無(wú)線網(wǎng)絡(luò)視頻流傳輸技術(shù)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信傳輸速率及通信可靠性在不斷提高，這些新技術(shù)也很快被應(yīng)用在了各種無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，包括方便快捷成本低廉的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)和廣為覆蓋的蜂窩無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)，目前最新的采用IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)，其物理層（PHY）采用了多天線技術(shù)（MIMO）和正交頻分復(fù)用技術(shù)（ OFDM），最高傳輸速率可達(dá)600Mbps，當(dāng)前正在發(fā)展的 IEEE802.11ac和IEEE802.11ad標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)傳輸速率預(yù)計(jì)取得吉

2、比特量級(jí)。較高的通信速率使得在無(wú)線局域網(wǎng)上傳輸大流量高清視頻流成為可能；蜂窩無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)中也因?yàn)椴捎孟冗M(jìn)的多天線技術(shù)（MIMO），碼分多址技術(shù)（CDMA）等，使得當(dāng)前正計(jì)劃實(shí)施的第四代（4G）無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)其下行傳輸速率可達(dá)500Mbps，這為實(shí)施高清視頻流的傳輸服務(wù)提供了有力的保證。但是視頻流媒體傳輸不同于普通的數(shù)據(jù)傳輸，視頻流傳輸具有錯(cuò)誤敏感，延時(shí)敏感的特點(diǎn)，錯(cuò)誤敏感來(lái)自于視頻流數(shù)據(jù)包所具有的優(yōu)先級(jí)區(qū)分的特點(diǎn)，一些高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的錯(cuò)誤

3、或丟失將會(huì)帶來(lái)比其它低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包更嚴(yán)重的后果；延時(shí)敏感來(lái)自于視頻流傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，比如視頻會(huì)議，實(shí)時(shí)視頻內(nèi)容分享等。基于這些新特性，需要重新研究無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中各個(gè)層的傳輸控制協(xié)議及相關(guān)參數(shù)。視頻流傳輸?shù)男绿匦砸矝Q定了其性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和普通數(shù)據(jù)包傳輸?shù)陌俜职倏煽浚訒r(shí)無(wú)關(guān)的準(zhǔn)則不同。為了評(píng)價(jià)視頻流傳輸服務(wù)給用戶提供的觀看體驗(yàn)，提出了可解碼幀比率的概念，以及后來(lái)進(jìn)一步的體驗(yàn)質(zhì)量（QoE）的概念。因此，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，為了給用戶提供更

4、好的視頻流觀看體驗(yàn)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的視頻流傳輸服務(wù)還有很多值得研究改進(jìn)的地方。
　　本論文正是針對(duì)上述問(wèn)題，以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)視頻流傳輸為主要的研究對(duì)象，在深入學(xué)習(xí)當(dāng)今無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，視頻流編解碼技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)視頻流傳輸?shù)南嚓P(guān)技術(shù)進(jìn)行了一些討論和研究。主要工作為：
　　1.無(wú)線局域網(wǎng)視頻流下行傳輸競(jìng)爭(zhēng)接入?yún)f(xié)議改進(jìn)設(shè)計(jì)。針對(duì)視頻流主要從無(wú)線局域網(wǎng)接入點(diǎn)（AP）下行傳輸給無(wú)線終端用戶（User），提出了一種改進(jìn)的無(wú)線局域網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)接入

5、協(xié)議參數(shù)調(diào)整技術(shù)來(lái)保證下行傳輸吞吐量的同時(shí)又使系統(tǒng)最優(yōu)。IEEE802.11無(wú)線局域網(wǎng)主要在媒體接入控制層（MAC）采用分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）的公平隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入?yún)f(xié)議，但是通過(guò)理論分析表明該機(jī)制不能保證在接入點(diǎn)處下行視頻流傳輸?shù)耐掏铝浚簿筒荒鼙ＷC視頻流下行傳輸?shù)臅r(shí)延，因此，在基于現(xiàn)有的馬爾可夫理論分析模型的基礎(chǔ)上，建立了新改進(jìn)接入?yún)f(xié)議的分析模型，并擴(kuò)展到了有錯(cuò)信道的情況，提出了新的接入?yún)f(xié)議參數(shù)調(diào)整技術(shù)，使得在保證下行視頻流傳輸吞吐量的

6、同時(shí)，也使系統(tǒng)取得最優(yōu)，即最大化系統(tǒng)總吞吐量。
　　2.無(wú)線局域網(wǎng)視頻流傳輸發(fā)送速率控制和重傳次數(shù)限制控制技術(shù)。在無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)中，低的發(fā)送速率增加了傳輸?shù)目煽啃?，但是傳輸吞吐量降低，易造成?duì)尾溢出丟包，類似的，高的重傳次數(shù)限制值增加了傳輸?shù)目煽啃?，但是傳輸吞吐量降低，也易造成?duì)尾溢出丟包，因此在視頻流傳輸過(guò)程中采用最優(yōu)的控制參數(shù)設(shè)置是最大化傳輸效率的重要保證。為此，針對(duì)發(fā)送速率控制和重傳次數(shù)限制控制，分別提出了基于馬爾可夫決策過(guò)程

7、理論（MDP）的優(yōu)化算法和基于馬爾可夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移的優(yōu)化模型，并驗(yàn)證了其改進(jìn)性能的有效性。最后，聯(lián)合發(fā)送速率和重傳次數(shù)限制，研究設(shè)計(jì)了在有重傳次數(shù)限制情況下最優(yōu)的發(fā)送速率控制策略。
　　3.無(wú)線局域網(wǎng)視頻流多播（Multicast）傳輸技術(shù)。一般情況下的視頻流傳輸主要是單播，即一對(duì)一的服務(wù)。但是在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，往往需要廣播或多播給一組用戶，目前的無(wú)線局域網(wǎng)廣播或多播設(shè)定采用最低速率的傳輸方式，以保證廣播或多播組成員內(nèi)信道最差的用戶也

8、能可靠的接收到數(shù)據(jù)包，這種簡(jiǎn)單的速率設(shè)定方式嚴(yán)重降低了具有較好信道質(zhì)量用戶的觀看體驗(yàn)。為此，基于視頻流數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)特性，結(jié)合多播組內(nèi)成員用戶無(wú)線信道差異化且相互獨(dú)立，考慮視頻傳輸延時(shí)限制的要求，利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃（DP）來(lái)優(yōu)化多播傳輸中發(fā)送速率控制，有效提升了廣播或多播組內(nèi)成員用戶接收到的視頻流的可解碼幀比率。
　　4.無(wú)線接入網(wǎng)視頻流下行傳輸統(tǒng)計(jì)QoS保證技術(shù)。無(wú)線接入網(wǎng)下行傳輸中，在基站處的調(diào)度算法決定了給多個(gè)用戶提供的服務(wù)質(zhì)量，

9、根據(jù)經(jīng)典且實(shí)用的基于隊(duì)列長(zhǎng)度信息的最大速率（QLBRM）調(diào)度算法，利用有效容量理論分析了在該調(diào)度算法下，多個(gè)用戶之間最大輸入數(shù)據(jù)流量和漸進(jìn)穩(wěn)態(tài)隊(duì)列長(zhǎng)度分布律上限的關(guān)系?；诖朔治?，在延時(shí)限制或者說(shuō)隊(duì)列長(zhǎng)度閥值限制設(shè)定的情況下，可以估計(jì)每個(gè)用戶隊(duì)尾的溢出丟包率上限，也就是所謂的統(tǒng)計(jì)意義上的QoS保證，從而可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮用戶的輸入流量，延時(shí)限制，統(tǒng)計(jì)QoS保證之間的權(quán)衡關(guān)系。并且，在隊(duì)尾溢出丟包發(fā)生時(shí)，利用視頻流數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)特性