《电子技术应用》

基于GOP分帧协作的多媒体多流并行传输机制

2017年电子技术应用第6期 作者:靳 勇,钱振江
2017/7/18 10:32:00

靳  勇,钱振江

(常熟理工学院 计算机科学与工程学院,江苏 常熟215500)


    摘  要: 针对移动多媒体通信的可靠性和并行多流的实时性保障问题,通过组建GOP分帧协作网络,提出了多媒体多流并行动态传输机制。首先,基于多媒体流结构和视频帧优先级与吞吐率、可解码帧率和信道质量的关系,提出了GOP分帧协作传输网络的构建和动态调整方案。其次,基于动态多媒体的状态分析了多媒体流数、信道质量、可解码帧率和误码率的变化规律,结合用户侧需求和通信距离,提出了基于GOP分帧协作的动态多媒体多流并行传输机制。最后,仿真实验证明了所提方案在实时性、并行效率和可靠性等方面具有良好表现,非常适合于并行大规模多媒体实时通信。

    关键词: GOP分帧;协作传输;多媒体流;动态调度;多流并行

    中图分类号: TN915.43

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.028


    中文引用格式: 靳勇,钱振江. 基于GOP分帧协作的多媒体多流并行传输机制[J].电子技术应用,2017,43(6):110-112,117.

    英文引用格式: Jin Yong,Qian Zhenjiang. Dynamic multimedia transmission scheme based on GOP frames cooperation[J].Application of Electronic Technique,2017,43(6):110-112,117.

0 引言

    由于并行多媒体流的无线通信相互干扰、移动网络动态拓扑、未知的信道质量[1]、传输网络资源受限[2]和多媒体数据的体验质量保障多样化要求等,实时多媒体无线通信面临诸多难题亟待解决。

    多媒体数据特征和流数据方面,文献[3]提出了基于模式复杂度的多视点视频编码快速模式选择算法。文献[4]提出了视频并行编码框架,并嵌入AVS+实时编码器。文献[5]提出了动态速率分配的联合信源信道编码方式。上述两种编码方案忽视了视频帧之间的相互关联。基于自适应HTTP和内容中心网络流媒体,文献[6]分析了自适应流媒体网络的实施方式。文献[7]提出了一种高效节能的多路传输流传输协议。不过,上述方案和协议不适用于多流并行多媒体通信。

    多媒体网络传输方面,文献[8]以同步采样A/D转换器为核心,配合基于FPGA的控制单元,实现了128路阵列信号同步采样功能。文献[9]利用Voronoi图调节传感方向和可变采样粒度的周期性传感,提高了覆盖度,降低了采样能耗。文献[10]提出了一种多媒体通信协作大数据可靠传输控制机制。基于GOP长度和视频帧分类,前期研究了适用于多媒体传感器网络的机会协作服务质量保障机制[11]

    综上,深入分析和挖掘移动网络本征特点和多媒体数据特征及其流数据特征,基于传输网络重构和数据流调度技术,本文研究了基于GOP分帧协作的动态多媒体传输机制,该机制可以显著提高无线移动多媒体通信系统的性能,提供体验质量保障。

1 GOP分帧协作传输网络

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其中,L(S0)、L(SL)和L(SH)分别表示3种级别多媒体流的长度,以数据包为单位。

    假设多媒体流中含有m个画面组(Group of Pictures,GOP)、k个视频帧类型,在无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)上传输的有效吞吐率Tn可由式(3)计算得到。

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    由式(1)可以看出,Tn与多媒体流中的视频帧类型成反比,且与GOP数成正比。因此,采用GOP分帧协作方案传输多媒体流,具有如下几个优势:

    (1)通过优化多媒体流中视频帧结构,压缩多媒体流规模可获得能量增益,保证实时性;

    (2)GOP分帧协作传输可获得远距离、长时间传输可靠性保障。

    因此,多媒体流传输的GOP分帧协作多媒体流定义为{t,m,k},视频帧特征定义为{α,β,γ}。发送端节点获得多媒体流后,按上述定义重构并发送给NR个中继节点,{S,NR,D}共同构成GOP分帧协作传输网络。其中,S表示发送节点,D表示接收节点。每一个中继节点和接收端节点D收到多媒体流后,对其重构并向发送端节点S反馈确认信息。

    GOP分帧协作传输网络中,由式(4)得到D节点的接收功率Pr。其中,中继节点的接收功率Pl可由式(5)得到。

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2 动态多媒体多流并行传输机制

    在多媒体通信过程中,定义动态多媒体的状态为{多媒体流个数NM,信噪比SN,可解码帧数Nd,数据包数Ni,误码率Pb}。当各个多媒体流相互独立且符合高斯分布时,接收端的信噪比可由式(8)计算得到。

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其中,EN为高斯分布期望值,d为发送端节点与接收端节点之间距离。

    可解码帧率Nd可由式(9)计算得到。

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    根据式(10)分析评价误码率对丢包率和可解码帧率的影响,结果如图2和图3所示。分析图2发现,当误码率增大时丢包率随之增大。通信距离与丢包率成正比。当信道质量好且NM为3时丢包率接近于0。这一结果表明,短距离多媒体通信时,多个多媒体流并行传输不会影响多媒体通信质量。分析图3发现,误码率越大,可解码帧率越低。当多媒体流规模或通信距离增大时可解码帧率增大。当误码率大于2%后,通过增大NM可以提高可解码帧率,不过这种改善方式更适合近距离无线通信。

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3 性能分析

    本文验证和分析了所提出的基于GOP分帧协作的动态多媒体传输机制(记为MDT-GC)在动态多媒体流规模和动态信噪比SNR情况下多媒体流性能表现,包括并行效率、平均传输延迟和中断概率。每一组分析数据是进行了20次反复仿真实验后计算得到的平均值。

    图4给出了文献[11]的OCQ-GF与所提出的MDT-GC机制的多媒体并行通信效率的变化情况。发现,随着多媒体流规模的增大,OCQ-GF机制的并行效率快速下降,这是因为该机制只考虑了GOP的长度对多媒体通信性能的影响,没有深入分析GOP的视频帧的协作控制,从而难以解决大规模多流的多媒体并行通信性能下降问题。所提出的MDT-GC通过GOP分帧建立协作传输网络,不仅提高了多流并行效率,而且保障了多媒体通信的实时性,详见图5。从图6看出,MDT-GC的中断概率对信道质量的敏感度低于OCQ-GF机制,而且整体中断概率是OCQ-GF的五分之一,具有较强的可靠性。

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4 结论

    本文提出了一种基于GOP分帧协作的动态多媒体多流并行传输机制。该机制中,采用了动态多媒体状态,根据不同的多媒体流和动态多媒体流状态,实时判断分析丢包率、可解码帧率和峰值信噪比的变化规律,自适应组建满足用户多样性需求的最优化动态多媒体流,从而为无线传感器网络提供具有可靠、实时和健壮的多媒体流服务。根据用户需求、多媒体流状态和传感器节点状态给出了GOP分帧协作传输网络组建方案。仿真实验结果表明,所提方案的多流多媒体并行通信的时延更短,可靠性更强,并行效率更高。

参考文献

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