0 引言

    由于并行多媒體流的無線通信相互干擾、移動網(wǎng)絡(luò)動態(tài)拓撲、未知的信道質(zhì)量^[1]、傳輸網(wǎng)絡(luò)資源受限^[2]和多媒體數(shù)據(jù)的體驗質(zhì)量保障多樣化要求等，實時多媒體無線通信面臨諸多難題亟待解決。

    多媒體數(shù)據(jù)特征和流數(shù)據(jù)方面，文獻[3]提出了基于模式復雜度的多視點視頻編碼快速模式選擇算法。文獻[4]提出了視頻并行編碼框架，并嵌入AVS＋實時編碼器。文獻[5]提出了動態(tài)速率分配的聯(lián)合信源信道編碼方式。上述兩種編碼方案忽視了視頻幀之間的相互關(guān)聯(lián)?；谧赃m應(yīng)HTTP和內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)流媒體，文獻[6]分析了自適應(yīng)流媒體網(wǎng)絡(luò)的實施方式。文獻[7]提出了一種高效節(jié)能的多路傳輸流傳輸協(xié)議。不過，上述方案和協(xié)議不適用于多流并行多媒體通信。

    多媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸方面，文獻[8]以同步采樣A/D轉(zhuǎn)換器為核心，配合基于FPGA的控制單元，實現(xiàn)了128路陣列信號同步采樣功能。文獻[9]利用Voronoi圖調(diào)節(jié)傳感方向和可變采樣粒度的周期性傳感，提高了覆蓋度，降低了采樣能耗。文獻[10]提出了一種多媒體通信協(xié)作大數(shù)據(jù)可靠傳輸控制機制?；贕OP長度和視頻幀分類，前期研究了適用于多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的機會協(xié)作服務(wù)質(zhì)量保障機制^[11]。

    綜上，深入分析和挖掘移動網(wǎng)絡(luò)本征特點和多媒體數(shù)據(jù)特征及其流數(shù)據(jù)特征，基于傳輸網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和數(shù)據(jù)流調(diào)度技術(shù)，本文研究了基于GOP分幀協(xié)作的動態(tài)多媒體傳輸機制，該機制可以顯著提高無線移動多媒體通信系統(tǒng)的性能，提供體驗質(zhì)量保障。

1 GOP分幀協(xié)作傳輸網(wǎng)絡(luò)

其中，L(S₀)、L(S_L)和L(S_H)分別表示3種級別多媒體流的長度，以數(shù)據(jù)包為單位。

    假設(shè)多媒體流中含有m個畫面組(Group of Pictures，GOP)、k個視頻幀類型，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSNs)上傳輸?shù)挠行掏侣蔜_n可由式(3)計算得到。

    由式(1)可以看出，T_n與多媒體流中的視頻幀類型成反比，且與GOP數(shù)成正比。因此，采用GOP分幀協(xié)作方案傳輸多媒體流，具有如下幾個優(yōu)勢：

    (1)通過優(yōu)化多媒體流中視頻幀結(jié)構(gòu)，壓縮多媒體流規(guī)?？色@得能量增益，保證實時性；

    (2)GOP分幀協(xié)作傳輸可獲得遠距離、長時間傳輸可靠性保障。

    因此，多媒體流傳輸?shù)腉OP分幀協(xié)作多媒體流定義為{t，m，k}，視頻幀特征定義為{α，β，γ}。發(fā)送端節(jié)點獲得多媒體流后，按上述定義重構(gòu)并發(fā)送給N_R個中繼節(jié)點，{S，N_R，D}共同構(gòu)成GOP分幀協(xié)作傳輸網(wǎng)絡(luò)。其中，S表示發(fā)送節(jié)點，D表示接收節(jié)點。每一個中繼節(jié)點和接收端節(jié)點D收到多媒體流后，對其重構(gòu)并向發(fā)送端節(jié)點S反饋確認信息。

    GOP分幀協(xié)作傳輸網(wǎng)絡(luò)中，由式(4)得到D節(jié)點的接收功率P_r。其中，中繼節(jié)點的接收功率P_l可由式(5)得到。

2 動態(tài)多媒體多流并行傳輸機制

    在多媒體通信過程中，定義動態(tài)多媒體的狀態(tài)為{多媒體流個數(shù)N_M，信噪比S_N，可解碼幀數(shù)N_d，數(shù)據(jù)包數(shù)N_i，誤碼率P_b}。當各個多媒體流相互獨立且符合高斯分布時，接收端的信噪比可由式(8)計算得到。

其中，E_N為高斯分布期望值，d為發(fā)送端節(jié)點與接收端節(jié)點之間距離。

    可解碼幀率N_d可由式(9)計算得到。

    根據(jù)式(10)分析評價誤碼率對丟包率和可解碼幀率的影響，結(jié)果如圖2和圖3所示。分析圖2發(fā)現(xiàn)，當誤碼率增大時丟包率隨之增大。通信距離與丟包率成正比。當信道質(zhì)量好且N_M為3時丟包率接近于0。這一結(jié)果表明，短距離多媒體通信時，多個多媒體流并行傳輸不會影響多媒體通信質(zhì)量。分析圖3發(fā)現(xiàn)，誤碼率越大，可解碼幀率越低。當多媒體流規(guī)?；蛲ㄐ啪嚯x增大時可解碼幀率增大。當誤碼率大于2%后，通過增大N_M可以提高可解碼幀率，不過這種改善方式更適合近距離無線通信。

3 性能分析

    本文驗證和分析了所提出的基于GOP分幀協(xié)作的動態(tài)多媒體傳輸機制（記為MDT-GC）在動態(tài)多媒體流規(guī)模和動態(tài)信噪比SNR情況下多媒體流性能表現(xiàn)，包括并行效率、平均傳輸延遲和中斷概率。每一組分析數(shù)據(jù)是進行了20次反復仿真實驗后計算得到的平均值。

    圖4給出了文獻[11]的OCQ-GF與所提出的MDT-GC機制的多媒體并行通信效率的變化情況。發(fā)現(xiàn)，隨著多媒體流規(guī)模的增大，OCQ-GF機制的并行效率快速下降，這是因為該機制只考慮了GOP的長度對多媒體通信性能的影響，沒有深入分析GOP的視頻幀的協(xié)作控制，從而難以解決大規(guī)模多流的多媒體并行通信性能下降問題。所提出的MDT-GC通過GOP分幀建立協(xié)作傳輸網(wǎng)絡(luò)，不僅提高了多流并行效率，而且保障了多媒體通信的實時性，詳見圖5。從圖6看出，MDT-GC的中斷概率對信道質(zhì)量的敏感度低于OCQ-GF機制，而且整體中斷概率是OCQ-GF的五分之一，具有較強的可靠性。

4 結(jié)論

    本文提出了一種基于GOP分幀協(xié)作的動態(tài)多媒體多流并行傳輸機制。該機制中，采用了動態(tài)多媒體狀態(tài)，根據(jù)不同的多媒體流和動態(tài)多媒體流狀態(tài)，實時判斷分析丟包率、可解碼幀率和峰值信噪比的變化規(guī)律，自適應(yīng)組建滿足用戶多樣性需求的最優(yōu)化動態(tài)多媒體流，從而為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供具有可靠、實時和健壯的多媒體流服務(wù)。根據(jù)用戶需求、多媒體流狀態(tài)和傳感器節(jié)點狀態(tài)給出了GOP分幀協(xié)作傳輸網(wǎng)絡(luò)組建方案。仿真實驗結(jié)果表明，所提方案的多流多媒體并行通信的時延更短，可靠性更強，并行效率更高。

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作者信息:

靳  勇，錢振江

（常熟理工學院 計算機科學與工程學院，江蘇 常熟215500）