感知ARQ控制方 法的流程示意图，该图中，步骤A201 A205为路由代理的处理流程，步骤B201 B203为 接收端的处理流程；该方法采用RTP/UDP/IP协议传输视频，详细步骤如下步骤A201、路由代理缓存队列进行初始化，设定收包记录的缓存长度为N ；步骤A202、路由代理接收发送端发送的视频包，在本地缓存，并向接收端转发视频 包，同时在收包记录中记录接收到的视频包序号，直到发送端发送完毕；步骤A203、路由代理接收到接收端反馈的NACK包，在缓存队列中查找NACK包中指 示的丢失的I帧数据包；当接收端发现丢失了 I帧数据包后，会向路由代理发送指示丢失的I帧数据包序 号及丢包长度的NACK包，路由代理通过解析NACk包获知接收端没有接收到哪些I帧数据 包。本发明实施例在该步骤中，只重传丢失的I帧数据包，而对普通的视频包的丢失 不做处理。步骤A204、路由代理判断本地的缓存队列中是否有丢失的I帧数据包，若有则执 行步骤A205，否则继续执行步骤A202 ；步骤A205、路由代理采用优先发送重传包的方式处理重传的I帧数据包，然后执行步骤A202。优选地，在路由代理重发丢失的I帧数据包之前，首先判断该视频包的延时是否 超过阈值(视频解码延时阈值)，若超过则丢弃此包以节省网络资源，若未超过，路由代理 将本地缓存的丢失的I帧数据包优先发送给接收端。判断视频包的延时是否超过阈值的判 断依据是延时是否大于算式(7)计算出来的有线-无线异构网络的总平均延时，若大于则 表示超过阈值。步骤B201、接收端接收路由代理转发的视频包，并将接收到的视频包的序号缓存 到本地收包记录中；步骤B202、当接收端接满N个视频包或视频包发送完毕时，接收端从本地收包记 录中判断是否丢包，如有丢包则进一步判断是否有I帧数据包丢失，若未丢失I帧数据包， 则清空收包记录，继续执行步骤B201或结束流程；若丢失I帧数据包，则执行步骤B203 ；步骤B203、计算丢失I帧数据包的起始包序号startseq及丢包长度distance，然 后将startseq、distance及发送时间存入NACK反馈包并将此NACK包发给路由代理；基于本发明实施例所做出的上述改进，本发明实施例还提出一种基于路由代理的 媒体感知ARQ控制系统，包括发送端、路由代理和接收端，该系统前述实施例所述的两个方 面对现有视频包的转发处理过程做了如下改进路由代理在接收到发送端发送的视频包后，可识别出视频包所属的帧类型；接收端在接收路由代理转发的视频包时，只做I帧数据包的丢包判断，在判断到 有I帧数据包丢失时，向路由代理反馈包含丢失的I帧数据包序号、丢包长度及视频包发送 时间等信息的NACK应答消息；路由代理根据接收到的NACK应答消息中的丢失的I帧数据包的信息将缓存的丢 失的I帧数据包重传给接收端。优选地，在路由代理重传丢失的I帧数据包之前，路由代理还判断该视频包延时 是否大于有线-无线异构网络的总平均延时，若大于则丢弃该视频包，若不大于则将该视 频包重传给接收端；所述有线-无线异构网络的总平均延时等于异构网络的有线侧平均时 延Lw、丢包识别总处理时延Lp、数据包的平均排队时延Ltl、异构网络的无线链路的平均传输 时延Lh之和。优选地，路由代理还用于设置视频包的优先级，所述优先级设置为B帧数据包的 优先权最高、P帧数据包的优先权次之、I帧数据包的优先权最低；所述路由代理在视频包 产生拥塞时，优先丢弃优先权高的视频数据包。由于本发明实施例提供的系统中的各模块都是为实现前述基于路由代理的媒体 感知ARQ控制方法的流程步骤所设，各模块的功能都可从上述方法实施例中直接或毫无疑 义的导出，因此，为节省篇幅，相同的部分此处不再赘述。具体实施例及仿真分析在典型的无线多媒体应用中，考虑无线最后一跳网络。该网络结构可以模拟现有 的蜂窝网络、卫星数字电视传输网络、WLAN等。本节通过利用NS2对本发明提出的基于路由 代理ARQ控制策略进行性能分析。视频编码格式为MPEG4，G0P模式为IBBPBBPBB。在仿真 时间内，假设发送端一直有视频数据发送，有线链路没有传输错误，只会发生拥塞丢包。无 线链路使用的差错模型为Gilbert突发信道模型，即一个二阶马尔可夫模型，这种模型能较好的模似无线信道的突发特性。仿真采用无线最后一跳网络(WLH)的拓扑结构(见图3)。无线链路使用的是 802. Ilb无线局域网协议。共有三个数据流，第一条流为平均速率为1351ApS的video服务 器发往终端I(Iaptopl)，第二条流为开关数据流根据指数开关(Exponential On/Off)分 布产生数据流，即当数据流“开”时产生512Kbps UDP数据流，当数据流“关”时则停止发送。 “开”和“关”的时间分别满足指数分布，在本试验中数据“开”的时间满足均值为500ms的指 数分布，“关”的时间满足均值为IOOms的指数分布。此开关流从s2发往终端2(lapt0p2)。 第三条流为一固定速率为255Kbps的CBR流，从s3发往终端3(lapt0p3)。无线带宽为 IMbps,实验参数设置如表1所示。表1实验参数设置
权利要求
1.一种基于路由代理的媒体感知ARQ控制方法，其特征在于，路由代理接收到发送端发送的视频包后，对视频包所属的帧类型进行识别； 接收端接收路由代理转发的视频包，并做I帧数据包的丢包判断，在判断到有I帧数据 包丢失时，向路由代理反馈包含丢失的I帧数据包信息的NACK应答消息；路由代理根据接收到的NACK应答消息将缓存的丢失的I帧数据包重传给接收端。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述路由代理重传所述丢失的I帧数据 包之前，还包括以下判断步骤路由代理判断该视频包延时是否大于有线-无线异构网络的总平均延时，若大于则丢 弃该视频包，若不大于则将该视频包重传给接收端；所述有线-无线异构网络的总平均延时等于异构网络的有线侧平均时延Lw、丢包识别 总处理时延Lp、数据包的平均排队时延Lq、异构网络的无线链路的平均传输时延Lh之和。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，路由代理采用优先发送重传包的方式处 理重传的I帧数据包。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括设定B帧数据包的优先权最高、P帧数据包的优先权次之、I帧数据包的优先权最低； 若在路由代理转发视频包的过程中产生拥塞，路由代理优先丢弃优先权高的视频数据包。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述优先权丢包方法还包括设置两种缓存队列，一种是虚拟视频包队列，另一种是由非视频包所组成的队列，在拥 塞时，路由代理对虚拟视频包队列采用优先丢弃优先权高的视频数据包的处理方法。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 在拥塞时，路由代理优先丢弃缓存队列头部的视频数据包。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述路由代理对视频包所属的帧类型进 行识别的方法为所述路由代理通过应用层在视频包中附加的标志位来识别视频包所属的帧类型，或所 述路由代理通过解析视频包判断其所属的视频帧的类型。
8.一种基于路由代理的媒体感知ARQ控制系统，包括发送端、路由代理和接收端，其特 征在于，路由代理接收到发送端发送的视频包后，还对视频包所属的帧类型进行识别； 接收端接收路由代理转发的视频包，并做I帧数据包的丢包判断，在判断到有I帧数据 包丢失时，向路由代理反馈包含丢失的I帧数据包信息的NACK应答消息；路由代理根据接收到的NACK应答消息将缓存的丢失的I帧数据包重传给接收端。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，在所述路由代理重传所述丢失的I帧数据 包之前，所述路由代理还用于判断该视频包延时是否大于有线-无线异构网络的总平均延时，若大于则丢弃该视频 包，若不大于则将该视频包重传给接收端；所述有线-无线异构网络的总平均延时等于异构网络的有线侧平均时延Lw、丢包识别 总处理时延Lp、数据包的平均排队时延Lq、异构网络的无线链路的平均传输时延Lh之和。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述路由代理还用于设置视频包的优先级，设定B帧数据包的优先权最高、P帧数据包 的优先权次之、I帧数据包的优先权最低；所述路由代理在视频包产生拥塞时，优先丢弃优先权高的视频数据包。
全文摘要
本发明公开了一种基于路由代理的媒体感知ARQ控制方法及系统，用于解决现有有线-无线异构网络的ARQ控制方法不能很好地结合H.264/MPEG-4视频编码的特性，对于网络视频传输不能提供所需的QoS保障的技术问题。本发明结合视频数据包的特征，利用原有的MAC层ARQ优势，只对I帧数据进行重传，在链路拥塞时优先丢弃不重要的视频包，从而提供了更高的服务质量保障。同时引入超时早期检测机制，早期丢弃超过视频解码延时阈值的视频包，防止无效的分组传输占用宝贵的网络资源，避免拥塞的发生。
文档编号H04L1/18GK102104468SQ201110041819
公开日2011年6月22日 申请日期2011年2月18日 优先权日2011年2月18日
发明者林亚 申请人:中兴通讯股份有限公司