隨著WLAN應(yīng)用的普及,，除數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)外,，更多的用戶要求WLAN上能夠承載視頻業(yè)務(wù)，WLAN上的視頻傳輸已成為一個(gè)研究熱點(diǎn),。由于視頻流的實(shí)時(shí)性要求使用UDP協(xié)議作為承載協(xié)議,，因此基于802.11的UDP協(xié)議分析是研究基于WLAN視頻傳輸?shù)年P(guān)鍵。由于UDP協(xié)議是一個(gè)無連接協(xié)議,，發(fā)送端與接收端" title="接收端">接收端不建立連接且不提供數(shù)據(jù)正確傳送的保證機(jī)制,，因此在利用UDP傳輸視頻時(shí)，必須近似估計(jì)出UDP的可用帶寬,。如果視頻流的輸出帶寬大于可用帶寬,，那么在傳輸過程中將會(huì)導(dǎo)致高視頻丟包率和大時(shí)延" title="時(shí)延">時(shí)延值，接收端圖像質(zhì)量嚴(yán)重下降，影響視頻通信的效果,。文獻(xiàn)^[2]給出了基于802.11b的UDP可用帶寬與用戶數(shù)的關(guān)系,，文獻(xiàn)^[3]給出了UDP可用帶寬與VOIP語音終端數(shù)目的關(guān)系，重點(diǎn)分析了音頻數(shù)據(jù)包的采樣間隔和編碼類型對(duì)UDP吞吐量的影響,。文獻(xiàn)^[4]在文獻(xiàn)^[3]的基礎(chǔ)上給出了基于802.11的VOIP系統(tǒng)的接入控制機(jī)制,，保證VOIP語音終端的數(shù)目小于系統(tǒng)所允許的最大值，防止由于接入用戶數(shù)過多引起每個(gè)VOIP終端系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降,。本文重點(diǎn)分析了當(dāng)UDP承載視頻流時(shí)的性能,，首先從時(shí)延值和丟包率的角度分析了承載視頻流的UDP性能與視頻流數(shù)目的關(guān)系，給出了一定條件下單個(gè)視頻所占用的UDP可用帶寬,。在此基礎(chǔ)上,，說明了基于802.11 WLAN的視頻流接入控制機(jī)制的必要性,，分析了圖像質(zhì)量要求對(duì)視頻碼流接入數(shù)目的影響,，并且指出了視頻碼流接入控制機(jī)制的實(shí)現(xiàn)途徑。最后,，通過搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)理論進(jìn)行驗(yàn)證,，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1 基于DCF的視頻碼流可用帶寬分析
1.1 DCF接入控制機(jī)制
　　IEEE 802.11定義了兩種訪問機(jī)制：DCF機(jī)制和PCF機(jī)制,。雖然PCF是針對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)制定的,，但是PCF在當(dāng)前的產(chǎn)品中并未實(shí)現(xiàn)，因此本文主要討論DCF下的視頻傳輸,。DCF基于CSMA/CA協(xié)議,，只提供“盡力而為”的異步傳送方式，DCF包括基本的接入方式和使用RTS/CTS幀的接入方式,，本文主要考慮基本DCF的工作機(jī)制,。802.11標(biāo)準(zhǔn)中，通過幀與幀之間的間隔IFS來控制對(duì)無線媒體訪問的優(yōu)先級(jí),，有3種類型的幀間隔：短IFS,、PCF IFS(PIFS)和DCF IFS(DIFS)?；镜腄CF工作機(jī)制如下所述,，如果在MAC檢測(cè)到有一幀數(shù)據(jù)等待發(fā)送，站點(diǎn)首先檢測(cè)媒體是否空閑,，如果空閑并且空閑的時(shí)間超過DIFS間隔,，則站點(diǎn)可以立即發(fā)送該數(shù)據(jù)。如果檢測(cè)到媒體“忙”,，那么站點(diǎn)持續(xù)偵聽,，直到媒體再次空閑且空閑的時(shí)間大于DIFS間隔，此時(shí)，媒體并不立即發(fā)送數(shù)據(jù),，而是選擇一個(gè)隨機(jī)避讓時(shí)間,，在該時(shí)間結(jié)束后立即發(fā)送數(shù)據(jù)。如果在避讓的過程中,，檢測(cè)到媒體空閑,，則減小避讓計(jì)數(shù)器的值；當(dāng)檢測(cè)到媒體又處于忙的狀態(tài),，則凍結(jié)計(jì)數(shù)器,，直到媒體再次空閑后重新啟動(dòng)該計(jì)數(shù)器。當(dāng)一個(gè)分組被正確接收后,，接收端要在SIFS間隔內(nèi)發(fā)送一個(gè)用于確認(rèn)上一幀數(shù)據(jù)被正確接收的ACK幀,，對(duì)接收到的分組進(jìn)行確認(rèn)。如果源站點(diǎn)在SIFS間隔內(nèi)沒有接收到ACK幀,，則假定上一幀數(shù)據(jù)發(fā)送失敗,，將避讓計(jì)數(shù)器的值CW加倍后，重新發(fā)送該幀數(shù)據(jù),。在站點(diǎn)正確發(fā)送一幀數(shù)據(jù)完畢之后,，即使持續(xù)檢測(cè)到媒體空閑時(shí)間大于DIFS間隔，為了保證BSS內(nèi)的多個(gè)站點(diǎn)之間“公平”占用無線媒體,，站點(diǎn)也不立即發(fā)送數(shù)據(jù),，而是必須啟動(dòng)避讓計(jì)數(shù)器，執(zhí)行避讓過程,，即使當(dāng)前BSS中只有一個(gè)接收端和一個(gè)發(fā)送端,。典型的MAC層數(shù)據(jù)幀" title="數(shù)據(jù)幀">數(shù)據(jù)幀的傳送過程如圖1所示。

1.2 視頻碼流可用帶寬分析
　　文獻(xiàn)^[2]的第2部分分析了802.11b的可用帶寬,，在此基礎(chǔ)上,，給出了802.11b用于承載視頻時(shí)的UDP可用帶寬和視頻碼流數(shù)目N以及幀率之間的關(guān)系，引用文獻(xiàn)^[2]的部分公式和結(jié)論,。這里首先假設(shè)一個(gè)BSS內(nèi)有N個(gè)同樣統(tǒng)計(jì)特性的視頻碼流,，視頻幀的平均長(zhǎng)度和幀率相同。N表示單向碼流數(shù)目,，如果當(dāng)前BSS內(nèi)有N0個(gè)站點(diǎn)完成雙向視頻碼流傳輸,，那么此時(shí)N取值為2N0。視頻幀經(jīng)過RTP/UDP/IP/MAC 4層封裝,。如果IP層分組大于MAC層的MTU值,，在IP層將對(duì)該分組進(jìn)行分段處理，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)BSS模式下MTU值為1 500字節(jié),，除去RTP/UDP/IP幀頭的12/8/20字節(jié),，視頻幀長(zhǎng)度允許的最大值為1 460字節(jié),，在發(fā)送視頻幀之前，按照最大值1 460長(zhǎng)度對(duì)視頻幀進(jìn)行分割,。
　　由視頻流的實(shí)時(shí)性可知,，在下一個(gè)視頻幀到來之前，前一個(gè)在緩沖區(qū)內(nèi)等待被發(fā)送的視頻幀應(yīng)該被正確傳送出去(這里假設(shè)緩沖區(qū)已滿,，且不影響下面的推導(dǎo)和結(jié)論),，否則，下一幀由于不能被正確發(fā)送而導(dǎo)致丟失,，稱這一假設(shè)為條件1,。假定無線鏈路的誤碼率很低，在無線鏈路上沒有數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象發(fā)生,，主要考慮視頻流由于“過載”而導(dǎo)致緩沖區(qū)“溢出”,，進(jìn)而帶來視頻數(shù)據(jù)幀的丟失情況。假定幀率為K幀/s,，每幀數(shù)據(jù)從進(jìn)入緩沖區(qū)到被正確發(fā)送所允許的最大時(shí)間間隔為TP,，取值為TP=1/K秒，K通常取值30,、20或10等,。假設(shè)視頻幀的平均長(zhǎng)度為L(zhǎng)avg,，視頻碼流數(shù)目為N的前提下,，為了滿足條件1，公式(1)必須成立：
　　N·Tf≤Tp?????????????????? ( 1)
　　其中Tf為正確發(fā)送一幀視頻數(shù)據(jù)所用的時(shí)間,，包括視頻幀長(zhǎng)值加上開銷字節(jié)的和大于1 500字節(jié)的情況,。這里引用文獻(xiàn)^[2]中的部分推導(dǎo)和結(jié)論，在視頻幀長(zhǎng)為L(zhǎng)且L值小于或等于1 460字節(jié)時(shí),，正確完成一幀傳送所用的時(shí)間為T,，則可知：
　　
　　DIFS和SIFS的取值為固定值，802.11b中的取值分別為50μs和10μs,；t_pr的取值是發(fā)送PLCP幀頭和前導(dǎo)序列的時(shí)間,，為與802.11兼容，802.11b標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定PLCP幀頭和前導(dǎo)序列用1Mbps速率發(fā)送,。PLCP幀頭和前導(dǎo)序共192b,，耗時(shí)192μs；t_ack為R工作速率下發(fā)送14字節(jié)ACK幀體的時(shí)間,；t_tr工作速率為R時(shí),，發(fā)送一幀PSDU所用的時(shí)間，單位為μs,，取值如下：
　　
　　R的取值為802.11b規(guī)定的4種物理速率：1Mbps,、2Mbps,、5.5Mbps和11Mbps，這里固定R的取值為11Mbps,，L_rtp,、L_udp、L_ip,、L_mac和Lcrc的大小分別為12,、8、20,、30和4字節(jié),。公式(2)中t_cont為1.1節(jié)中所述的視頻幀發(fā)送數(shù)據(jù)之前的“避讓”時(shí)間，其取值為一個(gè)隨機(jī)值,，這里取其概率平均值,，簡(jiǎn)化了文獻(xiàn)^[2]結(jié)論。由于考慮視頻流傳輸占用的帶寬較大,，假定N取值較小,，因而忽略文獻(xiàn)^[2]公式(4)中P_c(N)的取值，也就是忽略N0個(gè)站點(diǎn)在DIFS間隔后,，“至少有兩個(gè)站點(diǎn)選擇同一個(gè)時(shí)隙SLOT進(jìn)行發(fā)送”的概率,。在N取值較小時(shí)，該假設(shè)對(duì)t_cont的取值并沒有大的影響,。因此,，給出：

　　在T值己知的條件下，正確發(fā)送一幀視頻數(shù)據(jù)所用的時(shí)間T_f,，可以由T計(jì)算得出,，這里假定視頻幀的平均長(zhǎng)度滿足公式(8)，表明按照最大切割長(zhǎng)度L_MTU,、分割長(zhǎng)度為L(zhǎng)_avg,、視頻數(shù)據(jù)幀可分割為m個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)MTU的視頻幀和一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)_seg的分段。

　　公式(10)中,，C,、D和R的取值為常數(shù)，m的取值與L_avg相關(guān),，是L_avg除以L_MUT取整的值,。因此，公式中只有L_avg和N兩個(gè)變量,。將已知的DIFS,、SIFS和其他常數(shù)代入公式(10)，得到公式(11),，其中L_avg的單位為字節(jié),，T_p的取值為μs,。
　　
　　固定N的取值，計(jì)算L_avg值,，得到下面的結(jié)果,。圖2是視頻幀長(zhǎng)與碼流數(shù)N的關(guān)系，其中橫坐標(biāo)是視頻碼流數(shù)目值,，縱坐標(biāo)是對(duì)應(yīng)N值下視頻碼流所允許的視頻幀平均長(zhǎng)度的最大值,。

　　在T_p、N和L_avg取值已知的情況下,，可以得到在不同T_p值下,，每個(gè)站點(diǎn)用來傳輸視頻碼流的可用帶寬隨著N取值變化的情況，圖3給出了比較結(jié)果,。以幀率為30幀/秒分析,，從圖3中可以得知，理論上單個(gè)站點(diǎn)的視頻碼流可用帶寬的最大值可以達(dá)到6.5Mbps,，隨著N取值的增加,，視頻碼流帶寬值逐步減小，在N取值為14時(shí),，理論上的最大可用帶寬值為360kbps,。同樣N取值的情況下，幀率為10幀/s時(shí)視頻碼流帶寬最大,，30幀/s時(shí)視頻碼流帶寬最小,。

1.3 WLAN的視頻流接入控制
　　在上面的假設(shè)和分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合視頻碼流的統(tǒng)計(jì)特性,，可以給出設(shè)計(jì)基于802.11的視頻流接入控制機(jī)制的必要性和實(shí)現(xiàn)途徑,。在N取值一定時(shí)，視頻數(shù)據(jù)包的平均長(zhǎng)度必須小于一定值,，否則一段時(shí)間過后，緩沖區(qū)將會(huì)溢出導(dǎo)致時(shí)延值過高和數(shù)據(jù)包的大量丟失,，控制視頻數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度可以通過更改量化系數(shù)QP或者其他方法進(jìn)行,。進(jìn)而，在幀率一定和平均長(zhǎng)度受到限制的前提下,，視頻碼流的輸出速率必須小于一定的值,，這就要求在視頻碼流發(fā)送端必須有一定的速率控制機(jī)制。在N值一定時(shí),，視頻碼流的接入控制主要在視頻流的發(fā)送端實(shí)現(xiàn),，在得到當(dāng)前視頻碼流數(shù)目的前提下，必須通過速率控制機(jī)制或者通過更改QP值等方法控制視頻碼流數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度和視頻碼流的輸出速率,。
　　另外一方面,，如果視頻碼流的圖像質(zhì)量和視頻數(shù)據(jù)幀的平均長(zhǎng)度受限時(shí),，即在丟包率滿足最小要求的前提下，接收端的視頻數(shù)據(jù)解碼后,，圖像的PSNR值必須大于一定值,、接收端在發(fā)送視頻數(shù)據(jù)幀時(shí)，視頻數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度必須大于一定值才能保證圖像的輸出質(zhì)量滿足要求,。此時(shí),，必須在發(fā)送端控制視頻碼流的接入數(shù)目，否則,，當(dāng)N值大于所允許的最大值時(shí),，同樣會(huì)導(dǎo)致視頻幀產(chǎn)生高時(shí)延值和視頻數(shù)據(jù)包的大量丟失。在視頻幀長(zhǎng)度和視頻碼流輸出速率一定的前提下,，視頻碼流的接入控制機(jī)制應(yīng)該在AP上或者通過統(tǒng)一的服務(wù)器控制來實(shí)現(xiàn),。在視頻幀長(zhǎng)度已經(jīng)確定的情況下，在新的視頻碼流需要接入時(shí),，首先檢測(cè)當(dāng)前BSS內(nèi)的視頻碼流的數(shù)目,，判斷是否已經(jīng)飽和。如果N值已經(jīng)達(dá)到飽和,，為保證單個(gè)視頻碼流的圖像質(zhì)量,，此時(shí)應(yīng)拒絕新的視頻碼流的接入。
2 實(shí)驗(yàn)以及結(jié)果分析
　　為驗(yàn)證上面的理論分析,，搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置一個(gè)典型的室內(nèi)辦公室環(huán)境,，在辦公室內(nèi)設(shè)有一個(gè)DLink公司的AP，其型號(hào)為D1-614+,；在100M以太網(wǎng)上與AP相連的PC機(jī)做為視頻通信的一端,，在室內(nèi)有若干配有USB接口無線網(wǎng)卡的臺(tái)式機(jī)和筆記本作為視頻通信的另一端，網(wǎng)卡的型號(hào)為DWL-120+,。在這里,，為了保證無線網(wǎng)卡與AP處于“最佳”的通信狀態(tài)，設(shè)置所有的網(wǎng)卡均勻分布在AP周圍,，同時(shí)設(shè)置網(wǎng)卡的速率為11Mbps,；在以太網(wǎng)上沒有其他數(shù)據(jù)流對(duì)視頻流的傳輸產(chǎn)生干擾；設(shè)置筆記本為視頻的發(fā)送端,，PC機(jī)為對(duì)應(yīng)的視頻的接收端,；在視頻發(fā)送端利用MPEG-4編碼器^[5]對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試序列進(jìn)行壓縮編碼，編碼的幀格式為IBBPBBPBBPBBI排列,，利用TM5算法控制視頻幀的切割長(zhǎng)度,。首先，固定PC機(jī)和筆記本的數(shù)目及視頻碼流數(shù)目,，改變視頻幀的編碼長(zhǎng)度,，發(fā)送視頻碼流,，在視頻的接收端觀察視頻碼流的接收狀況。在此基礎(chǔ)上,，改變視頻碼流的數(shù)目,，重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察不同碼流數(shù)目和視頻幀長(zhǎng)度下每個(gè)視頻碼流終端的視頻數(shù)據(jù)包接收狀況,，部分結(jié)果如下所述,。

　　圖4給出了幀率為30幀/s，一臺(tái)筆記本與對(duì)應(yīng)的PC機(jī)完成雙向視頻傳輸,，碼流數(shù)目N值為2,，幀長(zhǎng)度為12 500字節(jié)和13 000字節(jié)時(shí)，視頻碼流的丟包率狀況,，其中12 500字節(jié)是公式(11)和計(jì)算得出的理論上視頻幀平均長(zhǎng)度的最大值,，圖中給出的是截取180s內(nèi)丟包率的值。從圖4可以得知,，當(dāng)幀長(zhǎng)為12 500字節(jié)時(shí),，在視頻雙向傳輸?shù)倪^程中基本上沒有數(shù)據(jù)包丟失；而幀長(zhǎng)增加到13 000字節(jié)時(shí),，丟包率明顯增加,，均值在3％以上，最大值達(dá)到14％,，如此高的丟包率將會(huì)導(dǎo)致視頻質(zhì)量的嚴(yán)重下降,。由于無線鏈路處于“最佳的”工作狀態(tài)，不存在由于誤碼率過高導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失的情況,，數(shù)據(jù)包的丟失主要是因網(wǎng)絡(luò)擁塞和時(shí)延值過大導(dǎo)致的,。因此，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試得知,，當(dāng)幀率為30幀/s和碼流數(shù)目為2時(shí),，視頻幀的平均切割長(zhǎng)度應(yīng)該小于12 500字節(jié)，才能保證接收端得到較好的圖像質(zhì)量,。圖5給出了幀率為20幀/s,，碼流數(shù)目為2時(shí)，幀長(zhǎng)為19 000字節(jié)和20 000字節(jié)時(shí)丟包率的對(duì)比情況,，可知視頻幀的切割長(zhǎng)度必須小于19 000字節(jié)。同樣,，通過圖6可知,，幀率為10幀/s時(shí)，視頻碼流數(shù)目為14時(shí),，最佳長(zhǎng)度為5 500字節(jié),。對(duì)比上面理論計(jì)算得到的最佳值,，實(shí)驗(yàn)得到的最佳取值和理論計(jì)算所得到的值十分接近，比理論值略小,，隨著視頻碼流數(shù)目N的增加,，實(shí)驗(yàn)值和理論值的偏差略微增大，這主要是由于AP定期發(fā)送信標(biāo)幀導(dǎo)致,。此外,，隨著N取值的增加，公式(6)中用來估計(jì)“避讓”的時(shí)間比實(shí)際所用的時(shí)間少,，因此也導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)試的值比理論計(jì)算值略小,。從圖4～圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，前面的理論分析方法和結(jié)果可以做為802.11上視頻碼流接入控制機(jī)制的理論基礎(chǔ)和參考依據(jù),，在視頻碼流數(shù)目N一定的情況下,，視頻幀的平均切割長(zhǎng)度必須小于一定值。

?

　　為了說明“視頻碼流幀長(zhǎng)受到限制時(shí),，視頻碼流數(shù)目N必須小于所能允許的最大值”這一個(gè)結(jié)論,，圖7在圖4的基礎(chǔ)上給出了視頻碼流N值從14增加到16時(shí)丟包率的對(duì)比情況。假設(shè)為了保證接收端圖像的質(zhì)量,，發(fā)送端視頻幀的長(zhǎng)度不能小于5 500字節(jié),。從中可以得知，當(dāng)N值增加到16時(shí),，視頻碼流丟包率的平均值大于20％,，已經(jīng)不能完成正常的圖像通信。因此,，為了保證已經(jīng)存在的視頻碼流的帶寬和單路的圖像質(zhì)量,，在無線局域網(wǎng)上必須設(shè)有一種碼流接入控制機(jī)制，當(dāng)檢測(cè)到視頻碼流數(shù)目N值已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí),，應(yīng)該拒絕增加新的視頻碼流數(shù)的要求,，以保證已經(jīng)存在的視頻通流完成正常的通信。
　　在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,，利用文獻(xiàn)[6]給出的視頻碼流傳輸?shù)脑u(píng)估工具,，可以得到不同視頻碼流數(shù)目和視頻幀長(zhǎng)度下的丟包率、時(shí)延抖動(dòng)和圖像傳輸質(zhì)量PSNR值,。
　　論文從理論分析并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了基于IEEE 802.11b的UDP可用帶寬,，重點(diǎn)分析和測(cè)試視頻碼流數(shù)目N、幀率和視頻幀的平均長(zhǎng)度之間的關(guān)系,，為無線局域網(wǎng)上視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和視頻碼流接入控制機(jī)制的實(shí)現(xiàn)提供了重要的參考依據(jù),。一定誤碼率條件下的帶寬分析以及接入控制機(jī)制的實(shí)現(xiàn)將在今后的工作中展開。本文中的分析方法和實(shí)驗(yàn)方法同樣適合于基于802.11a和802.11g WLAN的視頻傳輸系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
1 ANSI/IEEE.802.11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, 2000
2 Martin Heusse,Franck Rousseau,Gilles Berger-Sabbatel et al.Performance Anomaly of 802.11b. In: Proceedings of IEEE INFOCOM 2003, San Francisco, USA, 2003
3 Sachin Garg and Marthin Kappes. An experimental study of throughput for UDP and VoIP traffic in IEEE 802.11b net-works. IEEE WCNC 2003;3(3):1748～1753
4 Sachin Garg,Martin Kappes. Admission control for VoIP traf-fic in IEEE 802.11 networks. In:IEEE Global Telecommuni-cations Conference, 2003
5 Winder S A J. Version: Microsoft-FDAM-1-2.3-001213 User Manual, 2004
6 Klaue J, Rathke B, and Wolisz A. EvalVid-A framework for video transmission and quality evaluation. In: Proc of the 13th International Conference on Modelling Techniques and Tools for Computer Performance Evaluation, Urbana,Illinois, USA,2003(收稿日期：2006-02-23)