网络传送论文：无线网络的流式传送作用评析范文

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作者：刘婷婷杨维王玉柱单位：北京交通大学电子信息工程学院华北计算技术研究所航空信息系统部

影响流媒体性能的主要因素

对于P2P流媒体系统的视频质量一般可采用客观视频质量评定方法。客观测量基于仿人眼视觉模型的原理对图像质量进行客观评估，并给出客观评价分。ITU-R视频质量专家组规定了两种评估方法：峰值信噪比（PSNR——PeakSignalNoiseRatio）和均方差(MSE——MeanSquareError)。本文采用易实行、速度快的PSNR视频质量评定方法。一般来说，PSNR的值越高，视频质量越好，反之亦然。为分析影响流媒体性能的主要因素，图1给出了P2P视频流在网络中的编码、传输与解码过程。

视频数据从源节点经过应用层的编码、P2P覆盖层的转发、路由层的路径选择、MAC层的信道分配和无线Mesh链路传输到达目的节点，用户终端经过解码后才能观看网络视频。从应用层至物理层都有因素影响了无线Mesh网络中的P2P流媒体性能。在这个过程中，流媒体的编解码方式、编码速率、数据转发路径的选择和跳数为应用层因素。本文针对上述四种应用层因素从Mesh网络测试的角度进行了评估。编解码方式是影响流媒体质量的直接因素，因为源数据经过编码以后才能在网络中传输，目前主流的视频压缩编码标准如H.263、MPEG-4和H.264均采用运动估计技术进行视频编码，这会造成帧速率的降低、保真度的下降以及马赛克的出现。其表现为视频播放不流畅、画面没有原来那么清晰。相应地接收端在接收到视频数据包以后需要解码才能在用户端播放。由于无线Mesh网络的带宽有限，所以编码文件的比特率（编码速率）不能太大，而比特率太小会造成画面质量不理想，影响视频的PSNR值。

数据转发路径的选择包括P2P与非P2P两种方式。已有的研究多数选择P2P的方式。它最大的优点就是对等点边下载边上传，减轻了服务器的负担，然而P2P技术不能照搬有线网络中的算法直接用于无线Mesh网络，原因是增加的对等点之间的数据流也带来了不同数据流之间的干扰（流间干扰），影响了P2P流媒体性能。虽然最小跳数已被证明不是无线Mesh网络的最佳路由策略,但是文献指出，在链状拓扑的无线Mesh网络中，VoIP（VoiceoverIP,网络电话）业务的质量随着跳数的增加而下降，猜想无线Mesh网络中的流媒体性能也与跳数有关。因此本实验针对跳数对视频质量的影响给出了测试结果。

基于无线Mesh网络的P2P流媒体实验平台设计

1硬件平台

为了测试上述因素对流媒体性能的影响，在20米×20米的开放区域搭建了一个无线局域Mesh网络，并在应用层部署了P2P流媒体系统。整个无线Mesh网络由无线Mesh路由器、流媒体服务器、网关和终端用户组成，具体网络架构、IP设置和信道分配信息如图2所示。图2具有典型的无线Mesh网络的自组网、多跳路由、多信道和冗余链路的特性。无线Mesh路由设备采用Strixsystem公司生产的OWS（OutdoorWirelessSystem，室外无线系统）和IWS（IndoorWirelessSystem，室内无线系统）1。其中，OWS设备是整个Mesh网络的控制中心，可以发现网络中新加入的设备，控制网络拓扑，监视每个Mesh节点的状态，更改数据传输信道和报告设备故障等。IWS节点具有转发、接入、覆盖功能。为了避免干扰，无线Mesh设备之间的回程链路与覆盖链路的信道中心频率间隔设为大于160MHz，如图2中IWS-5的覆盖链路选用ch132（中心频率5660MHz），回程链路选用ch100（中心频率5500MHz）。在设备自带的软件中设置信号强度切换阈值为-90dBm，因此一旦检测到该信道信号强度低于-90dBm设备就自动切换一条系统认为最佳的信道，实验模型采用基于多径路由的路由算法，即一旦检测到某条链路太弱便自动切换到备用链路。由于载频为5.8GHz的IEEE802.11a干扰小，传输距离和干扰距离短，适合室内小范围实验，因此实验中的无线局域网协议采用IEEE802.11a标准。测试中将图2所示的两个网段所有设备的IP互相ping通，表示整个实验平台和测试环境已经搭建成功。

2软件平台

为了使终端用户能够通过P2P方式点播流媒体服务器上的视频，在PC0上安装了P2P服务器软件——Webplayer9服务器，所有终端用户均装有P2P播放器——Webplayer9播放器和编解码器2，使用该软件的终端共同组成一个对等网络。为了在实验中将P2P技术与非P2P技术作对比，在PC0安装了非P2P服务器软件——HelixServer3和非P2P播放器软件——RealPlayer，使用HelixServer和RealPlayer部署的点播平台只能使用户采用C-S(客户端—服务器)模式获取视频。

为便于进行可控的重复试验，更好地控制从流媒体服务器到终端用户的各项网络参数，在网关安装了NISTNet4工具，它是能够动态实时仿真IP网络环境的开源工具，能够使主机开启路由功能从而实现网络中端到端之间的重要网络层参数如带宽、时延、抖动和丢包率等的模拟，在本实验中安装在双网卡主机上使其充当网关。通过在计算机终端界面输入所要控制的终端的IP地址和具体参数值即可控制网络层参数。

实验结果与分析

下面分别对编解码方式、编码速率、数据转发路径的选择和跳数等因素对无线Mesh网络中P2P流媒体性能的影响进行了测试与分析。

1编码方式与视频质量的关系

为了测试H.263，H.264和MPEG-4三种主流的编码方式对流媒体性能的影响，将三种编码方式编码的视频放在服务器上，所有用户终端通过无线Mesh网络同时向服务器请求相应的视频数据。实验场景如图3所示。终端用户PC1—PC6分别上连到IWS-1—IWS-6，两台无线设备的间隔约5米。

PC1-PC6同时向流媒体服务器请求观看同一视频，在3种编码方式下各进行一次实验。每次试验在确保各PC已成功加载视频之后视频观看完成之前测试带宽、时延、吞吐量和PSNR等参数。测试时间从视频开始播放的时刻起持续2分钟。在PC1处测得3种编码方式对应的上下行带宽变化如图4(a)和图4(b)所示。带宽的波动意味着无线Mesh网络单位时间传送数据量的多少变化。本实验测得的带宽值是指除数据占用带宽以外的剩余带宽，因此测得的网络带宽值越小说明此时视频数据已经占用的带宽越大。

从图4(a)和图4(b)可以看出，采用H.263和MPEG-4两种方式编码的视频在网络中传输时造成的上行带宽和下行带宽波动都很大，相对而言H.264编码的视频在传输过程中的带宽比较稳定。此时的视频质量和其它网络参数对比如表1所示。观察表1可以看出，PSNR值较高的是MPEG-4编码的视频(20.6dB)和H.264编码的视频(20.0dB)，但是由于丢包的存在使得在MPEG-4编码的视频在播放过程中出现了3次停顿和轻微的马赛克现象。

PSNR值最低的是H.263编码的视频，而且在视频点播后加载缓冲时间间断累积长达20秒。由于流媒体是对时延敏感的业务，在无线Mesh网络中选择编码方式时，应该选择时延尽可能小，PSNR值尽可能高的编码方式。相对而言，H.264编码的视频PSNR值较高(20.0dB)，平均时延为4.3ms，视频播放没有停顿现象，视频占用带宽适中，并没有造成网络带宽的大幅度波动。因此H.264编码方式更适合无线Mesh网络中流媒体的传输。

2编码速率与视频质量的关系

为了测试不同编码速率对流媒体性能的影响，将编码速率分别为300kbps、500kpbs、1000kbps、1500kbps、2000kbps、2500kbps和3600kbps的视频放在流媒体服务器上，终端用户PC1—PC6通过无线Mesh网络向流媒体服务器PC0请求同一视频数据。实验场景同4.1节。在确保各台PC已成功加载视频之后视频观看完成之前测试7种不同编码速率条件下的带宽、时延、吞吐量和PSNR等参数。7种不同编码速率条件下分别进行一次实验，每次实验除编码速率不同以外其它实验条件如网络拓扑和丢包率完全相同。在PC1处测得不同编码速率对应的视频质量（平均PSNR值）如表2所示。

观察表2可以发现，不同编码速率的视频的PSNR值的变化趋势大体相同，都是在视频的前500帧PSNR值偏高，500帧以后PSNR值有所下降。最差的帧都集中在第760帧、第3400帧附近。根据表2的结果，编码速率的增加并没有带来PSNR值的增大。吞吐量和时延等网络层参数与PSNR也没有直接的关系。PSNR值只与编码速率和网络连接速度之差有关。当编码速率小于网络最大连接速度时会造成PSNR值的下降。即表中编码速率为3600kbps的情况。因此必须确保流媒体文件的编码速率小于网络连接速度才能获得高质量的视频。

3数据转发路径的选择对视频质量的影响

为了测试两种数据转发方式（P2P与非P2P方式）对无线Mesh网络流媒体性能带来的影响，实验分析了P2P方式下产生的增益与干扰，并从丢包率、时延、吞吐量和PSNR四个方面将P2P方式与非P2P方式进行了对比。

3.1P2P方式的优势

实验场景仍如图3所示。终端用户PC1—PC6同时向PC0请求点播同一视频。两种不同的数据转发方式下分别进行一次实验。除数据转发方式不同以外其它实验条件如网络拓扑和丢包率完全相同。第一次实验采用P2P技术，用NISTNet工具控制PC0→PC6的丢包率分别为0%、5%和10%，测试此时网络的吞吐量、时延和PC6接收到的视频的PSNR值；第二次实验采用非P2P技术，其余测试过程和测试条件与第一次实验相同。在PC6处测得随着丢包率的变化，采用P2P技术与采用非P2P技术的结果对比如表3所示。

从表3实验结果可知，在丢包率为0%和5%的情况下，采用P2P技术与采用非P2P技术的吞吐量几乎相等，前者时延比后者小3ms，所获得的视频质量只相差0.5dB，而当丢包率达到10%以后，采用P2P技术比采用非P2P技术吞吐量高出400kbps，时延减少15.5ms，所获得的视频质量高出2.4dB。

从横向数据来看，随着丢包率的上升，采用P2P技术的情况下网络性能和流媒体质量稳中有升，而采用非P2P技术的网络性能和流媒体质量均下降。因此，在丢包率小于10%的情况下P2P技术能避免因丢包带来的质量下降，而对非P2P来讲丢包率的增加会造成网络性能和流媒体性能的下降。

3.2P2P方式下带来的干扰

图5和图6是在PC6处测得的采用P2P技术与非P2P技术获得的流媒体PSNR曲线对比，通过观察图5可知，采用P2P技术获取的视频平均PSNR值为19.1dB，非P2P的平均PSNR值16.2dB，采用P2P技术比采用非P2P技术的视频质量平均高出2.9dB，最高可高出5-7dB。从图6的结果可以看出，1000帧以后，P2P技术的优势就不存在了，P2P情况下PSNR平均值为13.5，非P2P的平均PSNR值为13.7，两者几乎相等。

为了找出造成P2P流媒体在1000帧以后PSNR值下降的原因，实验测试了1000帧以后的网络性能。由于P2P技术与非P2P技术的根本区别在于前者客户端参与转发而后者客户端只接收不上传，这就造成了前者网络中存在的数据流比后者多。因此实验对比了下面两个场景的性能差异：一是PC5、PC6同时向PC0请求点播视频，即两条数据流；二是仅PC6向PC0请求视频，即只有一条数据流。实验结果如表4和图7所示。从表4可以看出，一条数据流比两条数据流的情况在信号强度和上下行带宽方面都有提高。由图7的实验结果可知，一条数据流的平均吞吐量比两条数据流的平均吞吐量高出200kbps。这是由于采用P2P技术的客户端之间为了对抗丢包而增加了互传的数据流，从而导致了网络中同时传输的数据流增多，带来不同数据流之间的流间干扰，因而降低了网络的端到端吞吐量，起初仅有零星的丢包，而丢包事件发生后持续“繁殖”下去，造成了PSNR值的下降越来越快，在经历了40秒的“繁殖”后，即在1000帧以后显示出PSNR值的迅速下降。从图5和图6可知，采用P2P技术的1000帧以后比前1000帧平均PSNR值降低了6dB。可见，流间干扰严重影响了P2P流媒体的性能。因此，在无线Mesh网络中设计P2P覆盖层数据转发路径算法时，必须充分考虑到流间干扰的影响，数据转发树的出度即客户端的下属子节点数目要适中，太少不能充分发挥P2P技术的优势，太多会造成流间干扰。

跳数对流媒体性能的影响

为了测试跳数对流媒体的影响，在图3的实验场景中，使PC1-PC6同时向PC0以P2P方式点播视频，用NISTNet工具控制OWS→PC6的丢包率，分别测试了OWS→IWS-2(一跳)、OWS→IWS-5(两跳)和OWS→IWS-6(三跳)三种情况下的吞吐量随丢包率的变化、跳数对时延的影响以及此时PC2(一跳)、PC5(两跳)、PC6(三跳)接收到的视频PSNR值。实验结果如图8、图9和表5所示。由图8的实验结果可知，在无线Mesh网络中传输P2P流媒体时，丢包事件产生后会持续繁殖下去，但这种繁殖对网络传输能力造成的影响需要一定的反应时间，因此吞吐量并不一定随着丢包率的上升而严格下降。但是吞吐量随着跳数的增加而迅速下降，这与实验中的PC2、PC5、PC6为链状拓扑结构有关。而从表4-55可以看出，时延随着跳数的增加而迅速增加。这意味着无线Mesh网络的传输能力与跳数的多少成反比，跳数越多，网络性能越差。根据图9的结果，在无线Mesh网络中传输P2P流媒体视频时，一跳、两跳、三跳情况下的平均PSNR值分别为20.4dB、19.2dB、20.3dB，两跳的情况最差。一跳的情况在100帧之前比两跳的情况平均高出1.2dB，最高高出3.9dB；比三跳的情况平均高出1.5dB，最高高出5.5dB。随着视频的播放，100帧以后，三跳的PSNR值比一跳平均高出0.6dB，最高高出4.0dB；比两跳平均高出1.5dB，最高高出4.7dB。因此，在P2P技术与无线Mesh网络结合的环境中，虽然无线Mesh网络性能与跳数的多少成反比，但是跳数对流媒体性能的影响并不完全符合PSNR值与跳数成反比的规律。这是因为影响无线Mesh网络中P2P流媒体PSNR值的因素不仅包括跳数，还包括数据转发路径的选择、流间干扰，以及P2P覆盖层拓扑结构等因素。因此在无线Mesh网络中传输流媒体时，特别当无线Mesh网络拓扑为链状时可以借助P2P技术来减少因网络性能下降而造成的视频质量降低。

结束语

本文将无线Mesh网络与P2P技术相结合，分析了影响流媒体性能的主要因素，采用实际的实验平台测试了流媒体编解码方式、编码速率、数据转发路径的选择和跳数四个因素对P2P流媒体的影响并对P2P技术在无线Mesh网络中的应用可行性给出了实验结果和分析，讨论了覆盖层算法研究和应用层拓扑设计需考虑的问题，结论如下：采用H.264编解码标准更适合无线Mesh网络中流媒体的传输；编码速率必须不大于网络连接速率才能获得高视频质量。

采用P2P技术可以抵抗10%的丢包对视频质量的影响，但是随着丢包率的上升，P2P技术为抵抗丢包会采取增加节点之间转发路径条数的策略，由此带来的流间干扰会降低流媒体质量。因此在设计无线Mesh网络中的数据转发路径时必须考虑P2P技术带来的流间干扰问题。跳数的增加降低了无线Mesh网络传输能力，但是在P2P技术与无线Mesh网络结合的环境中，流媒体性能并未随着跳数的增加而下降。因此在设计无线Mesh网络的应用层拓扑结构时，特别当拓扑为链状时可以借助P2P技术来减少视频质量的下降。