EUDP：面向車載網(wǎng)絡(luò)的視頻數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

李星亮，吳育寶,田進華

(1.南京森林警察學院 刑事科學技術(shù)學院，江蘇 南京 210023 2.南京森林警察學院 信息技術(shù)學院，江蘇 南京 210023 3.黃淮學院 信息工程學院，河南 駐馬店 463000)

1 引言

車載網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Ad-Hoc Networks, VANETs)是智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation Systems, ITS)的重要組成部分。美國FCC將位于5.9 Hz的DSRC頻譜75 MHz分配給VANETs中的車間通信(Vehicle-to-Vehicle,V2V)和車與路邊設(shè)施通信(Vehicle-to-Infrastructure,V2I)[1-2]。利用V2V和V2I通信，道路上的車輛能夠相互交互信息，包括道路狀況消息，視頻數(shù)據(jù)等。

相比于文本信息，VANETs內(nèi)的視頻流(Video Streaming, VSG)為行駛?cè)藛T和路人提供了更豐富的信息[3]。依據(jù)安裝于車輛或路邊設(shè)施單元(Road Side Units, RSU)的攝像機，可實時給車輛和政府機構(gòu)傳輸視頻，進而告知道路上所發(fā)生的事件。例如，動物入侵道路、節(jié)日活動，這些事件都可利用VANET的VSG進行廣播。此外，利用VSG也可提高交通安全。如交通事故，通過廣播VSG，使鄰近車輛提前進行預警，避開交通事故發(fā)生地。

然而，車輛的快速移動，網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)變化，給實現(xiàn)可靠、快速地傳輸視頻提出了困難[4]。因此，需強健的通信協(xié)議確保能夠有效地接收VSG。在接收端，通常引用視頻數(shù)據(jù)包傳輸率、傳輸時延、峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio, PSNR)表征VSG的服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of Service)。

目前，傳輸VSG主要面臨兩個問題：數(shù)據(jù)包丟失和傳輸時延。為此，研究人員進行了較多的研究，并提出不同的策略[5-6]。這些策略工作可分為三類：(1)視頻編碼和差錯恢復；(2)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)；(3)自適應(yīng)策略。其中，視頻編碼和差錯恢復策略是使用于應(yīng)用層，通過編碼和差錯機制提高VSG的服務(wù)質(zhì)量。而協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)策略是使用于網(wǎng)絡(luò)層，通過選擇最可靠路由提高VSG的服務(wù)質(zhì)量。自適應(yīng)策略是使用于MAC層，通過自適應(yīng)地調(diào)整傳輸參數(shù)，提高VSG的服務(wù)質(zhì)量。

而傳輸層的用戶數(shù)據(jù)協(xié)議(User Datagram Protocol, UDP)并沒有包含差錯恢復機制，而傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol, TCP)采用了重傳機制克服數(shù)據(jù)包丟失或數(shù)據(jù)包傳輸差錯問題，但它增加了額外的時延。

此外，研究人員還提出利用圖像處理領(lǐng)域內(nèi)的視頻技術(shù)和標準對視頻進行編碼，如運動圖象專家組(Moving Picture Experts Group, MPEG),可伸縮視頻編碼(Scalable Video Coding, SVC)、多描述編碼(Multiple Description Coding, MDC)。其中，MPEG標準將視頻編碼成圖片群(Groups of Pictures, GoPs)。每個GoP為一系列的幀[7-8]。MPEG采用三類幀：內(nèi)編碼幀(I幀)、預測幀(P幀)和雙向預測幀(B幀)。相比于B幀，而I幀和P幀更重要。將這些幀結(jié)構(gòu)(I,P,B)也稱為非均衡的幀結(jié)構(gòu)。

而數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)差錯校正(Packet Forward Error Correction, PFEC)是基于冗余技術(shù)的差錯恢復機制。PFEC將VSG劃分為多個組，每個組由原始包和冗余包構(gòu)成。此外，子PFEC(Sub-PFEC, SPFEC)是PFEC的特例，其主要由原始和冗余子包構(gòu)成。

為此，本文提出基于UDP的改進協(xié)議EUDP。EUDP引用了SPFEC差錯恢復機制，提高數(shù)據(jù)包傳輸成功率，同時采用基于MPEG標準的非均衡的保護的視頻幀類型(I,P,B)，減少網(wǎng)絡(luò)開銷。實現(xiàn)數(shù)據(jù)表明，提出的EUDP協(xié)議有效地降低了數(shù)據(jù)包傳遞率，并提出視頻服務(wù)質(zhì)量。

2 EUDP算法

VANET的視頻流工作多數(shù)是基于UDP或TCP控制協(xié)議。TCP協(xié)議利用重傳機制恢復數(shù)據(jù)包，而UDP沒有引用恢復機制。本文提出的EUDP算法是基于UDP協(xié)議，并進行了改進。首先，引用SPFEC標準，恢復錯失數(shù)據(jù)[9]，并減少有效數(shù)據(jù)包出錯率(Effective Packet Error Rate, EPER)和冗余開銷，同時，也減少了端到端傳輸時延。再采用非均衡的視頻幀結(jié)構(gòu)(I,P,B)，降低網(wǎng)絡(luò)開銷，進而提高視頻服務(wù)質(zhì)量。

2.1 視頻傳輸?shù)耐ㄓ媒Y(jié)構(gòu)

VANET中車輛傳輸視頻流的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中紅色車輛為產(chǎn)生視頻的車輛(記為源車輛)。每個視頻數(shù)據(jù)包由源子數(shù)據(jù)包(Originals Sub-Packets, OSP)和冗余子數(shù)據(jù)包(Redundant Sub-Packets, RSP)構(gòu)成。源車輛依據(jù)視頻數(shù)據(jù)包(I,P,B)類型計算RSP數(shù)目。相比于B幀,I和P幀的RSP具有更高的保護級別。

源車輛將視頻數(shù)據(jù)壓縮成實時傳輸協(xié)議(Real-time Transport Protocol, RTP)數(shù)據(jù)包，然后再以多跳傳輸方式其他節(jié)點傳輸[10]。當接收車輛(圖1中的藍色車輛)收到視頻數(shù)據(jù)包后，就從中提取信息，再估計比特誤差率(Bit Error Rate, BER)，然后再依據(jù)SPFEC策略，估計子數(shù)據(jù)包差錯率(Sub-Packet Error Rate, SPER)和EPER。最后，依據(jù)EFER，決定是接收視頻數(shù)據(jù)，還是丟棄視頻數(shù)據(jù)。

圖1 基于EUDP的視頻流

為了允許接收節(jié)點能夠計算SPER和EPER，在數(shù)據(jù)包首部添加了名為“eudp header”項，如圖2所示。eudp header項由Video_pkt_id、Video_pkt_type、Sub_pkt_size、nb_source_sub_pkts、nb_redundant_sub_pkts組成。其中，Video_pkt_id表示視頻數(shù)據(jù)包的編號。而Video_pkt_type為視頻數(shù)據(jù)包幀(I,P,B)類型；Sub_pkt_size表示視頻數(shù)據(jù)包中子數(shù)據(jù)包的長度；nb_source_sub_pkts表示視頻數(shù)據(jù)包中OSP數(shù)目；nb_redundant_sub_pkts表示視頻數(shù)據(jù)包中RSP數(shù)。

圖2 EUDP協(xié)議中視頻數(shù)據(jù)包格式

2.2 構(gòu)建視頻數(shù)據(jù)包

當源車輛需要傳輸一個視頻數(shù)據(jù)時，它首先計算基于(I,P,B)幀格式的冗余子數(shù)據(jù)包數(shù)nb_redundant_sub_pkts。采用非均衡的保護策略。因此，假定I幀、P幀和B幀的冗余率分別為PR_I、PR_P和PR_B。然后，再依據(jù)三個幀的冗余率，選擇相應(yīng)的nb_redundant_sub_pkts值。最終，生成視頻數(shù)據(jù)包，再向鄰居節(jié)點傳輸。源車輛產(chǎn)生視頻數(shù)據(jù)包的偽代碼如圖3所示。

圖3 源車輛產(chǎn)生視頻數(shù)據(jù)包的代碼

2.3 視頻數(shù)據(jù)包的接收

一旦接收到視頻數(shù)據(jù)包，節(jié)點從中數(shù)據(jù)包中提取數(shù)據(jù)包首部信息，即Sub_pkt_size、nb_redundant_sub_pkts、nb_source_sub_pkts的值。然后，再依據(jù)這些值，并利用SPER標準計算EPER。計算過程如下。

假定視頻數(shù)據(jù)包數(shù)為N。首先，估計BER。EUDP先估計在時間段dt內(nèi)的BER，定義如式(1)所示。

(1)

其中Success(dt)表示在時間段dt內(nèi)成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)，相應(yīng)地，Total(dt)表示在時間段dt內(nèi)傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)包數(shù)。

接下來，計算SPER，其表示接收車輛不能恢復的子數(shù)據(jù)包視頻的概率，其定義如式(2)所示。

SPER=1-(1-BER)sub_pkt_size

(2)

最后，計算有效數(shù)據(jù)包差錯率(Effective Packet Error Rate, EPER)。EPER表示接收車輛不能恢復視頻數(shù)據(jù)包的概率，定義如式(3)所示。

(3)

其中k、h分別表示數(shù)據(jù)包中OSP、RSP數(shù)。

一旦計算EPER后，接收車輛就隨機地產(chǎn)生一個數(shù)r，且r∈[0,1]。然后將r與EPER進行比較。如果r值大于EPER，則說明接收車輛能夠恢復數(shù)據(jù)包，并接收該數(shù)據(jù)包。否則，就丟棄此數(shù)據(jù)包。接收視頻數(shù)據(jù)包的偽代碼如圖4所示。

圖4 接收視頻數(shù)據(jù)包的處理過程

3 性能仿真

3.1 仿真參數(shù)及性能指標

依據(jù)NS2.35[11]建立仿真平臺，分析EUDP性能。同時，引用Evalvid 框架[12]產(chǎn)生源車輛、接收車輛端的VSG的軌跡文件。同時，再采用SUMO[13]產(chǎn)生車輛移動模型。仿真過程中，選擇AODV作為路由協(xié)議，并選擇視頻數(shù)據(jù)包由400幀構(gòu)成，且采用IBBPBBPBB的GoP結(jié)構(gòu)。

為了更好地分析EUDP性能，選擇EUDP-E、傳統(tǒng)的UDP協(xié)議進行比較。其中EUDP-E是基于UDP，并采用SPFEC策略，但沒有采用非均衡的視頻幀類型。同時，在EUDP-E協(xié)議中，所有視頻數(shù)據(jù)包(I,P,B)中的冗余子數(shù)據(jù)包數(shù)相同。此外，EUDP協(xié)議中I幀、P幀的冗余子數(shù)據(jù)包是B幀冗余子數(shù)據(jù)包數(shù)的兩倍。因為，I幀和P幀的重要性高于B幀。仿真參數(shù)如表1所示。

表11 仿真參數(shù)

仿真參數(shù)值仿真參數(shù)值車輛數(shù)100場景V2V通信視頻文件Foreman.yuv路由協(xié)議AODV視頻數(shù)據(jù)尺寸1024 bits子數(shù)據(jù)包尺寸100 bits通信半徑300m比特誤碼率0-0.005傳播模型TowRayGround視頻幀數(shù)400

3.2 實驗一

首先分析變化的BER對平均EPER和視頻數(shù)據(jù)包傳輸率的影響，數(shù)據(jù)如圖5所示。

從圖5a可知，BER的增加，增加了平均EPER。但是，UDP協(xié)議的平均EPER隨BER的增加上升遠高于EUDP和EUDP-E。原因在于：UDP協(xié)議并沒有采用差錯數(shù)據(jù)包的恢復機制，而EUDP和EUDP-E采用冗余機制去恢復錯誤的子數(shù)據(jù)包。與EUDP-E協(xié)議相比，EUDP協(xié)議的平均EPER得到一定的控制。這主要是因為：EUDP協(xié)議中I幀和P幀的冗余率高于B幀，而EUDP-E協(xié)議采用相同的冗余率，對這些幀并沒有區(qū)分。

圖5 變化的BER對平均EPER和數(shù)據(jù)包傳輸率的影響

圖5b顯示了UDP、EUDP和EUDP-E協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳輸率隨BER的變化曲線。從圖5b可知，BER的增加，降低了數(shù)據(jù)包傳輸率。與UDP、EUDP-E協(xié)議相比，提出的EUDP協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳輸率得到有效地提高，原因在于：EUDP協(xié)議的平均EPER低于UDP、EUDP-E協(xié)議的EPER。

3.3 實驗二

實驗二分析在BER=0.02時，400幀的PSNR和MOS性能，實驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

從圖6a可知，與EUDP-E協(xié)議相比，在400幀視頻數(shù)據(jù)中，EUDP協(xié)議的PSNR得到有效地提高，原因在于：EUDP-E協(xié)議并沒有對I、P幀進行保護策略，這也降低了B幀的視頻服務(wù)質(zhì)量。此外，UDP協(xié)議的PSNR最低，這主要是因為UDP并沒有采用任何差錯恢復機制。

圖6 所有視頻幀對PSNR和MOS的性能影響

與圖6a相似，圖6b也顯示了BER=0.02環(huán)境下的400幀的MOS值。從圖6b可知，EUDP協(xié)議的多數(shù)幀的視頻質(zhì)量是優(yōu)化，MOS值達到4。這遠高于EUDP-E和UDP協(xié)議。例如，UDP協(xié)議的MOS值只為1，而EUDP-E協(xié)議的多數(shù)MOS值也為1。

3.4 實驗三

本次實驗分析在不同BER對平均PSNR和平均MOS的影響，實驗數(shù)據(jù)如圖7所示。

從圖7a可知，在BER的變化區(qū)間，UDP協(xié)議的平均PSNR遠低于EUDP和EUDP-E。原因在于：UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳輸率低于EUDP和EUDP-E協(xié)議。此外，EUDP協(xié)議的平均PSNR高于EUDP-E，這主要是因為：EUDP協(xié)議對I幀和P幀提供了更高的保護。

圖7b顯示了BER對平均MOS的影響。從圖可知，當BER低于0.003時，EUDP協(xié)議提供了更高的視頻流的服務(wù)質(zhì)量(平均MOS達到4)。而EUDP-E協(xié)議僅在BER低于0.002時，平均MOS達到4。但是UDP協(xié)議的視頻流服務(wù)質(zhì)量更差，僅在BER低于0.001時，它的平均MOS才達到4。這些數(shù)據(jù)表明，相比于EUDP-E和UDP協(xié)議，EUDP協(xié)議采用了強健的差錯恢復機制。

圖7 BER對平均PSRN和平均MOS的性能影響

4 總結(jié)

本文針對車載網(wǎng)絡(luò)的視頻流傳輸問題，提出基于UDP改進的EUDP協(xié)議。與UDP協(xié)議不同，EUDP協(xié)議采用SPFEC策略恢復錯失子數(shù)據(jù)包，同時引用非均衡的視頻幀格式，提高視頻數(shù)據(jù)包接收端的服務(wù)質(zhì)量。實驗數(shù)據(jù)表明，相比于UDP和EUDP-E協(xié)議，EUDP協(xié)議具有低的EPER和高的數(shù)據(jù)包傳遞率，并且提高了PSRN和MOS。

后期，在EUDP協(xié)議基礎(chǔ)上融入交錯控制技術(shù)，避免視頻的突發(fā)差錯，進而提高EUDP協(xié)議的性能。