WLAN流媒体传输速率控制

第35卷 　第1期 2007年 　1月 　 华 　中 　科 　技 　大 　学 　学 　报 (自然科学版) J . Huazhong Univ. of Sci. & Tech. (Nature Science Edition) Vol. 35 No. 1 　Jan. 　2007 收稿日期 : 2005210227. 作者简介 : 朱晓亮 (19752) ,男 ,博士 ;武汉 ,华中科技大学电子与信息系 (430074) . E2mail : zhuxlhust @yahoo . com. cn 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (60302004) ;湖北省自然科学基金资助项目 (2005ABA264) . WL AN 流媒体传输速率控制 朱晓亮 　杜 　旭 　杨宗凯 (华中科技大学 电子与信息工程系 , 湖北 武汉 430074) 摘要 : 针对 IEEE 802. 11 的链路层重传机制和分包策略的不足 ,研究了基于重传时延最小约束的传输层包长 调整策略 ,提出一种适合于无线局域网 (WLAN)流媒体传输的可变包长 TCP 友好速率控制机制 (V PTFRC) . 与其他不同 ,该机制进一步考查了无线包错误率对包长调整和速率控制的影响. 仿真试验结果验证了采 用该方法可获得优于 TFRC 的有效吞吐量、传输延时及抖动等指标 ,其中 ,帧传输时延、时延抖动和丢包率的 最大改善程度分别可达58 % , 42 %和 85 %. 关 　键 　词 : 无线局域网 ; TCP 友好 ; 流媒体 ; 链路层重传 ; 速率控制 中图分类号 : TP393 　　文献标识码 : A 　　文章编号 : 167124512 (2007) 0120001203 Rate control for streaming media transmission over WLAN Zhu X i aol i an g 　D u X u 　Yang Zongk ai (Department of Elect ronics and Information Engineering , Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074 , China) Abstract : In order to improve t he link layer ret ransmission mechanism and packet f ragment st rategies for IEEE 802. 11 , a V P TFRC ( variable packet size TCP2f riendly rate cont rol) scheme is p roposed which is used for st reaming media t ransmission over WL AN by researching on t he policy of packet size adjustment in t ransport layer , based on minimum ret ransmit2delay const raint . U nlike ot her p ropos2 als , t his mechanism takes t he impact of wireless packet error ratio ( PER) on t he packet size adjust2 ment and performance of rate cont rol into consideration. Simulation result s demonst rate our p roposed mechanism can simultaneously achieve higher goodp ut , bet ter fairness , shorter t ransmission delay and less jit ter than t hat of TFRC. Among t hem , t he maximum improvement ratio of delay , jit ter and packet loss rate can reach to 58 % ,42 % and 85 % respectively. Key words : wireless local area network (WLAN) ; TCP2f riendly ; st reaming media ; link layer ret rans2 mission ; rate cont rol 　　流媒体业务通常具有连续和平稳的高带宽需 求 ,而且对于时延、抖动和丢包率等也有较严格限 制[1 ] . 实时性其一般采用 UDP 组包传输 ,但 UDP 不具备速率控制能力 ,这使得其与网络中占 统治地位的 TCP 流量可能发生恶意竞争 ,因此流 媒体传输机制需具备与 TCP 公平竞争有线带宽 的能力 ,即 TCP 友好性[2 ] ,此外 ,还必须面临高传 输误码、时变等无线信道特征的挑战. 最具代性 的 TCP 友好速率控制算法是 TFRC ( TCP2 Friendly Rate Cont rol) ,其方程为[3 ] 　Rest = f / { tRTT (2 p/ 3) 1/ 2 + tRTO · [3 (3 p/ 8) 1/ 2 ] p (1 + 32 p2 ) } , (1) 式中 : f 为包长 ; Rest 为估计发送速率 ; tRTT和 tRTO 分别为网络环回时间和重传定时器时间 ; p 为丢 包率. 该机制通过 tRTT , tRTO和 p 估计来探测可用 带宽. 尽管在有线链路已经证明了 TFRC 具有较 好的 TCP 友好拥塞控制能力 ,但其应用于无线链 路时则因误码而面临吞吐量下降等问题[2 ] . 为弥 补 IEEE 802. 11 分包机制的不足 ,建立了适合 WL AN 的流媒体传输速率控制机制. 1 　时延约束包长调整方程 定理 1 　若包头大小为 H ,流媒体数据包在 误码率为 e 的理想高斯无线链路保证最小无差错 传输时延的最优发送包长[4 ] (以下方程中为计算 方便 ,对 f 和 H 进行无量纲化处理) f 3 = - 2 ln (1 - e) 1 + 1 - 4 Hln (1 - e) . (2) 　　由定理 1 可得到以下结论 :为保证最小可靠 传输时延 ,包长必须与信道误码特性相适应. 然而 由于误码率估计具有较大误差 ,因此必须对式 (2) 进行简化处理. 推论 1 　若理想高斯无线链路传输包错误率 为 Pe ,则第 i 个调整时刻保证无差错最小传输时 延的最优包长估值 f i = - 2 Ki- 1 ln (1 - Pi- 1e ) 1 + 1 - 4 Ki- 1 Hln[1 - Pi- 1e ] , (3) 式中 Ki - 1表示第 i - 1 个调整时刻的总包长. 证明 　将第 i - 1 个调整时刻包错误率 　Pi - 1e = 1 - (1 - e) f i- 1 + H ] ln (1 - ei - 1 ) = ln (1 - Pi- 1e ) / ( f i- 1 + H) 代入式 (2) 并令 Ki - 1 = f i - 1 + H ,则得到式 (3) . 不难证明式 (3) 具备收敛特征. 式 (2) 和式 (3) 均称为满足当前无线网络状况下帧传输时延最小 的包长调整方程. 相比而言 ,后者更趋实用. 若初 始包长为 1 000 byte ,媒体帧长 3 000 byte ,则 H 为 134 byte ,最大传输单元为 1 500 byte ;若包长 大于该值 ,则取该值减去 H 后的值. 在误码率 e 设置为 1 ×10 - 8～1 ×10 - 4时测试采用式 (2) 的包 长调整和时延改善效果 ,发现当 e ≥10 - 5 时效果 明显 ,其中 ,当 e 分别为 1 ×10 - 5 , 5 ×10 - 5 和 1 × 10 - 4时最佳包长分别为 1 229 byte ,516 byte 和 348 byte ,帧传输时延相比较固定包长 ( 1 000 byte) TFRC 分别改善 0. 3 % ,8. 4 %和 27. 4 %. 2 　变包长 TCP 友好速率控制机制 根据式 (1)和式 (3)建立了变包长速率控制机 制 (V P TFRC) . 该机制包括了运行于无线节点的 接收端和运行于服务器或代理节点的源端. 两者 均建立在实时传输协议/ 实时传输控制协议 R TP/ R TCP ,UDP 和 IP 协议之上 , 反馈信息由 R TCP 传输 ,两者相互配合完成可靠的速率控制. V P TFRC 机制调整方法基本与 TFRC 相同 ,分探 测阶段和稳定调整期两个阶段. 本文工作集中在 第二个阶段 , 主要包括 : a . 在接收端采用平滑丢包率和包错误率估 计方法来改善 V P TFRC 机制发送吞吐量的平稳 性 ,用统计值 Pi (丢包率 p 或包错误率 Pe) 的指数 平均值 ŠP 来代替之 ,定义加权因子λ= 1 ×2 - 5 ,且 Pi = (1 - λ) Pi- 1 +λP i . 　　b. 采用对发送速率进行“折扣”的方法. 假定 无线链路数据量短时特征基本稳定 ,则处理时延 基本平稳. 若第 i 个调整时刻包错误概率为 p ie ,无 线链路流媒体当前发送速率为 R i ,可得到无线链 路包平均传输 1/ (1 - p ie ) 次成功 ,则无线链路实 际带宽为 R i / (1 - pie) 大于调整带宽 ,因此排队时 延大大增加 ,若定义折扣比例ρi = 1 - p i - 1e ,折扣 后实际发送速率 R′i = R iρi ,则无线链路带宽 R′i / (1 - p i - 1e ) = R i ,与调整带宽一致. c. 包长调整. 为便于与 TFRC 比较 ,设初始 包长 f 0 = 1 000 byte ,同时设其为包长上限 ,若由 反馈 Pi - 1e 值按求式 (3) 得包长为 f i ,采用按区间 分包的方法 :限定调整包长 f ∈Γ,且Γ= { f 1 , f 2 , ⋯, f K} (单位为 byte ,间隔 100 byte) ,其中 K 取 1 到 10 的整数 ,且 f 1 = 100 , 　f 10 = 1 000 . 若 f i ≥f 0 ,则 f i = f 0 ;反之 ,若 f i ∈[ f k , f k + 1 ] ,且 f k ∈Γ, f k + 1 ∈Γ,则 f i = f k . V P TFRC 机制的具体实现步骤是 :a . 接收 端统计并反馈丢包率 p、包错误率 Pe ; b. 发送端 根据接受到的 AC K信息估计 tRTT和 tRTO ,然后根 据反馈的 p 值及当前包长统计可用带宽 , 再由 TFRC 速率调整机制得到下一个时刻的发送速率 估计值 ;c . 进行速率折扣 ,得到下一个时刻的发 送速率 ;d. 根据式 (3) 和上述包长调整方法确定 下一时刻的发送包长和发包速率. 3 　性能评估 流媒体传输速率控制必须具备平滑且较高的 有效吞吐量、较小的传输时延及抖动和 TCP 友好 性. 公平性指标采用文献 [ 3 ]定义的公平度函数 , 其值越接近 1 且变化平缓 ,则称两流越“公平”. ·2· 　　 华 　中 　科 　技 　大 　学 　学 　报 (自然科学版) 　 第 35 卷 3. 1 　仿真设置 仿真试验采用 NS2. 26 仿真平台及如图 1 所 示的测试环境 ,其中 TCP 流采用 TCP2Reno 协 议 , N 表示源端或者接收端的个数. 选择目的序 列距离矢量 DSDV 路由协议. 在 NS2. 26 的无线 物理层采用模拟无线传输干扰程序来设置误码率 并假定反馈链路无误码. 缺省包长为 1 000 byte , 主干带宽 1 Mbit/ s ,包头大小 134 byte (其中 UDP 头为 8 byte、IP 头 20 byte ,802. 11 MAC 及物理 层头 为 58 byte , 其 余 为 扩 展 的 R TP 头 ) . IEEE802. 11 设置采用 NS2. 26 的缺省值. 图 1 　测试环境 3. 2 　结果比较分析 设误码率为 5 ×10 - 5 ,经 50 s 仿真测试未平 滑丢包率和包错误率估计方法、未折扣方法、包长 未归整方法和本文提出的 V P TFRC 方法的包长 (分别用 f us , f ud , f ui 和 f v 表示) 以及包传输时间 的结果 (分别用 tusd , tudd , tuid 和 tvd表示) . 图 2 和图 3 中横坐标表示仿真时间 t ,纵坐标为相同条件下 不同方法的比较结果包长 f 和时延 t d . 由图 2 和 图 3 可见 ,本文方法可改善包长调整结果 ,降低包 图 2 　不同方法包长调整结果比较 图 3 　不同方法包传输时间比较 传输时延. 设置不同的测试误码率 e ,取 400 s 的仿真时 间 ,得到 V P TFRC 比较 TFRC 在相同设置条件 下各项指标的改善程度 (见表 1) . 表 1 中 , L T 表 示平均吞吐量改善的百分比 ; L TRSD 表示均吞吐量 的相对偏差改善的百分比 ; L D I 表示帧时延改 善的百分比 ; L J I 表示帧时延抖动改善的百分比 ; L p 表示丢包率改善的百分比. L F 表示公平度改 善的百分比. 由表 1 可见 ,平均吞吐量基本随误码 率增加而改善效果明显 ;平均帧时延和抖动在误 码率 5 ×10 - 5时改善效果较好 ,而在 1 ×10 - 4时较 好地提高了帧时延抖动指标 ,在 1 ×10 - 5 时由于 吞吐量增加较大而增大了处理时延 ,影响了帧时 延抖动指标 ;在各种情况下丢包率和公平度均获 得较大改善. 总体而言 , V P TFRC 的综合指标优 于 TFRC. 仿真实验表明 ,V P TFRC 对于信道误 码特征和网络拥塞事件具备更好的健壮性和有效 性 ,可有效改善高误码时的丢包率以及帧传输时 延和抖动 ,提高有效吞吐量 ,保障 WL AN 接入流 媒体业务的服务质量. 表 1 　不同误码率设置 V PTFRC 各项指标 改善程度 ( %) 项目 e 1 ×10 - 5 5 ×10 - 5 1 ×10 - 4 L T 35 . 80 27. 20 153. 10 L TRSD 130. 10 65. 60 27 . 20 L D I 11 . 50 58. 00 - 5. 40 L J I - 47. 10 22. 80 42 . 10 L p 85 . 00 58. 33 51 . 54 L F 27 . 27 45. 00 75 . 00 参 考 文 献 [ 1 ] Minoru Etoh , Tankeshi Yoshimura. Advances in wireless video delivery [ J ] . Proceedings of the IEEE , 2005 , 93 (1) : 1212122. [2 ] Chen Minghua , Zakhor Avideh. Rate control for st reaming video over wireless[J ] . IEEE Magazine on Wireless Communications , 2005 , 12 (4) : 32241. [3 ] Sally Floyed , Mark handley , Jitendra Padhye , et al. Equation2based congestion control for unicast aplica2 tions [ C ] ∥Proc of SIGCOMM′2000 , Stockholm : ACM , 2000 : 43256. [4 ] 张占军. 无线多媒体网络中端到端自适应 QoS 保证 [J ] . 计算机学报 , 2004 , 27 (8) : 1 06421 073. ·3·第 1 期 　 　 朱晓亮等 : WLAN 流媒体传输速率控制