基于擁塞控制的視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量保證算法

龔 永，豐洪才，胡偉剛，張 赤，金 凱

(1.武漢工業(yè)學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430023;2.武漢工業(yè)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心，湖北 武漢 430023)

隨著互聯(lián)網(wǎng)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，視頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)中的重要應(yīng)用之一，然而因網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致的視頻在網(wǎng)絡(luò)中傳輸延時(shí)和丟包對(duì)視頻傳輸質(zhì)量造成了極大的影響。為了提高網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者開展了大量的研究并提出了許多視頻編碼方案和擁塞控制算法。多描述編碼(multiple description coding，MDC)將視頻編碼成多個(gè)適應(yīng)不同帶寬的獨(dú)立描述，以便與最符合的網(wǎng)絡(luò)帶寬建立聯(lián)系。一般來說，多數(shù)的MDC采用多個(gè)獨(dú)立的視頻描述進(jìn)行傳輸[1－2]，接收端解碼器只要接收到一個(gè)或多個(gè)描述，就可以恢復(fù)出相應(yīng)質(zhì)量的視頻。非平衡多描述編碼(unbalanced multiple description coding，UMDC)使用多個(gè)不同重要性和質(zhì)量的視頻描述，能夠靈活控制編碼引入的冗余量，同時(shí)充分利用網(wǎng)絡(luò)不同路徑的可用帶寬。FLOYD和JACOBSON提出的隨機(jī)早期檢測(cè)RED(random early detection)算法[3]是最典型的主動(dòng)隊(duì)列管理 AQM(active queue management)擁塞控制算法，目前已成為互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組IETF(internet engineering task force)推薦的唯一AQM候選策略。RED算法雖然能避免全局同步現(xiàn)象，并能有效地提高鏈路帶寬利用率和減小隊(duì)列平均長(zhǎng)度，但是也存在許多需要解決的問題，比如在給定流量條件下分組隊(duì)列長(zhǎng)度穩(wěn)態(tài)誤差、帶來的時(shí)延抖動(dòng)、在不同流量條件下平均隊(duì)長(zhǎng)變化較大造成大量分組丟失[4]，以及不能有效估計(jì)擁塞的嚴(yán)重性等[5]。為了解決這些問題，保證視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和接收端的解碼質(zhì)量，筆者采用非平衡多描述視頻編碼，提出了一種能有效減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和降低丟包率，并在有效估計(jì)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況的基礎(chǔ)上提高視頻傳輸效率的算法，仿真實(shí)驗(yàn)表明，與RED算法相比，筆者提出的算法能更為有效地估計(jì)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況、降低丟包率和減少網(wǎng)絡(luò)延遲，從而更有效地保證視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。

1 非平衡多描述編碼

按照各個(gè)描述的重要性，通過劃分描述的權(quán)重將多描述編碼分為平衡多描述編碼(balanced multiple description coding，BMDC)和非平衡多描述編碼，其中非平衡多描述編碼使用若干個(gè)不同權(quán)重和質(zhì)量的視頻描述。筆者采用兩個(gè)描述進(jìn)行說明，即高分辨率(high－resolution，HR)描述具有較高的權(quán)重和質(zhì)量，低分辨率(low－resolution，LR)描述作為冗余用于隱藏HR描述在傳輸過程中包丟失產(chǎn)生的錯(cuò)誤[6－7]。

筆者引入“同步幀”的概念，它是LR編碼器重構(gòu)的I幀，采用LR編碼器的輸入與HR編碼器的重構(gòu)幀關(guān)聯(lián)來代替原始視頻幀，其作用是在HR編碼器的幀緩沖區(qū)內(nèi)取代HR編碼器當(dāng)前重構(gòu)的P幀，在HR編碼器編碼下一個(gè)P幀時(shí)作為參考幀。在編碼器端利用“同步幀”來增強(qiáng)HR與LR描述之間的相關(guān)性，在解碼器端HR解碼器必須取得“同步幀”用于下一個(gè)P幀的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

使用“同步幀”增強(qiáng)HR描述和LR描述的相關(guān)性，以便處理多種包丟失的情況，下面分3種情況討論編碼器和解碼器在增強(qiáng)HR描述和LR描述相關(guān)性的工作方式:①當(dāng)HR描述和LR描述都順利接收時(shí)，兩個(gè)描述可以正確解碼，解碼器輸出的是HR描述的數(shù)據(jù)，否則解碼器只有等到下一個(gè)“同步幀”到達(dá)后才開始重新解碼，解碼器在暫停解碼過程中輸出上一次解碼得到的已解碼幀;②當(dāng)HR描述能順利接收而LR描述在傳輸中丟失時(shí)，LR編碼器的輸入為HR編碼器的重構(gòu)幀，此時(shí)只需將HR解碼器的輸出直接輸入到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)編碼器，生成LR描述正確重構(gòu)LR描述中因包丟失損壞的幀，從而繼續(xù)LR描述的解碼;③當(dāng)LR描述能順利接收而HR描述在傳輸中丟失時(shí)，由于“同步幀”是HR描述的下一個(gè)P幀的參考幀，因此在HR編碼器與解碼器之間不存在不匹配的情況，此時(shí)HR解碼器只需從LR解碼器輸出得到下一個(gè)“同步幀”即可重新開始解碼。

2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸路徑選擇和算法實(shí)現(xiàn)

2.1 單向延遲檢測(cè)

網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要參數(shù)，可分為單向延遲和雙向延遲兩種。由于數(shù)據(jù)包在往返傳輸過程中可能經(jīng)歷不同的路徑，且非平衡多描述視頻編碼大量視頻數(shù)據(jù)傳輸主要關(guān)注的是從發(fā)送端到接收端的單向路徑，因此單向傳輸延遲對(duì)于網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用更有意義。測(cè)量單向網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的步驟如下:

(1)協(xié)商發(fā)送端和接收端時(shí)鐘同步。

(2)發(fā)送端按照TCP(transmission control protocol)協(xié)議的結(jié)構(gòu)生成測(cè)試數(shù)據(jù)包，確定并在其中填充目的接收端IP(internet protocol)地址，在測(cè)試包中設(shè)置時(shí)間戳，空缺部分用隨機(jī)比特位填充，然后將填寫好的測(cè)試數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的端主機(jī)。

(3)目的接收端接收到相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)包后，計(jì)算傳輸?shù)膯蜗蜓舆t。

2.2 可用帶寬檢測(cè)

定義參數(shù) RDd=(RDavg－RDmin)/(RDmax－RDmin)，其中 RDavg，RDmin，RDmax分別為 n 個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)包的平均傳送延遲、最小傳送延遲和最大傳送延遲。當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)包發(fā)送速率大于可用帶寬時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)流的延遲將導(dǎo)致RDavg呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，由定義可知RDd也呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì);反之測(cè)試數(shù)據(jù)流延遲將無變化趨勢(shì)，RDavg將接近RDmin，由RDd定義可知其將接近0。實(shí)驗(yàn)表明，將參數(shù)RDd的值設(shè)定為0.45時(shí)，檢測(cè)到的可用帶寬與實(shí)際可用帶寬誤差近似于0。

定義參數(shù) RDn=RDavg/RDmax－RDmin/RDavg，通過比較接收到的測(cè)試數(shù)據(jù)包發(fā)送延遲的變化幅度，調(diào)整測(cè)試數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率，使得探測(cè)速率快速逼近可用帶寬。當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率小于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)可用帶寬時(shí)，n個(gè)數(shù)據(jù)包的 RDavg與RDmax、RDmin接近，這時(shí) RDn接近于0;反之 RDn將呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)表明，將RDn的值設(shè)定為0.017時(shí)，檢測(cè)到的可用帶寬與實(shí)際可用帶寬誤差近似于0。

可用帶寬檢測(cè)的算法步驟描述如下:

(1)初始化Smax為瓶頸鏈路的物理帶寬、Smin和Snow為零，其中Smax、Smin和Snow分別為探測(cè)包發(fā)送速率的最大、最小和實(shí)時(shí)值;

(2)設(shè)定Snow=(Smax+Smin)/2，開始發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)包;

(3)當(dāng)目的端接收到100個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)包后開始計(jì)算RDd和RDn;

(4)當(dāng) RDd＞0.45且 RDn＜0.017時(shí)，輸出鏈路帶寬檢測(cè)值為Snow，本次可用帶寬檢測(cè)結(jié)束;

(5)當(dāng)RDd＞0.45時(shí)，Smax=Snow;否則 Smin=Snow，并且按式(1)重新計(jì)算Snow;

(6)返回步驟(2)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況預(yù)測(cè)

在一定的時(shí)間間隔中，網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況具有離散Markov鏈的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，運(yùn)用馬爾科夫模型預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)的主要內(nèi)容是估算網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率矩陣，一般使用統(tǒng)計(jì)估算法[8]。

定義網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)空間S={空閑，正常，擁塞}，設(shè)在連續(xù)兩個(gè)時(shí)段內(nèi)前一個(gè)時(shí)段網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)處于i而后一個(gè)時(shí)段處于j的概率為Pij(i=1，2，…，n;j=1，2，…，n)，進(jìn)而構(gòu)造出一步轉(zhuǎn)移概率矩陣P。

設(shè)向量 X(t)=(X1(t)，X2(t)，…，Xn(t))為第t個(gè)時(shí)段網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)的分布向量，由式(2)可以計(jì)算出在第t+1時(shí)段網(wǎng)絡(luò)所處的擁塞狀態(tài)，從而可對(duì)下一步的網(wǎng)絡(luò)狀況做出預(yù)測(cè)。

2.4 傳輸路徑選擇

2.5 算法實(shí)現(xiàn)

筆者提出的算法采用非平衡多描述編碼方法進(jìn)行視頻編解碼，以網(wǎng)絡(luò)的單向延遲為度量來檢測(cè)當(dāng)前視頻傳輸路徑的可用帶寬[9]，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用馬爾科夫模型預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀況，通過鏈路傳輸能力因子Fl選取傳輸路徑，發(fā)送端根據(jù)預(yù)測(cè)到的網(wǎng)絡(luò)狀況調(diào)整視頻發(fā)送碼率。

2.5.1 發(fā)送端算法過程描述

(1)與接收端建立TCP連接;

(2)視頻編碼并設(shè)置初始發(fā)送碼率;

(3)發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)包并根據(jù)接收端的反饋信息計(jì)算各傳輸路徑的可用帶寬網(wǎng)絡(luò)和鏈路的傳輸能力因子Fl，選取Fl最大的一條鏈路為視頻傳輸路徑;

(4)根據(jù)式(2)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)鏈路擁塞狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整視頻發(fā)送碼率。如果視頻傳輸路徑處于空閑或正常狀態(tài)，則提高視頻發(fā)送碼率;如果視頻傳輸路徑皆處于擁塞狀態(tài)，則降低視頻發(fā)送碼率，否則轉(zhuǎn)步驟(3);

(5)發(fā)送視頻描述;

(6)若收到停止視頻通信指令，則向接收端發(fā)送含有停止視頻通信標(biāo)志的數(shù)據(jù)包，否則轉(zhuǎn)步驟(3)。

2.5.2 接收端算法過程描述

(1)與發(fā)送端建立TCP連接;

(2)接收檢測(cè)數(shù)據(jù)包，統(tǒng)計(jì)檢測(cè)數(shù)據(jù)包的延遲狀況[10];

(3)計(jì)算參數(shù)RDd和RDn，執(zhí)行帶寬檢測(cè)算法，將算法執(zhí)行結(jié)果反饋給發(fā)送端;

(4)接收視頻描述并采用非平衡多描述編碼方法進(jìn)行視頻解碼;

(5)若收到含有停止視頻通信標(biāo)志的數(shù)據(jù)包，則終止帶寬檢測(cè)算法和本算法，否則轉(zhuǎn)步驟(2)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)為Opnet，傳輸?shù)囊曨l流來源于典型的視頻測(cè)試序列foreman，采用TCP突發(fā)流產(chǎn)生擁塞，選取仿真實(shí)驗(yàn)中一段時(shí)長(zhǎng)為180 s的實(shí)驗(yàn)片段，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 筆者算法與RED算法在延遲方面的比較

圖2 筆者算法與RED算法在丟包率方面的比較

從圖1和圖2可看出，由于預(yù)測(cè)到擁塞后耗費(fèi)了一定的時(shí)間進(jìn)行最優(yōu)路徑選擇，筆者提出的算法在延遲和丟包率方面持續(xù)增大且大于同期RED算法的延遲和丟包率，但隨著最優(yōu)傳輸路徑的確定，延遲和丟包率迅速減小且小于同期RED算法的延遲和丟包率。從仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可計(jì)算出筆者算法與RED算法的平均延遲和丟包率分別為0.108 6 s和13.09%、0.196 3 s和19.87%，因此，從整體上來看，筆者算法在通過控制擁塞來保證視頻傳輸質(zhì)量方面比RED算法更為有效。

4 結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)擁塞嚴(yán)重影響了視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量，因此，筆者提出一種視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量保證算法，即采用非平衡多描述編碼技術(shù)進(jìn)行視頻編碼，在檢測(cè)實(shí)時(shí)可用帶寬的基礎(chǔ)上運(yùn)用馬爾科夫模型預(yù)判網(wǎng)絡(luò)擁塞，更換傳輸路徑為所選擇的最優(yōu)路徑。仿真結(jié)果表明，在網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下，所提出的視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量保證算法比RED算法能更有效地估計(jì)擁塞狀況，減少網(wǎng)絡(luò)延遲和降低丟包率，保證了視頻傳輸質(zhì)量。

[1] VAISHAMPAYAN V A.Design of multiple description scalar quantizers[J].IEEE Transaction on Information Theory，1993(39):821 －834.

[2] APOSTOPOULOS J G，WEE S J.Unbalanced multiple description video communication using path diversity[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Image Processing(ICIP'01).Thessaloniki:[s.n.]，2001:966－969.

[3] FLOYD S，JACOBSON V.Random early detection gateways for congestion avoidance[J].IEEE/ACM Transaction on Networking，1993(4):397－413.

[4] RYU S，RUMP C，QIAO C.Advances in internet congestion control[J].IEEE Communications Surveys ＆Tutorials，2003，5(1):28 －39.

[5] 汪華斌.基NS2的RED算法研究和仿真分析[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2008，17(12):49－53.

[6] 李彬，黃峰，孫立峰，等.一種魯棒靈活的非平衡多描述視頻編碼和傳輸方案[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2008，31(7):1155－1164.

[7] 時(shí)鴻濤.基于正態(tài)平穩(wěn)的馬爾可夫周期流量預(yù)測(cè)算法[J].青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，27(4):330－333.

[8] 關(guān)禮安，汪斌強(qiáng)，朱宣勇.基于下一跳可用帶寬和鏈路利用率的路徑選擇算法[J].電信科學(xué)，2010，26(8):30－34.

[9] 王德正，夏陽.網(wǎng)絡(luò)性能度量研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):信息與管理工程版，2011，33(3):375－378.

[10] 樊金榮，方華京.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中采樣周期問題的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):信息與管理工程版，2010，32(3):348 －352.