基于自適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)窗口的車聯(lián)網(wǎng)視頻傳輸

胡為民　王軍　陳亮

摘 要： 針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)IEEE 802.11p協(xié)議的視頻傳輸展開研究工作。首先分析無(wú)線802.11p傳輸機(jī)制，說(shuō)明吞吐量很大程度上受節(jié)點(diǎn)MAC層競(jìng)爭(zhēng)窗口值影響；其次提出針對(duì)視頻節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口自適應(yīng)算法；最后通過(guò)NS仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明CWSA算法在畫面質(zhì)量與傳輸延遲上優(yōu)于IEEE 802.11p默認(rèn)競(jìng)爭(zhēng)窗口算法。

關(guān)鍵詞： 車聯(lián)網(wǎng)； IEEE 802.11p； 競(jìng)爭(zhēng)窗口； 視頻傳輸

中圖分類號(hào)： TN711?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）16?0120?03

Abstract： The video transmission based on IEEE 802.11p protocol in Internet of Vehicle （IOV） is studied. The wireless 802.11p transmission mechanism is analyzed to illustrate that the throughput is affected by the contention window value in node MAC layer to a great extent. The contention window self adaptation （CWSA） algorithm for video node is proposed. The CWSA algorithm is compared with CW algorithm by means of NS simulation experiment. The results show that the image quality and transmission delay of the CWSA algorithm are better than those of IEEE 802.11p competition default window algorithm.

Keywords： Internet of Vehicle； IEEE 802.11p； contention window； video transmission

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，車輛之間聯(lián)網(wǎng)共享消息與資源的需要日益增長(zhǎng)，作為物聯(lián)網(wǎng)分支的車聯(lián)網(wǎng)（Internet of Vehicle，IOV）得到廣泛的重視[1]。車聯(lián)網(wǎng)中的車輛運(yùn)行速度快，通信環(huán)境也復(fù)雜多變，但依然對(duì)節(jié)點(diǎn)之間通信的實(shí)時(shí)性和可靠性有著較高要求。為此，研究人員提出了適用于車聯(lián)網(wǎng)的IEEE 802.11p協(xié)議。

車輛在行駛過(guò)程中，車輛自身及道路行駛信息的可靠傳輸是安全駕駛的技術(shù)保證。由于網(wǎng)絡(luò)帶寬和多媒體需求的增長(zhǎng)，視頻應(yīng)用在車聯(lián)網(wǎng)中獲得廣泛應(yīng)用。當(dāng)發(fā)生交通事故時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的車輛拍攝的事故視頻可幫助交管部門判斷并處理各種復(fù)雜情況，因此視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量對(duì)車聯(lián)網(wǎng)用戶十分重要。

與CBR流以恒定速率發(fā)送不同，視頻流是以非均勻的形式發(fā)送。視頻應(yīng)用一旦開始傳輸，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡量在較短的時(shí)間內(nèi)將其傳輸完畢，否則由于車輛節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離基站或進(jìn)入基站盲區(qū)，會(huì)給包括畫面質(zhì)量和延遲在內(nèi)的傳輸質(zhì)量帶來(lái)很大影響。由于視頻應(yīng)用以上特點(diǎn)，IEEE 802.11p協(xié)議MAC層數(shù)據(jù)幀發(fā)送機(jī)制可能不適用于車聯(lián)網(wǎng)的交通視頻傳輸。

本文的研究工作如下：分析無(wú)線IEEE 802.11p幀傳輸機(jī)制，分析表明吞吐量很大程度上受視頻節(jié)點(diǎn)MAC層競(jìng)爭(zhēng)窗口值影響；基于初始競(jìng)爭(zhēng)窗口值CW動(dòng)態(tài)調(diào)整，提出了針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)視頻節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口自適應(yīng)CWSA（Contention Window Self Adaptation）算法；利用NS仿真，對(duì)比CWSA與IEEE 802.11p競(jìng)爭(zhēng)窗口默認(rèn)CW算法性能。

1 競(jìng)爭(zhēng)窗口自適應(yīng)算法

1.1 競(jìng)爭(zhēng)窗口原理與吞吐量

IEEE 802.11協(xié)議中，媒介訪問(wèn)控制（MAC）使用分布式協(xié)調(diào)功能（Distributed Coordination Function， DCF）。DCF以CSMA/CA為主，以RTS/CTS（Request To Send/Clear To Send）消息交換機(jī)制為輔[2]。CSMA/CA是一種兩步握手的傳送機(jī)制，發(fā)送方利用載波監(jiān)測(cè)信號(hào)確定信道的忙閑[3]。

為了實(shí)現(xiàn)沖突避免，DCF設(shè)計(jì)了退避機(jī)制解決可能產(chǎn)生的沖突[4]。具體機(jī)制為：當(dāng)發(fā)送方偵聽到信道處于非空閑狀態(tài)，則等待DIFS（Inter Frame Space）時(shí)間后進(jìn)入退避（BackOff）狀態(tài)。在零到競(jìng)爭(zhēng)窗口CW值之間的區(qū)間內(nèi)隨機(jī)取一個(gè)正整數(shù)n，以n個(gè)空閑時(shí)隙（slot）作為BackOff（BO）時(shí)間。在等待slot*n時(shí)間后，發(fā)送方嘗試發(fā)送DATA數(shù)據(jù)幀。接收方正確接收分組后，會(huì)在延時(shí)SIFS時(shí)間后向發(fā)送方返回一個(gè)ACK幀進(jìn)行指示。通過(guò)以上二幀交換，完成了一次MAC層數(shù)據(jù)傳輸[5]。CSMA/CA傳輸機(jī)制如圖1所示。

可見，在DIFS與SIFS傳輸幀間隔、數(shù)據(jù)DATA及ACK確認(rèn)幀長(zhǎng)度不變的情況下，發(fā)送的效率主要受BO階段時(shí)間的影響，而競(jìng)爭(zhēng)窗口CW值決定了每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前的BO時(shí)間，對(duì)吞吐量有著較大的影響。由于正整數(shù)n為（0，CW）內(nèi)的隨機(jī)值，平均BackOff所耗費(fèi)時(shí)間TBO=slot*[CW2。]

可以發(fā)現(xiàn)，最大可達(dá)吞吐量受BackOff耗費(fèi)時(shí)間TBO，UDP分組長(zhǎng)度LUDP、傳送DATA分組的數(shù)據(jù)傳送速率RDATA Mb/s、傳送ACK等控制分組的基本速率Rcontrol Mb/s等因素的影響。當(dāng)其他條件不變時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)窗口CW值的調(diào)整，成為控制車輛節(jié)點(diǎn)吞吐量進(jìn)而提高傳輸效率的重要因素。

1.2 自適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)窗口算法設(shè)計(jì)endprint

當(dāng)發(fā)生交通事故，車輛拍攝視頻后，視頻上傳給基站AP，此時(shí)上傳視頻流量需要更高的傳輸優(yōu)先級(jí)，以保證視頻的畫面質(zhì)量和盡可能小的傳輸延遲。這就要求當(dāng)某車輛有視頻傳輸時(shí)，需要提高其競(jìng)爭(zhēng)信道的能力，即減小其MAC競(jìng)爭(zhēng)窗口值CW，以便在AP覆蓋范圍內(nèi)的其他車輛發(fā)送消息時(shí)，拍攝車輛可以優(yōu)先競(jìng)爭(zhēng)獲得無(wú)線信道，從而優(yōu)先發(fā)送視頻業(yè)務(wù)。另外一旦車輛進(jìn)入AP覆蓋的盲區(qū)，視頻傳輸將會(huì)中斷[6]，即使車輛進(jìn)入下一個(gè)基站覆蓋區(qū)域可以續(xù)傳視頻，也會(huì)給視頻應(yīng)用帶來(lái)較大的延遲。因此有必要在AP覆蓋范圍內(nèi)盡快把視頻業(yè)務(wù)傳輸完畢。

定義V為車輛時(shí)速（單位：m/s），L為常數(shù)。根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)窗口退避算法特性及傳輸優(yōu)先級(jí)需求，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有交通視頻上傳時(shí)，t時(shí)刻的競(jìng)爭(zhēng)窗口值CW按如下規(guī)律變化：

當(dāng)一系列節(jié)點(diǎn)通過(guò)基站時(shí)，考慮視頻節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可能遠(yuǎn)離基站AP，而其他節(jié)點(diǎn)卻可能在接近基站，此時(shí)僅僅依靠減小視頻節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口值仍不能保證視頻傳輸質(zhì)量，因此，算法可適當(dāng)增大其他非視頻節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口。非視頻節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口按如下規(guī)律變化：

If （video Vehicle far && non?video Vehicle near ）

non?video Vehicle [CW=（VL）?CWmin]

以上車輛節(jié)點(diǎn)間的管理信息（如發(fā)送視頻通告幀、車距確認(rèn)幀等）通過(guò)車輛廣播消息完成。

2 仿 真

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。拓?fù)鋮?shù)為：車輛節(jié)點(diǎn)n0，n1及n4為CBR源節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)n3為視頻源節(jié)點(diǎn)；AP節(jié)點(diǎn)為所有源節(jié)點(diǎn)的目的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為n0（0，10），n1（80，10），AP（160，10），n3（240，0）及n4（320，0）。n0～n4節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)速率均為6 Mb/s。CBR應(yīng)用分組長(zhǎng)度均為1 000 B。視頻分組切割長(zhǎng)度設(shè)置為1 024 B。本文仿真IEEE 802.11p相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1。利用NS2仿真，分別對(duì)CWSA算法與IEEE 802.11p默認(rèn)CW算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，車輛間廣播消息使用NS提供的Agent/PBC（Periodic Broadcast） 應(yīng)用，觀察兩者的吞吐量性能與視頻傳輸質(zhì)量。

IEEE 802.11p協(xié)議參數(shù)見表1所示。

另外，為了定量比較視頻傳輸質(zhì)量，本文使用峰值信噪比（PSNR）作為視頻質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，PSNR越大，代表畫質(zhì)越好。

2.1 正向運(yùn)動(dòng)仿真

所有車輛節(jié)點(diǎn)如圖2所示向西運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)速V分別取10 m/s和20 m/s，L=5，CWSA算法與IEEE 802.11p默認(rèn)CW算法性能對(duì)比如表2所示。

分析表2，首先，在視頻畫面質(zhì)量與延遲時(shí)間上，CWSA算法均優(yōu)于默認(rèn)CW算法。其次，相較于低速運(yùn)動(dòng)，高速運(yùn)動(dòng)確實(shí)會(huì)給視頻傳輸質(zhì)量帶來(lái)影響，兩種算法都出現(xiàn)高速與低速狀態(tài)下畫質(zhì)指標(biāo)接近，但高速狀態(tài)延遲較大、低速狀態(tài)延遲較小的情況，這說(shuō)明速度因素更容易體現(xiàn)在延遲指標(biāo)。最后，由于車輛向西運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，n3在接近基站AP，而競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)n1在遠(yuǎn)離AP，競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)n4又在n3東側(cè)80 m處，因?yàn)镃WSA算法只能保證視頻節(jié)點(diǎn)優(yōu)先爭(zhēng)用信道，卻無(wú)法避免數(shù)據(jù)幀丟失，所以兩種算法在畫面的質(zhì)量指標(biāo)上差距并不很大，但從延遲指標(biāo)來(lái)看，CWSA算法好于默認(rèn)CW算法，該指標(biāo)也會(huì)給瀏覽者更好的視覺流暢性。

2.2 反向運(yùn)動(dòng)仿真

所有車輛節(jié)點(diǎn)如圖2所示向東運(yùn)動(dòng)，時(shí)速V分別取10 m/s和20 m/s，L=5，CWSA算法與IEEE 802.11p默認(rèn)CW算法性能對(duì)比如表3所示。

分析表3，首先，在視頻畫面質(zhì)量與延遲時(shí)間上，CWSA算法仍優(yōu)于默認(rèn)CW算法。其次，視頻車輛遠(yuǎn)離AP時(shí)，相較視頻車輛靠近AP的實(shí)驗(yàn)，無(wú)論何種算法，其視頻傳輸質(zhì)量都出現(xiàn)不同程度的下降。最后，由于車輛向東運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，n3在遠(yuǎn)離基站AP，而競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)n1在接近AP，所以，兩種算法在畫面的質(zhì)量指標(biāo)上差距拉大，從延遲指標(biāo)來(lái)看，CWSA算法依然好于默認(rèn)CW算法，說(shuō)明CWSA算法在視頻節(jié)點(diǎn)通行環(huán)境惡劣時(shí)，能更好地維持視頻傳輸質(zhì)量。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)IEEE 802.11p協(xié)議的視頻傳輸問(wèn)題展開了研究工作?；诔跏几?jìng)爭(zhēng)窗口值動(dòng)態(tài)調(diào)整，提出了針對(duì)視頻節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口自適應(yīng)CWSA算法。最后通過(guò)NS仿真實(shí)驗(yàn)證明，在傳輸畫質(zhì)及延遲方面， CWSA算法優(yōu)于IEEE 802.11p競(jìng)爭(zhēng)窗口默認(rèn)CW算法，驗(yàn)證了CWSA算法的有效性。

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