1 引言
隨著多播技術(shù)的發(fā)展和分布式多媒體應(yīng)用的普及，當(dāng)前在Internet上出現(xiàn)了很多基于IP多播的實時視頻應(yīng)用。然而這些應(yīng)用卻面臨著一個主要問題：如何針對異構(gòu)和動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在保證TCP友好（TCP�瞗riendliness）的基礎(chǔ)上，支持不同接收用戶的QoS要求，實現(xiàn)QoS過濾。在大容量的實時視頻多播系統(tǒng)中，QoS過濾方法決定了系統(tǒng)整體性能的優(yōu)劣。

基于網(wǎng)絡(luò)的QoS過濾方法在網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上實現(xiàn)，但要受制于數(shù)據(jù)在協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）中的封裝方式,QoS過濾方法則更具可行性。在基于接收端驅(qū)動的終端型(Receiver�瞕riven Layered Multicast)��［1,2］QoS過濾方法(縮寫為RLM)中，源端將視頻流分為基本層和若干增強層，通過獨立的多播組發(fā)布，收端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)可用帶寬自動增減加入的多播組數(shù)量。這種方法能夠在一定程度上改善接收端的QoS，但固定的視頻層次劃分和層次速率無法自動適應(yīng)動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，從而影響了QoS過濾的效果。針對這個問題，本文提出了一種基于收發(fā)兩端的雙向驅(qū)動型（Sender and Receiver�瞕riven Layered Multicast）QoS過濾方法（縮寫為SRLM）。該方法充分利用了MPEG-4和H.264等視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的分層可調(diào)節(jié)碼率編碼技術(shù)，并建立在閉環(huán)反饋的基礎(chǔ)上，能明顯提升QoS過濾的效果。

2 方法實現(xiàn)原理
SRLM在源端和接收端之間構(gòu)建了一個雙向反饋通道，使源端能利用反饋通道收集接收端的帶寬需求信息，并通過優(yōu)化算法來動態(tài)調(diào)整視頻分層數(shù)和各層次的編碼速率，同時還能夠通過前饋通道主動將當(dāng)前調(diào)整的結(jié)果以多播報文的方式通知接收端。各接收端收到報文后，可以此作為調(diào)整依據(jù)，結(jié)合自身的有效接收帶寬，有針對性地決定增減或保持所預(yù)訂的視頻分層數(shù)。而在RLM中，接收端為了最大化接收質(zhì)量，必須引入?yún)f(xié)調(diào)或知識共享機制��［1］，以消除盲目進行增加視頻分層嘗試可能引起的網(wǎng)絡(luò)擁塞。

2.1SRLM的源端部分實現(xiàn)算法

為了描述方便，做如下設(shè)定：

（1）源端采用累積分層方法，最大層次劃分約束濰L。第一層為基本層，依次往后是各增強層。

（2）bi對應(yīng)各層碼率，i=1,2,…,L。各層次的碼率約束為bi∈bi�玬in��，…,bi�玬ax��，且均為數(shù)量有限的離散值。令ci=∑ij=1bj，j=1,2,…,i(i≤L),ci是第1層至第i層的逐層碼率累積和，ci-ci-1=bi。將βl=c1,c2,…,cl定義為逐層累積碼率向量，l≤L，其中c1=b1是基本層編碼速率的下限。

（3）設(shè)加入多播會話的用戶數(shù)量為N，相應(yīng)的期望接收速率集合為r1,r2,r3,…,rN，現(xiàn)引入接收端公平指數(shù)定義：Jri,βl=Ψri,βlri，i≤N，其中Ψri,βl��=max�玞��∶�玞≤ri,c∈c1,c2,…，cl，為接收端i當(dāng)前的有效接收碼率。顯然Jri,βl≤1。令Jr,βl=1N∑Ni=1Jri,βl為N�珎�接收端的總體接收公平指數(shù)。

根據(jù)上述設(shè)定，源端QoS過濾可以定義為：在條件（1）和（2）的約束下，如何確定當(dāng)前最大分層數(shù)�玪′和逐層累積碼率向量βl′，使Jr,βl′��取得最大值。

算法的具體描述如下：

（1）收集RR反饋報文，拆解得到各接收端當(dāng)前期望接收速率的集合�玶1,r2,r3,…,rN，并計算在當(dāng)前分層數(shù)l和逐層累積碼率向量βl=c1,c2,…,cl下的總體接收公平指數(shù)。

（2）根據(jù)條件（1）和（2）的約束，將數(shù)值超過∑Li=1bi�玬ax��的ri全部合并為數(shù)值等于∑Li=1bi�玬ax��的一項，對低于b1�玬in��的則進行刪除，不列入平均公平指數(shù)的計算。這樣，接收端有效期望接收速率集合（可有重復(fù)項）的項數(shù)實際還剩余N′=N-m-n+1，其中m為數(shù)值超過∑Li=1bi�玬ax��的ri項數(shù)，n為數(shù)值低于b1�玬in��的ri項數(shù)。由此得到經(jīng)過預(yù)處理的接收端期望接收速率集合r′1,r′2,…,r′N′。

（3）將公式Jr,βl=1N∑Ni=1Jri,βl修正惟Jr′,βl′=1N′∑N′i=1Jr′i,βl′，代入數(shù)據(jù)進行計算試探，搜尋使總體公平指數(shù)達到最大值的l′和βl′。定義調(diào)整容限ε，當(dāng)Jr′,βl′-Jr,βl＞ε時，編碼器按照參數(shù)l′和βl′做相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整，反之維持當(dāng)前狀態(tài)以保證系統(tǒng)的相對平穩(wěn)性。

（4）返回第一步重新開始。源端在執(zhí)行上述步驟的同時，每隔TSR��秒通過多播方式向各接收端發(fā)送一次SR報文，報告源端當(dāng)前的視頻分層數(shù)、逐層累積碼率向量��βl。TSR的設(shè)定為：TSR=TAdj/k,k為大于1的整數(shù)，TAdj為源端執(zhí)行上述算法的周期，也稱為源端調(diào)整周期。 TAdj的選取不能過小，否則會加大源端的計算負(fù)擔(dān)并引起調(diào)整振蕩，不利于實時視頻數(shù)據(jù)的傳輸和接收，同時也會給正確收集和統(tǒng)計各接收端的期望接收速率報告帶來困難。分析表明，TAdj��取值在10～15 s較為合理。

2.2SRLM的接收端部分算法實現(xiàn)

接收端算法的具體描述如下：

（1）估算參數(shù)�玴，t�玆TT和�玹�玆TO的值；

（2）如果收到SR報文轉(zhuǎn)到下一步，否則返回上一步；

（3）拆解SR報文得到源端當(dāng)前的��βl，利用（1）計算本接收端期望接收速率r；

（4）根據(jù)βl和期望接收速率r來調(diào)整本端預(yù)訂的視頻層數(shù)。

（5）返回第一步。

接收端在執(zhí)行上述步驟的同時，每隔T�玆R秒向源端發(fā)送一個RR報文，報告接收端期望的接收速率。同時該報文還用作�玹�玆TT估算的一個請求。

t�玆TT采用閉環(huán)估算方法。源端收到接收端RR報文時會通過多播方式返回一個SR報文作為回應(yīng)，但為了降低系統(tǒng)開銷，源端不會單獨回應(yīng)每一個RR報文，而是成批進行處理。也即，假設(shè)源端在本地�玹�珪r刻發(fā)送了一個SR報文，并在下一個SR報文發(fā)出時刻�玹+T�玈R之前的�玹���瑀eturn1,�玹���瑀eturn2,…,�玹���瑀eturn�玨時刻，陸續(xù)收到k�珎�接收端返回的RR報文，這些報文都帶有各自的同步源標(biāo)識符SSRC�玦。源端在時刻t+T�玈R通過多播方式發(fā)送下一個SR報文，該報文除了��βl參數(shù)外，還包含一個列表，列表內(nèi)容為上述k�珎�接收端的SSRC�玦及其對應(yīng)的t���琩elay�玦。t���琩elay�玦��是源端響應(yīng)某個RR報文的延遲時間（即源端從收到某個報文至發(fā)送下一個SR報文的時間間隔）。

可以看出：�玹���琩elay�玦=t+T�玈R-�玹���玶eturn�玦��。接收端收到SR報文后，若在報文里搜索到與本端對應(yīng)的SSRC�玦→t���琩elay�玦項，則可通過τ��0=t″-t′-t���琩elay�玦得到t�玆TT的閉環(huán)估算值。�玹′和t″��分別為接收端發(fā)送RR報文和收到SR報文的本地時間。當(dāng)接收端發(fā)出一個RR報文經(jīng)過�玊�玈R+�玹�玆TO(秒)后仍未得到相應(yīng)的SR報文回應(yīng)，則認(rèn)為SR包已經(jīng)丟失，接收端清除請求記錄并發(fā)出新的RR報文。

參數(shù)�玹�玆TO可以通過�玹�玆TO=max1,4��τ����0來推算��［4］， 這個經(jīng)驗公式在實際應(yīng)用中已經(jīng)能夠提供較好的TCP友好性。丟包率�玴的估計可以參考文獻［4］中提到的方法，但當(dāng)接收端接收的視頻層數(shù)大于1時，有必要將每一層的視頻流單獨對待，因此總的丟包率p��是在對各層的丟包率進行權(quán)衡計算的基礎(chǔ)上得到的。

3 仿真實驗和性能評價
本節(jié)通過網(wǎng)絡(luò)模擬器ns-2��［5］對SRLM進行了性能仿真和分析。

仿真實驗建立的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，使用如下缺省設(shè)置：（1）采用FIFO/drop�瞭ail調(diào)度策略，最大排隊時延150 ms；（2）路由器之間的傳輸時延20 ms，路由器和終端之間的傳輸時延10 ms；（3）TCP流在整個仿真實驗過程始終持續(xù)，發(fā)送最大窗口為4 000個數(shù)據(jù)包；（4）多播視頻流和TCP流的數(shù)據(jù)包大小均統(tǒng)一為500個字節(jié)；（5）各視頻接收端的初始參數(shù)設(shè)置為：�玹�玆TT=100 ms,�玴=0��。

在驗證SRLM對TCP流友好性的實驗中，源端各視頻分層的初始速率設(shè)為256,512,1024 kbps,處于LAN中的視頻接收端為5個。

SRLM使TCP流和視頻多播流能夠較好地共享鏈路瓶頸，并保持相近的傳輸帶寬，表現(xiàn)出了良好的公平性。

為了進一步驗證SRLM的有效性，在仿真實驗中還將其與RLM在總體接收公平指數(shù)上進行了比較。實驗的基本設(shè)定如下：

（1）RLM的兩種累積層碼率分配方式：（a）均勻分配型（uniform allocation，圖5中以RLM-UA指代），即令�玞i=ci-1+σ，實驗中σ=(2 048-128)/L��；（b）指數(shù)分配（exponential allocation，圖5中以RLM-EA指代），即令�玞i=λci-1，實驗中λ=L2048/128��。（a）和（b）中的�獿��指分層數(shù)，基本層最低速率均設(shè)置為128 kbps。

（2）SRLM的累積層碼率設(shè)置同上述（b），每一層有��128/L�珎�（取整數(shù)）速率調(diào)整點，層內(nèi)的調(diào)整是勻速步進的。

（3）仿真環(huán)境為1 000個多播接收端，接收端按照預(yù)定視頻層數(shù)的不同呈簇群性分布，我們對各接收端的期望接收速率�玶i�珣�(yīng)用混合高斯分布模型��［6］，并假設(shè)有5個簇群（每個簇群200個接收端），簇群的平均期望接收速率集合為160,360,800,1 200,1 800。

對比結(jié)果較好地體現(xiàn)了SRLM的QoS過濾性能。從圖中我們還可以看出，當(dāng)視頻分層數(shù)超過5層時，系統(tǒng)總體接收公平指數(shù)的改善逐漸趨于平緩，且過多的分層數(shù)會加大收發(fā)兩端的計算量和計算復(fù)雜度，反而會在一定程度上降低實時視頻多播的QoS過濾效果。實際應(yīng)用中，3～5層已經(jīng)能夠很好地適應(yīng)各種多播接收會話數(shù)量。

4 結(jié)束語
在當(dāng)前動態(tài)異構(gòu)的IP網(wǎng)絡(luò)中,基于終端系統(tǒng)的視頻QoS過濾方法較為可行。通過在終端系統(tǒng)綜合應(yīng)用各種擁塞和速率控制策略以及誤碼控制機制，我們能夠為實時多播視頻提供一定的QoS保證，從而提高視頻流的整體接收質(zhì)量。但隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和進步,基于網(wǎng)絡(luò)的QoS過濾方法將會逐漸成熟并成為主要的應(yīng)用方式。

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