一种基于LTE网络与AdHoc网络的视频传输方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于lte网络与adhoc网络的视频传输方法。

背景技术：

随着多媒体技术与无线通信技术的飞速发展，大型直播活动，如马拉松直播、自行车比赛直播、两会直播等相继涌现。有多路视频画面提供给导播中心进行选择切换是这些直播活动的技术支撑条件，给电视观众提供更丰富的直播内容。同时，当前lte网络的全面部署与广泛覆盖为这些活动的实时视频传输提供了有效途径。基于4g的无线视频传输设备可以利用多张4g网卡(支持不同制式)，采集的视音频数据进行编码压缩后，通过lte网络传输到相应的大型活动导播中心处进行直播。

考虑实时视音频传输及其传输内容的特点，大型直播对传输带宽、视频传输播放稳定性、端到端时延等具有很高的要求。而由于基于4g的无线视频传输设备利用商业网络、具有可移动性等特点，用lte网络传输实时视频可能因网络覆盖死角、边缘地带、带宽不足等原因使视频画面出现马赛克、卡顿，甚至中断消失等问题，进而使导播中心无法提供高质量的直播内容。因此，一种可靠的传输方式保障大型直播活动中多路实时视频传输的质量是非常必要且重要的。

无线多跳自组织(adhoc)网络技术与多路径传输控制协议(multipathtcp,mptcp)可以有效解决上述问题。般情况下，在一个大型的直播活动中，多个无线视频传输设备工作在一个区域内。基于这个前提，这些无线视频传输设备间也可以组成adhoc网络进行通信。当某些无线视频传输设备进入到lte(longtermevolution，长期演进)网络覆盖的盲区或边缘区，或者lte网络带宽资源无法满足视频传输的带宽需求时，可以利用其它有lte网络链路剩余可用带宽的传输设备作为中继，通过adhoc网络和mptcp协议将部分或者全部视频数据发送到中继设备，再通过中继设备的lte网络链路将数据发送到导播中心处的服务器，最终实现多路径传输视频数据，以提供更稳定可靠的视频传输。

技术实现要素：

本技术方案目的在于针对现有技术的不足，利用adhoc组网技术与mptcp协议，解决大型直播活动中单个无线视频传输设备传输实时视频可能遇到的问题，提供一种基于lte网络与adhoc网络的视频传输方法。

本发明方法的具体步骤是：

步骤1.设无线视频传输设备集合为d＝{d1,...,di,...,dn}，其中di表示第i个设备；每个设备以速率r＝{r1,...,ri,...,rn}传输视频，其中ri表示di所需要的传输速率，n为无线视频传输设备总数；

di所需要的传输速率ri包含两部分，一部分是传输设备自身采集视频数据的速率ri^direct，另一部分是作为中继转发其它设备视频数据的总速率ri^sum-relay，即ri＝ri^direct+ri^sum-relay；如果设备di不传输视频数据，则ri＝0；

记使用设备di作为中继转发数据的设备集合为则di用于中继转发总速率其中ri^relay(dj)表示di作为中继用于传输来自设备dj数据的速率；初始化时，ri^sum-relay＝0；

设置di的一个标记变量sourcei表示设备di是否作为中继源使用其它设备作为中继转发视频数据；如果di是中继源，sourcei＝1；如果di不是中继源，sourcei＝0，即初始化时，sourcei＝0；

同时，当adhoc网络中有某台设备作为中继源正在向其它设备申请中继转发请求时，其它设备不能同一时刻发起向其它设备申请中继转发的请求，否则会造成冲突；因此，假设每台设备di的一个标记变量waiti用来表示当前adhoc网络中是否有某台设备作为中继源正向其它设备申请中继转发请求：如果存在，waiti＝1；如果不存在，waiti＝0，即

初始化时，waiti＝0；

当di需要中继转发时，先检查标记变量waiti；如果waiti＝1，则需等待一段时间，待接收到广播通知其它设备申请中继转发过程结束，设置waiti＝0后，该设备才能申请中继转发；如果waiti＝0，则可无需等待，直接申请中继转发；

步骤2.无线视频传输设备之间通过wifi接口组成adhoc网络，每台设备各自通过4g网卡和商用lte网络与导播中心处服务器建立连接；

步骤3.对于无线视频传输设备di，定义为di的lte网络链路可用带宽，rtti为di通过lte网络到导播中心处服务器的往返时间；设备di采用带宽测量方法pathchirp测量lte网络链路可用带宽采用tcp协议的srtt机制获取往返时间rtti；

步骤4.对于无线视频传输设备di，判断其lte网络链路可用带宽与设备所需传输速率需求的关系：若lte网络链路可用带宽大于等于设备所需传输速率需求，即表明di不需要申请中继转发，跳至步骤5；若lte网络链路可用带宽小于设备所需传输速率需求，即表明di的lte无线链路带宽不足于发送所采集视频数据，需要选择其它合适的设备中继转发才能达到速率需求，跳至步骤6；

步骤5.对于无线视频传输设备di，进一步判断设备di是否作为中继源使用其它设备转发数据：若sourcei＝1，执行步骤5.1；若sourcei＝0，执行步骤5.2；

5.1.对于无线视频传输设备di，为了降低传输设备控制的复杂度与adhoc网络中数据流向的复杂度，设备di通过mptcp协议的路径管理模块，将发送数据到其它中继设备的中继子流删除，只使用lte网络直接链路传输视频数据，然后置sourcei＝0，并通知相应的中继设备dj更新其中继转发设备集合

相应的中继设备dj更新中继转发设备集合将di从集合中删除，更新相应的中继转发总速率即更新完成后跳至步骤7；

5.2.无线视频传输设备di没有使用中继设备转发数据，不做任何传输调整，跳至步骤7；

步骤6.无线视频传输设备di需要向adhoc网络中其它设备申请中继转发；

6.1.无线视频传输设备di判断标记变量waiti状态：若waiti＝1，执行步骤6.2；若waiti＝0，执行步骤6.3；

6.2.adhoc网络中有其它设备正在进行中继转发请求，无线视频传输设备di等待t1时间后，跳至步骤6.1；

6.3.无线视频传输设备di向adhoc网络广播中继传输请求；

6.4.对于adhoc网络中其它设备dj，凡是接收到中继传输请求后，都将waitj置1；定义为设备dj的lte网络链路剩余可用带宽：

其中δbw为常量值，用于保留中继设备一定的剩余可用带宽以应对lte网络的资源波动：若设备dj将信息反馈给中继请求设备di；若则不反馈；

在中寻找设备子集使其满足子集中的所有设备的剩余可用带宽之和大于设备di的所需中继带宽，即

若中存在满足条件的设备子集，则执行步骤6.6；若不存在满足条件的设备子集，则执行步骤6.11；

6.6.假设有k个满足条件的设备子集，记中继请求设备di所有满足条件的备选中继设备集合为

定义备选中继设备集合的设备往返时间为中的设备往返时间的最大值，即然后从备选中继设备集合中选择优先满足最小，然后满足中继设备数目最少的备选中继设备集合作为最终的选择结果，记为

6.7.中继请求设备di通知集合中的所有设备，要求其准备接收数据进行中继转发；

6.8.假设设备dj收到通知后进行相应的中继转发准备，完成后反馈给中继请求设备di；

6.9.中继请求设备di收到被选中的中继设备dj的反馈信息后，执行mptcp协议，与被选中的中继设备dj建立mptcp子流连接；然后按照各个中继设备剩余带宽的比例分配速率，发送视频数据；具体地，如果设备设备dj分配的速率，即对中继请求设备di的中继转发速率为同时，置sourcei＝1；

6.11.中继请求设备di广播通知网络中的其它设备中继转发处理过程结束，其它设备dj的标志变量waitj置为0；至此，中继转发处理过程完成；

步骤7.无线视频传输设备di进行视频传输，执行设定的时间t2后，返回步骤3。

本发明从大型直播活动多路视频传输的应用场景出发，利用adhoc组网技术与mptcp协议，提出基于adhoc网络和lte网络的多台无线视频传输设备合作传输视频数据的传输方法。与其它基于4g的无线视频传输设备传输方法相比，本发明的优点体现在：

1、其它基于4g的无线视频传输设备传输方法完全依赖于无线视频传输设备自身所处的lte网络环境。本发明通过无线视频传输设备间组成adhoc网络，当adhoc网络中某些无线视频传输设备lte网络状况不好时，该设备能够利用adhoc网络中其它lte网络状况良好的设备作为中继进行视频传输，有效解决无线视频传输设备所处lte网络状态不好无法传输视频的问题。

2、本发明中对于中继设备的选择算法综合考虑了往返延时与mptcp子流管理成本，使得选择的中继设备集合具有最小往返延时，并且选择的中继设备数目最少。该算法简单有效，具有较低的算法复杂度，同时能降低mptcp子流管理成本，快速完成传输调整。

附图说明

图1为本发明系统模型示意图；

图2为本发明实例的系统模型示意图；

图3为无线视频传输设备传输控制调整流程图。

具体实施方式

一种基于lte网络与adhoc网络的视频传输方法，其系统模型如图1所示，在某一个区域内有n台基于4g的无线视频传输设备。无线视频传输设备分别通过各自4g网卡与enb基站接入到lte网络中，与导播中心处的服务器建立连接进行视频传输。

区域内n台无线视频传输设备采用wifi组成adhoc网络。wifi工作于分布式模式，即组成adhoc网络的任意两个设备之间可对等通信。目前，无线局域网中ieee802.11n的理论传输速率可达300mbps，实际应用中传输速率可达18.75mb/s，而目前商用lte网络实际应用中传输速率约为2mb/s，因此可以假设设备间通信的可用带宽远大于设备通过lte网络到导播中心处服务器的可用带宽。

假设无线视频传输设备所在区域内存在某些lte网络信号弱的区域，如覆盖盲区、边缘区等，即图1中黑色斜线区域。

n台设备在区域内移动采集视频信号，利用lte网络与adhoc网络将实时视频传输给导播中心处的服务器。

以下结合图2实例对本发明作进一步详细说明。

如附图2所示，在某一个区域内有4台基于4g的无线视频传输设备d1,d2,d3,d4。无线视频传输设备分别通过各自4g网卡与enb基站接入到lte网络中，与导播中心处的服务器建立连接进行视频传输。

区域内4台无线视频传输设备采用wifi组成adhoc网络。

无线视频传输设备所在区域内存在某些lte网络信号弱的区域，如覆盖盲区、边缘区等，即图2中黑色斜线区域。

4台设备在区域内移动采集视频信号，利用lte网络与adhoc网络将实时视频传输给导播中心处的服务器。

如图3所示，具体通过以下步骤实现：

步骤1：无线视频传输设备集合为d＝{d1,d2,d3,d4}；每个设备需要以速率r1＝6mbps，r2＝4mbps，r3＝5mbps，r4＝3mbps传输视频。

初始化时，

步骤2：无线视频传输设备d＝{d1,d2,d3,d4}之间通过wifi接口组成adhoc网络，每台设备各自通过4g网卡和商用lte网络与导播中心处服务器建立连接。

步骤3：对于无线视频传输设备d1,d2,d3,d4采用带宽测量方法pathchirp分别测量lte网络链路可用带宽采用tcp协议的srtt机制获取往返时间rtt1＝30ms，rtt2＝30ms，rtt3＝60ms，rtt4＝10ms。

步骤4：对于无线视频传输设备d1，跳至步骤5。

步骤5：对于无线视频传输设备d1，source1＝0，执行步骤5.2。

步骤5.2：无线视频传输设备d1没有使用中继设备转发数据，不做任何传输调整，跳至步骤7，即无线视频传输设备d1进行视频传输，执行30s后，返回步骤3，对于无线视频传输设备d1，测量更新得lte网络链路可用带宽往返时间rtt1＝30ms，跳至步骤6。

步骤6：无线视频传输设备d1需要向adhoc网络中其它设备申请中继转发。

步骤6.1：无线视频传输设备d1判断标记变量wait1状态，wait1＝0，执行步骤6.3。

步骤6.2：adhoc网络中有其它设备正在进行中继转发请求，无线视频传输设备di等待t1时间后，跳至步骤6.1；

步骤6.3：无线视频传输设备d1向adhoc网络广播中继传输请求。

步骤6.4：adhoc网络中其它设备d2,d3,d4接收到中继传输请求后，分别将wait2,wait3,wait4置1。

取δbw＝0.5mbps，设备d2,d3,d4计算lte网络链路剩余可用带宽设备d2,d3,d4将信息反馈给中继请求设备d1。

步骤6.5：中继请求设备d1收到反馈设备集合为记录设备d2,d3,d4反馈的

中继请求设备d1计算所需中继带宽

中继请求设备d1在中寻找设备子集使其满足子集中的所有设备的剩余可用带宽之和大于设备d1的所需中继带宽。可以得到备选中继设备集合执行步骤6.6。

步骤6.6：计算可得的的的的优先选择中继设备集合的设备往返时间最小，中继设备数目最少的备选中继设备集合作为最终的选择结果，即有

步骤6.7：中继请求设备d1通知集合中的所有设备，要求其准备接收数据进行中继转发。

步骤6.8：d2收到通知后进行相应的中继转发准备，完成后反馈给中继请求设备d1。

步骤6.9：中继请求设备d1收到被选中的中继设备d2的反馈信息后，执行mptcp协议，与被选中的中继设备d2建立mptcp子流连接。设备d2分配的速率，即对中继请求设备d1的中继转发速率为同时，设备d1置source1＝1。

步骤6.10：设备d2将设备d1添加集合中，更新设备d2的中继转发总速率

步骤6.11：中继请求设备d1广播通知网络中的其它设备中继转发处理过程结束，其它设备d2,d3,d4的标志变量wait2,wait3,wait4置为0，至此，中继转发处理过程完成。

步骤7：无线视频传输设备d1进行视频传输，执行30s后，返回步骤3。