0 引言

    由于并行多媒體流的無線通信相互干擾、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)?、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(yàn)質(zhì)量保障多樣化要求等，實(shí)時(shí)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(xiàn)[3]提出了基于模式復(fù)雜度的多視點(diǎn)視頻編碼快速模式選擇算法。文獻(xiàn)[4]提出了視頻并行編碼框架，并嵌入AVS＋實(shí)時(shí)編碼器。文獻(xiàn)[5]提出了動(dòng)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(xiàn)[6]分析了自適應(yīng)流媒體網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施方式。文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(shí)現(xiàn)了128路陣列信號(hào)同步采樣功能。文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(jī)制?；贕OP長(zhǎng)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(jī)會(huì)協(xié)作服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制^[11]。

    綜上，深入分析和挖掘移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)本征特點(diǎn)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(dòng)態(tài)多媒體傳輸機(jī)制，該機(jī)制可以顯著提高無線移動(dòng)多媒體通信系統(tǒng)的性能，提供體驗(yàn)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(jí)別多媒體流的長(zhǎng)度，以數(shù)據(jù)包為單位。

    假設(shè)多媒體流中含有m個(gè)畫面組(Group of Pictures，GOP)、k個(gè)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(jì)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?jìng)鬏敹嗝襟w流，具有如下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

    (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(shí)時(shí)性；

    (2)GOP分幀協(xié)作傳輸可獲得遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)時(shí)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(diǎn)獲得多媒體流后，按上述定義重構(gòu)并發(fā)送給N_R個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，{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(diǎn)，D表示接收節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和接收端節(jié)點(diǎn)D收到多媒體流后，對(duì)其重構(gòu)并向發(fā)送端節(jié)點(diǎn)S反饋確認(rèn)信息。

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

2 動(dòng)態(tài)多媒體多流并行傳輸機(jī)制

    在多媒體通信過程中，定義動(dòng)態(tài)多媒體的狀態(tài)為{多媒體流個(gè)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(dāng)各個(gè)多媒體流相互獨(dú)立且符合高斯分布時(shí)，接收端的信噪比可由式(8)計(jì)算得到。

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

    可解碼幀率N_d可由式(9)計(jì)算得到。

    根據(jù)式(10)分析評(píng)價(jià)誤碼率對(duì)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(dāng)誤碼率增大時(shí)丟包率隨之增大。通信距離與丟包率成正比。當(dāng)信道質(zhì)量好且N_M為3時(shí)丟包率接近于0。這一結(jié)果表明，短距離多媒體通信時(shí)，多個(gè)多媒體流并行傳輸不會(huì)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(dāng)多媒體流規(guī)?；蛲ㄐ啪嚯x增大時(shí)可解碼幀率增大。當(dāng)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(yàn)證和分析了所提出的基于GOP分幀協(xié)作的動(dòng)態(tài)多媒體傳輸機(jī)制（記為MDT-GC）在動(dòng)態(tài)多媒體流規(guī)模和動(dòng)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(jìn)行了20次反復(fù)仿真實(shí)驗(yàn)后計(jì)算得到的平均值。

    圖4給出了文獻(xiàn)[11]的OCQ-GF與所提出的MDT-GC機(jī)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(jī)制的并行效率快速下降，這是因?yàn)樵摍C(jī)制只考慮了GOP的長(zhǎng)度對(duì)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(shí)時(shí)性，詳見圖5。從圖6看出，MDT-GC的中斷概率對(duì)信道質(zhì)量的敏感度低于OCQ-GF機(jī)制，而且整體中斷概率是OCQ-GF的五分之一，具有較強(qiáng)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(dòng)態(tài)多媒體多流并行傳輸機(jī)制。該機(jī)制中，采用了動(dòng)態(tài)多媒體狀態(tài)，根據(jù)不同的多媒體流和動(dòng)態(tài)多媒體流狀態(tài)，實(shí)時(shí)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(dòng)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(shí)時(shí)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方案的多流多媒體并行通信的時(shí)延更短，可靠性更強(qiáng)，并行效率更高。

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作者信息:

靳  勇，錢振江

（常熟理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常熟215500）