CN104093009A - 无线自组织网络中基于网络效用的视频传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线自组织网络中基于网络效用的视频传输方法，属于无线自组织网络中视频传输相关技术领域。该方法包括以下步骤：首先，通过基于价格的分布式发送速率与可靠性优化策略，实现业务发送速率、可靠性和网络拥塞之间的权衡；其次，把用户等级与业务类型结合并根据经验指定业务的优先级；然后，制定优先级的接纳控制和拥塞控制方案；最后，提出基于网络效用的视频传输模型。本发明所述方法能够有效的提高视频传输质量。

Description

无线自组织网络中基于网络效用的视频传输方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及无线自组织网络中视频传输等相关技术，特别涉及一种无线自组织网络中基于网络效用的视频传输方法。

背景技术

实时视频在网络中传输时需要较大的带宽和稳定的路径，对时延和丢包十分敏感，这对于带宽受限、网络拓扑动态变化的无线自组织网络是一项挑战。如何利用有限的带宽资源来传输更多视频流，如何应对网络拓扑变化和无线路径损耗等导致的视频质量下降问题，如何在无中心的网络中控制视频流的发送速率避免网络拥塞，都是无线自组织网络中的视频传输需要解决的问题。

目前，国内外对无线自组织网络中视频传输的研究主要集中在视频编码、多径传输、多播传输及跨层视频传输方法，大多从业务的角度考虑如何实现视频的高效传输，忽略了网络能够为传输提供的QoS支持。业务的高质量传输需要一条稳定的链路和充足的网络资源，然而无线自组织网络的网络拓扑动态变化，网络资源十分有限，无法为业务提供优质的服务，如何充分地利用有限的网络资源来更有效地传输数据以提升网络资源利用率是提供QoS保障的前提。

考虑基于某一目的搭建的无线自组织网络的最终目标都是为了更好地服务用户，用户能够使用网络传输的业务越多，网络的资源利用率越大，网络发挥的效用就越大。在充分利用网络资源的同时，要避免引起网络拥塞从而导致网络瘫痪，这需要数据发送速率与网络拥塞之间进行权衡，使得网络效用最大化。

因为网络资源情况动态变化，视频质量在用户能够接受的前提下也可适当变化。为了有效的利用网络资源，在无拥塞的链路可以适当增加视频的传输速率，提高视频质量。在网络发生拥塞时，应通过降低视频发送速率甚至中断发送来消除拥塞，提升网络的鲁棒性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无线自组织网络中基于网络效用的视频传输方法，该方法能够有效的提高视频传输质量。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种无线自组织网络中基于网络效用的视频传输方法，包括以下步骤：首先，通过基于价格的分布式发送速率与可靠性优化策略，实现业务发送速率、可靠性和网络拥塞之间的权衡；其次，把用户等级与业务类型结合并根据经验指定业务的优先级；然后，制定优先级的接纳控制和拥塞控制方案；最后，提出基于网络效用的视频传输模型。

进一步所述基于价格的分布式发送速率与可靠性优化策略，每个源节点负责求解源优化问题和更新可靠性价格，每条链路负责求解链路优化问题和更新拥塞价格，链路优化问题又分为链路层优化问题和物理层优化问题。

λ^s(t)＝Σ_l∈L(s)λ_l,s(t)表示第t次迭代的端到端拥塞价格，R^s(t)＝1-Σ_l∈L(s)E_l(r_l,s(t))是第t次迭代的端到端可靠性，λ_l,s是流s使用链路l每单位速率的价格，μ_s是流s每单位可靠性需要付给网络的价格，x_s为流s的发送速率，R_s为流s的可靠性。

源端执行如下步骤：

1)接收网络反馈回来的消息λ^s(t)和R^s(t)；

2)把上次迭代得到的可靠性价格，即这次迭代中的μ_s(t)代入下式

maximizeU′_s(x′_s,R_s)-λ^s(t)x′_s-μ_s(t)R_s

$s.t.x_s^{\′\min }\≤x_s^{\′}\≤x_s^{\′\max }$

$R_s^{\min }\≤R_s\≤1$

得到数据流s的发送速率x′_s(t+1)；

3)利用μ_s(t+1)＝[μ_s(t)-β(t)(R^s(t)-R_s(t))]⁺得到用户需要为可靠性需求支付的价格μ_s(t+1)；

4)把x′_s(t+1)和μ_s(t+1)发送给流s经过的所有链路l∈L(s)。

链路l执行如下步骤：

1)接收所有s∈S(l)的发送的信息x′_s(t)和μ_s(t)；

2)把上次迭代得到的拥塞价格，即这次迭代中的λ_l,s(t)代入下式求解

$\max \mathrm{imize}\underset{s\∈S\left(l\right)}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{l,s}\left(t\right)\log c_{l,s}$

$s.t.\underset{s\∈S\left(l\right)}{\mathrm{\Σ}}{c}_{l,s}\≤C_l^{\max }$

$0\≤c_{l,s}\≤C_l^{\max },s\∈S\left(l\right)$

得到l可以分配给s的传输容量c_l,s(t+1)；

3)把λ_l,s(t)和收到的μ_s(t)代入下式求解

maximize λ_l,s(t)logr_l,s-μ_s(t)E_l(r_l,s)

s.t.0≤r_l,s≤1，s∈S(l)

得到物理层对于流s的码率r_l,s(t+1)；

4)利用下式求解

λ_l,s(t+1)＝[λ_l,s(t)-β(t)(logc_l,s(t)+logr_l,s(t)-x′_x(t))]⁺＝[λ_l,s(t)-β(t)(logc_l,s(t)+logr_l,s(t)-logx_s(t))]⁺,s∈S(l)

得到链路l的拥塞价格λ_l,s(t+1)；

5)把λ_l,s(t+1)和r_l,s(t+1)发送给所有使用链路l的流s∈S(l)。

进一步所述考虑用户等级的业务区分包括：一般的业务区分方法只限于通过业务的类型划定不同的优先级从而获得不同的传输服务，本发明主要应用于应急通信指挥调度的场景中，这种应用场景一般包括三类终端节点，即固定指挥所的固定节点、移动指挥车的车载节点和移动终端的单兵节点。利用自组织的方式实现终端节点之间的连接，任何一个终端节点都能够实现独立指挥，发挥指挥中心的作用，在指挥调度过程中，用户的等级影响到业务的重要性，从而导致同类型业务的优先级可能会不相同。例如在军事环境中，在网络中指挥人员发布的文字消息可能比一般士兵发送的视频更加重要，如果按照一般的业务区分，网络会牺牲低优先级文字消息的传输来保障高优先级视频的传输，这肯定不是网络建设的目的。

考虑用户等级的业务区分执行以下步骤：根据时延敏感程度，将业务分为会话类(CC)、流媒体类(SC)、交互类(IC)和背景类(BC)四种类型，从背景类到交互类到流媒体类到会话类，时延敏感程度依次增加。区分服务DiffServ(Differenciated Service)模型把进入网络的报文进行分类，用IP报文头部服务类别标识(TOS，Type Of Service)字段中的前6比特来区分网络中报文的优先级，这6个比特被称为DSCP(Differentiated Services CodePoint)值，取值范围为0～63。考虑应急通信指挥调度网络环境，根据网络中的用户的重要性，把具有丰富指挥信息、实现与其他部门对接、具有较高安全性的固定节点定义为高级用户(H级)，把能源充足、移动性强的车载节点定义为中级用户(M级)，把灵活性强、功能最少的单兵节点定义为低级用户(L级)，所有用户都能发送CC、SC、IC、BC四种业务。对DiffServ模型中的DSCP格式进行改写，引入用户等级，用DSCP值的前三比特来区分，100代表高级用户，010代表中级用户，001代表低级用户，使用DSCP的后三比特来区分业务类型，100代表会话类，010代表流媒体类，001代表交互类，000代表背景类，不同的DSCP值对应不同的用户级别和不同的业务。

根据对时延的敏感性对业务进行分类无法准确的表示业务的重要程度，需要根据实际的应用场景和当前的网络环境来评估业务传输的优先级。如果业务传输的信息量大且耗费的网络资源少，那么这个业务对网络资源的利用率就高。另外，在网络资源受限的无线自组织网络中，需要根据用户的需求合理的分配网络资源，从而满足用户对网络的需求。下面根据经验把三个级别的用户的十二种业务划分优先级，如表1所示。

表1业务优先级划分

DCSP值	业务类型	优先级
			100001	H-IC	1
010001	M-IC	2
			001001	L-IC	3
100100	H-CC	4
			010010	M-SC	5
001010	L-SC	6
			010100	M-CC	7
001100	L-CC	8
			100010	H-SC	9
100000	H-BC	10
			010000	M-BC	11
001000	L-BC	12

其中IC业务指节点间的命令发布、命令响应等能高效指导用户行为的业务，CC业务指语音通话、视频会议等业务，SC业务指视频图像传输等时延要求不太高的流媒体业务，BC业务指文件传输、数据库更新等业务。表1是在应急通信指挥调度网络环境中总结出的经验优先级分配方案，1-3优先级设置为用户间的交互业务是因为这类业务占用的网络资源少，一般是间歇性的，不需要网络为其预留资源，且能进行有效地指挥，即使在网络环境十分恶劣的情况下也能传输。4-6是根据实际应用中的重要性来分配的，固定节点处指挥人员通过语音(H-CC)发布命令，车载节点和单兵节点把现场的视频图像(M-SC、L-SC)发送给指挥人员，这些业务需要占用较多的网络资源，但能为指挥决策提供丰富的辅助信息。在网络状况良好的情况下，M-CC和L-CC使得用户间的交流更加直接方便，因此分别设置它们的优先级为7和8。固定节点一般不需要发送指挥中心的视频图像，因此H-SC设置较低的优先级。BC类业务为指挥调度提供额外的信息，缺少时不会影响指挥决策，优先级最低。

进一步所述带宽估计与管理，业务的传输与路径上的可用带宽关系密切，使用一条满足业务带宽要求的路径来传输能够有效地保障业务的质量。网络中的节点周期性的估计本地的可用带宽，可以为本节点的数据发送和转发提供调整依据，在一定程度上避免了网络拥塞的出现，同时保障已有业务的传输不受影响。

基于MAC层的IEEE802.11协议，节点可以通过监听信道的忙闲状态计算信道利用率，利用信道容量与利用率来计算可用带宽。在采样周期T内的信道利用率R可以有下式得到：

为了减小估计值的误差，引入平滑因子α∈[0,1]，把采样值与历史估计值加权相加，得到当前的信道利用率：

R_t＝αR_t-1+(1-α)R R_t∈[0,1]

节点在时刻t的可用带宽为：

W_t＝βC(1-R_t) β∈(0,1)

其中C是信道容量(IEEE802.11无线信道容量为2Mbps)，β是环境影响因子，表示受实际环境影响的信道容量小于理论值。

另外，业务在网络中传输的速率介于最小带宽需求和最大带宽需求之间，小于最小带宽需求不能保证业务的质量，高于最大带宽需求也不会大幅度提升服务质量反而浪费网络资源。这里引入弹性带宽这个概念，来表示业务传输速率与业务总最小需求带宽的差值，在保证原有业务传输最低要求的同时，释放弹性带宽归入到可用带宽为网络资源不足时数据的传输提供可能。建立带宽信息表来记录流经节点的业务流的带宽使用信息，如表2所示。

表2带宽信息表

进一步所述接纳控制，CC业务和SC业务数据量大、持续时间长，传输期间会长时间占用网络资源。为了使业务在网络中传输时能获得较高的服务质量，源节点收到传输请求时通过接纳控制模块判断是否存在足够多的网络资源来保证业务的传输，执行如下步骤：

(1)业务发起传输请求，首先需要业务区分模块对业务进行分类，然后针对不同的业务类型进行接纳控制，1-3优先级的业务可以直接传输，4-9优先级的业务需要发送探测请求包寻找一条满足最小带宽要求的路径，10-12优先级的业务通过速率控制模块直接发送；

(2)接纳控制模块首先判定源节点的可分配带宽是否满足业务的最小需求带宽，可分配带宽包括可用带宽和弹性带宽。如果满足，则执行步骤3。如果不满足，则执行步骤(4)；

(3)向目的节点发送探测请求包来获取路径上的可用带宽信息，探测请求包中包含业务类型和最小需求带宽字段；

(4)那么判断低于该业务优先级的其他业务的最小可用带宽与节点可分配带宽之和是否满足带宽需求，如果满足，也向目的节点发送探测请求包，否则拒绝业务接入；

(5)中间节点收到探测请求包时，获取探测请求包中的业务类型和最小需求带宽字段，判定本节点的当前可分配带宽是否大于最小需求带宽，如果大于，直接转发探测请求包。如果小于，则判定低于该业务优先级的其他业务的最小可用带宽与节点可分配带宽之和是否满足带宽需求，如果满足，也向目的节点转发探测请求包，否则回复源节点拒绝业务接入；

(6)目的节点收到探测请求包后，也需要判定本节点的带宽资源是否满足业务的接收，如果满足，向源节点回复探测应答包，并把探测请求包中的业务类型和最小需求带宽加入带宽信息表，如果需要带宽信息表中的已有业务释放弹性带宽，则从优先级最低的业务开始释放直到满足最小带宽需求，如果可分配带宽小于最小需求带宽，则从优先级最低的业务开始中断业务的传输释放资源直到满足最小带宽需求；

(7)中间节点收到探测应答包，同样把业务信息加入带宽信息表，并进行一系列的措施为新接入业务提供足够的带宽；

(8)源节点收到探测应答包后，把业务信息加入带宽信息表，接受业务的传输请求并开始发送数据。

从以上分析可以看出，接纳控制模块以带宽资源作为业务接纳与否的标准，通过对弹性带宽及优先级的利用，尽可能实现更多更重要业务的传输，同时保障业务传输的最小带宽需求。

进一步所述拥塞控制，在服务质量能够被用户接受的前提下，业务的传输速率可以在一定范围内变动。例如在接纳控制流程中，通过降低业务的发送速率以释放业务占用的弹性带宽，而在网络可用资源较多时，通过增大业务的发送速率来提升用户收到的业务质量。

业务传输过程中，使用基于价格的分布式发送速率与可靠性优化策略来进行业务的发送速率、可靠性与网络可用资源之间的协调，实现网络效用的最大化。基于价格的分布式发送速率与可靠性优化策略能够最大限度的利用网络资源，并且根据网络拥塞情况自适应调整业务的发送速率和可靠性要求，但由于无线链路的干扰或网络拓扑结构的变化不可避免的会出现网络拥塞，当节点感知到网络拥塞时，首先检查自身的带宽信息表，向优先级最低的业务发送拥塞通知，通知源节点降低发送速率，释放弹性带宽。如果还未消除拥塞现象，那么继续向带宽信息表中较高优先级的业务发送拥塞通知以释放弹性带宽。如果所有的弹性带宽都已释放还未消除拥塞，那么逐次从最低优先级的业务开始发送拥塞中断消息通知对应的源节点中断业务的传输直到消除网络拥塞。源节点收到拥塞通知后，降低业务发送速率，但保证业务的最小需求带宽，当源节点收到拥塞中断消息后，说明业务的传输会加剧网络拥塞且接收端不一定能收到足够多的正确数据包以恢复数据，这时中断业务的传输以释放所占用的网络资源，在业务传输中断后，源节点可以重新发起探测请求包另外寻找一条满足最小带宽需求的路径。

上述拥塞控制机制的主要思路是在发生网络拥塞时尽量不中断业务的传输以达到消除拥塞的目的，如果还不能消除拥塞，则选择牺牲低优先级业务来保障高优先级业务的传输。

进一步所述视频传输模型，为了保障视频数据在无线自组织网络中的传输，本文研究了网络能够为传输提供的保障行为。首先，把用户等级的影响引入到业务分类当中，在3GPP业务分类的基础上，根据经验把不同等级用户对应的各类业务进行优先级划分，因此源节点需要业务区分模块对接入的业务进行分类并标记优先级。然后，研究了带宽估计方法，设置带宽信息表管理各业务的带宽使用信息，提出弹性带宽的概念，为更多业务的接入提供可能，因此每个节点需要带宽管理模块来负责周期性地估计本地可用带宽和业务的占用带宽，并管理业务的弹性带宽，这些数据都记录在带宽信息表中。接着研究了视频传输前的请求接纳过程，根据业务优先级，节点通过对可分配带宽及低优先级业务的占用带宽来判断是否接纳传输请求，接纳控制过程通过发送探测请求包寻找满足带宽需求的路径，在尽量不影响已有业务传输的情况下保障高优先级业务的传输，这些是在接纳控制模块、带宽管理模块和速率控制模块的协同下完成的。最后对视频传输过程中可能遇到的网络拥塞情况进行分析，提出使用基于价格的分布式发送速率与可靠性优化策略控制发送速率降低拥塞出现的可能性，当拥塞出现时，通过牺牲丢优先级业务来保障高优先级业务的正常传输，这需要拥塞控制模块和速率控制模块联合完成。

前边假设业务的效用函数U_s(x_s,R_s)在x_s和R_s上是连续递增的，业务流s的数据发送速率限制在最小值和最大值之间，并且具有最小的可靠性要求如果网络不能满足业务的最小发送速率或最小的可靠性要求时，那么用户发送业务的效用为零，即为业务分配的网络资源没有获得任何收益。因此，在接纳控制和拥塞控制的设计中，降低已有业务的发送速率来接纳更多业务的传输，虽然降低了已有业务的网络效用，但新业务的接入增大了网络的总体效用。

在这些研究的基础上，本文提出一种基于网络效用的视频传输模型，在保障视频业务传输要求的同时，能够实现更多节点间的视频交互。

该模型确定了无线自组织网络中QoS保障的目标，由于1-3优先级的业务占用较少的网络资源，该模型主要服务于4-9优先级的语音、视频等业务的传输，模型的目标函数可以表示为：

U_N＝αT+βC_vs

式中U_N表示网络效用，T表示网络吞吐量，C_vs表示网络中视频流的数量，α和β为影响因子。上述公式意味着，在吞吐量相等的网络中视频流越多，网络效用越大。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法在保障视频传输质量的同时，能够实现更多节点间的视频交互。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为视频质量传输模型节点行为描述示意图；

图2为基于价格的分布式发送速率与可靠性优化策略图；

图3为接纳控制过程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为视频质量传输模型节点行为描述示意图，以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

基于价格的分布式发送速率与可靠性优化策略：

每个源节点负责求解源优化问题和更新可靠性价格，每条链路负责求解链路优化问题和更新拥塞价格，链路优化问题又分为链路层优化问题和物理层优化问题，如附图2所示。

λ^s(t)＝Σ_l∈L(s)λ_l,s(t)表示第t次迭代的端到端拥塞价格，R^s(t)＝1-Σ_l∈L(s)E_l(r_l,s(t))是第t次迭代的端到端可靠性，λ_l,s是流s使用链路l每单位速率的价格，μ_s是流s每单位可靠性需要付给网络的价格，x_s为流s的发送速率，R_s为流s的可靠性。源端执行如下步骤：

(1)接收网络反馈回来的消息λ^s(t)和R^s(t)；

(2)把上次迭代得到的可靠性价格，即这次迭代中的μ_s(t)代入下式

maximize U′_s(x′_s,R_s)-λ^s(t)x′_s-μ_s(t)R_s

$s.t.x_s^{\′\min }\≤x_s^{\′}\≤x_s^{\′\max }$

$R_s^{\min }\≤R_s\≤1$

得到数据流s的发送速率x′_s(t+1)；

(3)利用μ_s(t+1)＝[μ_s(t)-β(t)(R^s(t)-R_s(t))]⁺得到用户需要为可靠性需求支付的价格μ_s(t+1)；

(4)把x′_s(t+1)和μ_s(t+1)发送给流s经过的所有链路l∈L(s)。

链路l执行如下步骤：

(1)接收所有s∈S(l)的发送的信息x′_s(t)和μ_s(t)；

(2)把上次迭代得到的拥塞价格，即这次迭代中的λ_l,s(t)代入下式求解

$\max \mathrm{imize}\underset{s\∈S\left(l\right)}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{l,s}\left(t\right)\log c_{l,s}$

$s.t.\underset{s\∈S\left(l\right)}{\mathrm{\Σ}}{c}_{l,s}\≤C_l^{\max }$

$0\≤c_{l,s}\≤C_l^{\max },s\∈S\left(l\right)$

得到l可以分配给s的传输容量c_l,s(t+1)；

(3)把λ_l,s(t)和收到的μ_s(t)代入下式求解

maximize λ_l,s(t)logr_l,s-μ_s(t)E_l(r_l,s)

s.t.0≤r_l,s≤1，s∈S(l)

得到物理层对于流s的码率r_l,s(t+1)；

(4)利用下式求解

λ_l,s(t+1)＝[λ_l,s(t)-β(t)(logc_l,s(t)+logr_l,s(t)-x′_x(t))]⁺＝[λ_l,s(t)-β(t)(logc_l,s(t)+logr_l,s(t)-logx_s(t))]⁺,s∈S(l)

得到链路l的拥塞价格λ_l,s(t+1)；

(5)把λ_l,s(t+1)和r_l,s(t+1)发送给所有使用链路l的流s∈S(l)。

考虑用户等级的业务区分方法：

根据时延敏感程度，将业务分为会话类(CC)、流媒体类(SC)、交互类(IC)和背景类(BC)四种类型，从背景类到交互类到流媒体类到会话类，时延敏感程度依次增加。区分服务DiffServ(Differenciated Service)模型把进入网络的报文进行分类，用IP报文头部服务类别标识(TOS，Type Of Service)字段中的前6比特来区分网络中报文的优先级，这6个比特被称为DSCP(Differentiated Services Code Point)值，取值范围为0～63。考虑应急通信指挥调度网络环境，根据网络中的用户的重要性，把具有丰富指挥信息、实现与其他部门对接、具有较高安全性的固定节点定义为高级用户(H级)，把能源充足、移动性强的车载节点定义为中级用户(M级)，把灵活性强、功能最少的单兵节点定义为低级用户(L级)，所有用户都能发送CC、SC、IC、BC四种业务。对DiffServ模型中的DSCP格式进行改写，引入用户等级，用DSCP值的前三比特来区分，100代表高级用户，010代表中级用户，001代表低级用户，使用DSCP的后三比特来区分业务类型，100代表会话类，010代表流媒体类，001代表交互类，000代表背景类，不同的DSCP值对应不同的用户级别和不同的业务。

根据对时延的敏感性对业务进行分类无法准确的表示业务的重要程度，需要根据实际的应用场景和当前的网络环境来评估业务传输的优先级。如果业务传输的信息量大且耗费的网络资源少，那么这个业务对网络资源的利用率就高。另外，在网络资源受限的无线自组织网络中，需要根据用户的需求合理的分配网络资源，从而满足用户对网络的需求。下面根据经验把三个级别的用户的十二种业务划分优先级，如表1所示。

带宽估计与管理方法：

业务的传输与路径上的可用带宽关系密切，使用一条满足业务带宽要求的路径来传输能够有效地保障业务的质量。网络中的节点周期性的估计本地的可用带宽，可以为本节点的数据发送和转发提供调整依据，在一定程度上避免了网络拥塞的出现，同时保障已有业务的传输不受影响。

基于MAC层的IEEE802.11协议，节点可以通过监听信道的忙闲状态计算信道利用率，利用信道容量与利用率来计算可用带宽。在采样周期T内的信道利用率R可以有下式得到：

为了减小估计值的误差，引入平滑因子α∈[0,1]，把采样值与历史估计值加权相加，得到当前的信道利用率：

R_t＝αR_t-1+(1-α)R R_t∈[0,1]

节点在时刻t的可用带宽为：

W_t＝βC(1-R_t) β∈(0,1)

其中C是信道容量(IEEE802.11无线信道容量为2Mbps)，β是环境影响因子，表示受实际环境影响的信道容量小于理论值。

另外，业务在网络中传输的速率介于最小带宽需求和最大带宽需求之间，小于最小带宽需求不能保证业务的质量，高于最大带宽需求也不会大幅度提升服务质量反而浪费网络资源。这里引入弹性带宽这个概念，来表示业务传输速率与业务总最小需求带宽的差值，在保证原有业务传输最低要求的同时，释放弹性带宽归入到可用带宽为网络资源不足时数据的传输提供可能。建立带宽信息表来记录流经节点的业务流的带宽使用信息，如表2所示。

接纳控制方案：

CC业务和SC业务数据量大、持续时间长，传输期间会长时间占用网络资源。为了使业务在网络中传输时能获得较高的服务质量，源节点收到传输请求时通过接纳控制模块判断是否存在足够多的网络资源来保证业务的传输，如附图3所示，执行如下步骤：

(1)业务发起传输请求，首先需要业务区分模块对业务进行分类，然后针对不同的业务类型进行接纳控制，1-3优先级的业务可以直接传输，4-9优先级的业务需要发送探测请求包寻找一条满足最小带宽要求的路径，10-12优先级的业务通过速率控制模块直接发送；

(2)接纳控制模块首先判定源节点的可分配带宽是否满足业务的最小需求带宽，可分配带宽包括可用带宽和弹性带宽。如果满足，则执行步骤(3)。如果不满足，则执行步骤(4)；

(3)向目的节点发送探测请求包来获取路径上的可用带宽信息，探测请求包中包含业务类型和最小需求带宽字段；

(4)那么判断低于该业务优先级的其他业务的最小可用带宽与节点可分配带宽之和是否满足带宽需求，如果满足，也向目的节点发送探测请求包，否则拒绝业务接入；

(5)中间节点收到探测请求包时，获取探测请求包中的业务类型和最小需求带宽字段，判定本节点的当前可分配带宽是否大于最小需求带宽，如果大于，直接转发探测请求包。如果小于，则判定低于该业务优先级的其他业务的最小可用带宽与节点可分配带宽之和是否满足带宽需求，如果满足，也向目的节点转发探测请求包，否则回复源节点拒绝业务接入；

(6)目的节点收到探测请求包后，也需要判定本节点的带宽资源是否满足业务的接收，如果满足，向源节点回复探测应答包，并把探测请求包中的业务类型和最小需求带宽加入带宽信息表，如果需要带宽信息表中的已有业务释放弹性带宽，则从优先级最低的业务开始释放直到满足最小带宽需求，如果可分配带宽小于最小需求带宽，则从优先级最低的业务开始中断业务的传输释放资源直到满足最小带宽需求；

(7)中间节点收到探测应答包，同样把业务信息加入带宽信息表，并进行一系列的措施为新接入业务提供足够的带宽；

(8)源节点收到探测应答包后，把业务信息加入带宽信息表，接受业务的传输请求并开始发送数据；

拥塞控制方案：

(1)当节点感知到网络拥塞时，首先检查自身的带宽信息表，向优先级最低的业务发送拥塞通知，通知源节点降低发送速率，释放弹性带宽；

(2)如果还未消除拥塞现象，那么继续向带宽信息表中较高优先级的业务发送拥塞通知以释放弹性带宽；

(3)如果所有的弹性带宽都已释放还未消除拥塞，那么逐次从最低优先级的业务开始发送拥塞中断消息通知对应的源节点中断业务的传输直到消除网络拥塞；

(4)源节点收到拥塞通知后，降低业务发送速率，但保证业务的最小需求带宽。当源节点收到拥塞中断消息后，说明业务的传输会加剧网络拥塞且接收端不一定能收到足够多的正确数据包以恢复数据，这时中断业务的传输以释放所占用的网络资源，在业务传输中断后，源节点可以重新发起探测请求包另外寻找一条满足最小带宽需求的路径。

视频传输模型：

在前面研究的基础上，提出了无线自组织网络中的视频传输模型。

(1)把用户等级的影响引入到业务分类当中，在3GPP业务分类的基础上，根据经验把不同等级用户对应的各类业务进行优先级划分，因此源节点需要业务区分模块对接入的业务进行分类并标记优先级；

(2)每个节点需要带宽管理模块来负责周期性地估计本地可用带宽和业务的占用带宽，并管理业务的弹性带宽，这些数据都记录在带宽信息表中；

(3)根据业务优先级，节点通过对可分配带宽及低优先级业务的占用带宽来判断是否接纳传输请求，接纳控制过程通过发送探测请求包寻找满足带宽需求的路径，在尽量不影响已有业务传输的情况下保障高优先级业务的传输，这些是在接纳控制模块、带宽管理模块和速率控制模块的协同下完成的。最后对视频传输过程中可能遇到的网络拥塞情况进行分析，提出使用基于价格的分布式发送速率与可靠性优化策略控制发送速率降低拥塞出现的可能性，当拥塞出现时，通过牺牲丢优先级业务来保障高优先级业务的正常传输，这需要拥塞控制模块和速率控制模块联合完成。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种无线自组织网络中基于网络效用的视频传输方法，其特征在于：包括以下步骤：首先，通过基于价格的分布式发送速率与可靠性优化策略，实现业务发送速率、可靠性和网络拥塞之间的权衡；其次，把用户等级与业务类型结合并根据经验指定业务的优先级；然后，制定优先级的接纳控制和拥塞控制方案；最后，提出基于网络效用的视频传输模型。

2.根据权利要求1所述的一种无线自组织网络中基于网络效用的视频传输方法，其特征在于：所述基于价格的分布式发送速率与可靠性优化策略包括：每个源节点负责求解源优化问题和更新可靠性价格，每条链路负责求解链路优化问题和更新拥塞价格，所述链路优化问题包括链路层优化问题和物理层优化问题。

3.根据权利要求2所述的一种无线自组织网络中基于网络效用的视频传输方法，其特征在于：所述源节点负责求解源优化问题和更新可靠性价格的过程如下：

λ^s(t)＝Σ_l∈L(s)λ_l,s(t)表示第t次迭代的端到端拥塞价格，R^s(t)＝1-Σ_l∈L(s)E_l(r_l,s(t))是第t次迭代的端到端可靠性，λ_l,s是流s使用链路l每单位速率的价格，μ_s是流s每单位可靠性需要付给网络的价格，x_s为流s的发送速率，R_s为流s的可靠性；源节点执行以下步骤：

1)接收网络反馈回来的消息λ^s(t)和R^s(t)；

2)把上次迭代得到的可靠性价格，即这次迭代中的μ_s(t)代入下式

maximizeU′_s(x′_s,R_s)-λ^s(t)x′_s-μ_s(t)R_s

$s.t.x_s^{\′\min }\≤x_s^{\′}\≤x_s^{\′\max }$

$R_s^{\min }\≤R_s\≤1$

得到数据流s的发送速率x′_s(t+1)；

3)利用μ_s(t+1)＝[μ_s(t)-β(t)(R^s(t)-R_s(t))]⁺得到用户需要为可靠性需求支付的价格μ_s(t+1)；

4)把x′_s(t+1)和μ_s(t+1)发送给流s经过的所有链路l∈L(s)。

4.根据权利要求2所述的一种无线自组织网络中基于网络效用的视频传输方法，其特征在于：所述每条链路负责求解链路优化问题和更新拥塞价格具体包括：链路l执行步骤：

1)接收所有s∈S(l)的发送的信息x′_s(t)和μ_s(t)；

2)把上次迭代得到的拥塞价格，即这次迭代中的λ_l,s(t)代入下式求解

$\max \mathrm{imize}\underset{s\∈S\left(l\right)}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{l,s}\left(t\right)\log c_{l,s}$

$s.t.\underset{s\∈S\left(l\right)}{\mathrm{\Σ}}{c}_{l,s}\≤C_l^{\max }$

$0\≤c_{l,s}\≤C_l^{\max },s\∈S\left(l\right)$

得到l可以分配给s的传输容量c_l,s(t+1)；

3)把λ_l,s(t)和收到的μ_s(t)代入下式求解

maximize λ_l,s(t)logr_l,s-μ_s(t)E_l(r_l,s)

s.t.0≤r_l,s≤1，s∈S(l)

得到物理层对于流s的码率r_l,s(t+1)；

4)利用下式求解

λ_l,s(t+1)＝[λ_l,s(t)-β(t)(logc_l,s(t)+logr_l,s(t)-x'_x(t))]⁺＝[λ_l,s(t)-β(t)(logc_l,s(t)+logr_l,s(t)-logx_s(t))]⁺,s∈S(l)

得到链路l的拥塞价格λ_l,s(t+1)；

5)把λ_l,s(t+1)和r_l,s(t+1)发送给所有使用链路l的流s∈S(l)。

5.根据权利要求1所述的一种无线自组织网络中基于网络效用的视频传输方法，其特征在于：所述考虑用户等级的业务分类策略具体包括：

根据时延敏感程度，将业务分为会话类、流媒体类、交互类和背景类四种类型，从背景类到交互类到流媒体类到会话类，时延敏感程度依次增加；区分服务DiffServ模型把进入网络的报文进行分类，用IP报文头部服务类别标识字段中的前6比特来区分网络中报文的优先级，这6个比特被称为DSCP(Differentiated Services Code Point)值，取值范围为0～63；考虑应急通信指挥调度网络环境，根据网络中的用户的重要性，把具有丰富指挥信息、实现与其他部门对接、具有较高安全性的固定节点定义为高级用户，把能源充足、移动性强的车载节点定义为中级用户，把灵活性强、功能最少的单兵节点定义为低级用户，所有用户都能发送CC、SC、IC、BC四种业务；对DiffServ模型中的DSCP格式进行改写，引入用户等级，用DSCP值的前三比特来区分，100代表高级用户，010代表中级用户，001代表低级用户，使用DSCP的后三比特来区分业务类型，100代表会话类，010代表流媒体类，001代表交互类，000代表背景类，不同的DSCP值对应不同的用户级别和不同的业务；

根据对时延的敏感性对业务进行分类无法准确的表示业务的重要程度，需要根据实际的应用场景和当前的网络环境来评估业务传输的优先级；如果业务传输的信息量大且耗费的网络资源少，那么这个业务对网络资源的利用率就高；另外，在网络资源受限的无线自组织网络中，需要根据用户的需求合理的分配网络资源，从而满足用户对网络的需求，同时，根据经验把三个级别的用户的十二种业务划分优先级。

6.根据权利要求1所述的一种无线自组织网络中基于网络效用的视频传输方法，其特征在于：所述接纳控制方案包括：CC业务和SC业务数据量大、持续时间长，传输期间会长时间占用网络资源，为了使业务在网络中传输时能获得较高的服务质量，源节点收到传输请求时通过接纳控制模块判断是否存在足够多的网络资源来保证业务的传输，执行如下步骤：

1)业务发起传输请求，首先需要业务区分模块对业务进行分类，然后针对不同的业务类型进行接纳控制，1-3优先级的业务可以直接传输，4-9优先级的业务需要发送探测请求包寻找一条满足最小带宽要求的路径，10-12优先级的业务通过速率控制模块直接发送；

2)接纳控制模块首先判定源节点的可分配带宽是否满足业务的最小需求带宽，可分配带宽包括可用带宽和弹性带宽，如果满足，则执行步骤3)，否则执行步骤4)；

3)向目的节点发送探测请求包来获取路径上的可用带宽信息，探测请求包中包含业务类型和最小需求带宽字段；

4)那么判断低于该业务优先级的其他业务的最小可用带宽与节点可分配带宽之和是否满足带宽需求，如果满足，也向目的节点发送探测请求包，否则拒绝业务接入；

5)中间节点收到探测请求包时，获取探测请求包中的业务类型和最小需求带宽字段，判定本节点的当前可分配带宽是否大于最小需求带宽，如果大于，直接转发探测请求包，如果小于，则判定低于该业务优先级的其他业务的最小可用带宽与节点可分配带宽之和是否满足带宽需求，如果满足，也向目的节点转发探测请求包，否则回复源节点拒绝业务接入；

6)目的节点收到探测请求包后，也需要判定本节点的带宽资源是否满足业务的接收，如果满足，向源节点回复探测应答包，并把探测请求包中的业务类型和最小需求带宽加入带宽信息表，如果需要带宽信息表中的已有业务释放弹性带宽，则从优先级最低的业务开始释放直到满足最小带宽需求，如果可分配带宽小于最小需求带宽，则从优先级最低的业务开始中断业务的传输释放资源直到满足最小带宽需求；

7)中间节点收到探测应答包，同样把业务信息加入带宽信息表，并进行一系列的措施为新接入业务提供足够的带宽；

8)源节点收到探测应答包后，把业务信息加入带宽信息表，接受业务的传输请求并开始发送数据。

7.根据权利要求1所述的一种无线自组织网络中基于网络效用的视频传输方法，其特征在于：所述方法确定了无线自组织网络中QoS保障的目标，由于1-3优先级的业务占用较少的网络资源，该模型主要服务于4-9优先级的语音、视频等业务的传输，模型的目标函数可以表示为：

U_N＝αT+βC_vs

式中U_N表示网络效用，T表示网络吞吐量，C_vs表示网络中视频流的数量，α和β为影响因子。