2 網(wǎng)絡視頻的QoS研究
    Jirka Klaue給出統(tǒng)一評價視頻傳輸質(zhì)量的框架和工具集一EvalVid。EvalVid具有模塊化結(jié)構(gòu)，可在所用的的視頻編碼策略下，通過trace文件實現(xiàn)網(wǎng)絡之間的交互作用，很容易在任何網(wǎng)絡環(huán)境下使用。EvalVid評估框架如圖1所示。

    (1)信源視頻信源可能是QCIF(176×144)或CIF(352×288)格式的YUV視頻信息。
    (2)視頻編碼器和解碼器用來對YUV視頻進行編解碼以適應網(wǎng)絡的傳輸，編碼策略可采用MPEG，H．261等。
    (3)視頻發(fā)送器 VS從編碼的視頻文件中產(chǎn)生trace文件，即視頻trace文件和發(fā)送trace文件。VS讀取視頻編碼器輸出的視頻壓縮文件，將大視頻幀分成較小的分段以在網(wǎng)絡環(huán)境中經(jīng)UDP分組傳輸。發(fā)送trace文件記錄每個傳輸?shù)腢DP分組時間戳，分組id和分組負載大小。視頻trace文件記錄視頻文件中每個幀的信息。視頻trace文件和發(fā)送trace文件在隨后的視頻質(zhì)量評估中使用。
    (4)評價trace利用原始編碼視頻文件、視頻trace文件、發(fā)送trace文件和接收trace文件中記錄的分組時間戳、分組id和分組載荷大小等信息，ET產(chǎn)生一個幀／分組丟失、幀／分組延時抖動報告和一個重建的視頻文件。
    (5)重建視頻數(shù)字視頻質(zhì)量的評價通過逐幀比較實現(xiàn)。如果選用的編解碼器不能處理丟失的幀，則通過插入最近成功解碼的幀代替每一個丟失的幀的錯誤隱藏技術(shù)處理。
    (6)主觀和客觀質(zhì)量評價(PSNR、MOS)主觀質(zhì)量評價直接反映人眼的感覺，是相對較為準確的圖像質(zhì)量評價方法。常用的指標是基于5級質(zhì)量制或5級損傷制的平均意見分(MOS分)。視頻圖像質(zhì)量的客觀評價通過某些數(shù)學準則衡量，常用峰一峰信噪比(PSNR)。其定義如下：
   
式中，M和N是視頻幀的寬度和高度的維數(shù)；x(i,j)和x'(i,j)是原始像素和重構(gòu)像素在(i，j)點的亮度或色度值。
    Chih-Heng Ke等將EvalVid和NS-2結(jié)合，給出視頻流質(zhì)量評估的新工具集。NS-2和EvalVid的結(jié)合通過3個連接模擬代理實現(xiàn)，即MyTrafficTrace，MyUDP和MyUDPSink。設計這些接口既要讀取視頻trace文件，又要產(chǎn)生視頻傳輸質(zhì)量評估用的數(shù)據(jù)。
    MyTrafficTrace代理從VS的輸出文件中提取視頻trace文件的幀類型和幀大小。此外該代理將視頻幀分割成小的分段，并在適當?shù)臅r間發(fā)送這些分段至低層UDP，發(fā)送時間由用戶在模擬描述文件中設定。
    MyUDP是UDP代理的延伸。此新代理允許用戶指定發(fā)送trace的輸出文件名。它記錄每個傳輸分組的時間戳，分組id和分組大小。
    MyUDP代理的任務對應于在真實網(wǎng)絡環(huán)境中的cp-dump或win-dump工具的任務。MyUDPSink是接收代理，接收MyUDP發(fā)送的視頻幀分組，此代理也在用戶指定的文件中記錄每個接收分組的時間戳、分組id和負載大小。在此基礎(chǔ)上擴展，提出一種適合無線視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量評價體系。

3 基于NS-2的無線網(wǎng)絡視頻QoS平臺實現(xiàn)
3．1 NS-2中的無線模塊
    NS中的無線模塊最初由CMU的Monarch 工作組引入到NS。由CMU／Monarch引入的無線模塊可進行純無線網(wǎng)絡仿真，擴展后的無線模塊還支持無線和有線網(wǎng)絡聯(lián)合仿真以及移動IP。還有一些其他無線模塊可在NS-2中使用，包括Blueware，Blue2Hoc，Mobiwan，GPRS，CIMS等。無線模塊以MobileNode為基本核心，并通過一些附加特性以支持多跳Adhoc網(wǎng)絡和無線局域網(wǎng)仿真。MobileNode由基本Node增加無線和移動節(jié)點所需功能，可在OTCL中設定其各種網(wǎng)絡構(gòu)件，如鏈路層(LL)、連接到LL上的ARP模塊、接口隊列(ifql、ifqlen)MAC層和網(wǎng)絡接口等。移動節(jié)點通過網(wǎng)絡接口連接到無線信道上。目前MobileNode支持的ad-hoc路由協(xié)議包括DSVD、DSR、TORA和AODV。
3．2 無線網(wǎng)絡視頻仿真的過程
    由于在視頻傳輸?shù)姆抡嬷?，需在網(wǎng)絡中傳輸真實的視頻碼流，兇此必須擴展并修改NS-2，添加視頻傳輸仿真過程所需的網(wǎng)絡元素，包括代理，即MyTrafficTrace、MyUDP和MyUDPSink。如果研究者要驗證其提出的傳輸策略，則需使用C++和OTcl對網(wǎng)絡元素編程，將其提出的策略加到網(wǎng)絡元素中，然后重新編譯NS。在完成對NS-2的擴展后，就可利用NS進行仿真。過程如下：
    (1)利用選定的視頻編碼器對原始視頻編碼，并從中提取視頻分組的相關(guān)信息，編寫程序產(chǎn)生傳輸用的trace文件。trace文件的格式為<分組序號，時間戳，分組大小>。
    (2)根據(jù)所研究的真實網(wǎng)絡的特性，設置物理層(MAC層)的基本屬性；建立各種節(jié)點并配置其參數(shù)，設定節(jié)點的運動特性；配置網(wǎng)絡拓樸結(jié)構(gòu)，確定鏈路的基本特性，如延遲、帶寬和選擇策略等。
    (3)建立協(xié)議代理，將協(xié)議代理綁定到相應的節(jié)點上，建立代理之間的連接；確定網(wǎng)絡上的業(yè)務量分布，將視頻業(yè)務量和各種背景業(yè)務量綁定到相應的協(xié)議代理上。
    (4)設置Trace對象。Trace對象把仿真過程中發(fā)生的特定類型事件記錄在trace文件中。NS-2通過trace文件保存整個仿真過程。仿真完成后，可以分析研究trace文件。
    (5)編寫其他輔助過程，設定仿真結(jié)束時間，至此OTcl腳本編寫完成。用NS-2解釋執(zhí)行已編寫的OTcl腳本。
    (6)分析trace文件，得出所需的數(shù)據(jù)。也可用Nam等工具觀看網(wǎng)絡仿真運行過程。根據(jù)trace文件判斷編碼產(chǎn)生的壓縮視頻分組流中哪些分組要在傳輸過程中丟失?；谠摲椒ǎ梢詮膲嚎s視頻文件中丟棄傳輸丟失的分組，從而產(chǎn)生新的傳輸后的視頻壓縮文件。
    (7)利用視頻解碼器對傳輸后的視頻壓縮文件進行解碼，從主觀和客觀上可觀察視頻的傳輸質(zhì)量。

4 應用分析
    圖2是進行實例分析的視頻傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，視頻攝像產(chǎn)生視頻文件，通過發(fā)送節(jié)點傳輸?shù)浇邮展?jié)點，中間通過無線接入點AP1和AP2；發(fā)送節(jié)點還帶有一個CBR流發(fā)生器，經(jīng)中間節(jié)點AP1和AP2向接收節(jié)點發(fā)送，作為影響視頻傳輸?shù)谋尘傲鳌ＴO置CBR流使用UDP協(xié)議，速率為512 Kb／s。AP1和AP2之間的帶寬為0．5 Kb／s。AP和移動節(jié)點之間的鏈路為1 Mb／s的IEEE802．11b。使用100幀的圖像測試序列foreman_cif．yuv，利用MPEG4編解碼器編寫仿真腳本文件，在NS中運行仿真，產(chǎn)生一個trace文件。

    利用視頻壓縮文件和trace文件編寫分析程序，從視頻壓縮文件中將由于丟包所丟失的分組去掉，得到新的壓縮視頻文件，解碼后可從主觀和客觀評價視頻質(zhì)量。在無線網(wǎng)絡中，視頻流的傳輸受CBR流的影響，產(chǎn)生丟包現(xiàn)象，造成視頻圖像失真，圖3中的b2．dat和n2．dat分別展示有無CBR背景流存在的情況下視頻序列的PSNR，表明CBR流的存在使視頻質(zhì)量急劇惡化。

    圖4從主觀角度對比兩種情況下第74幀視頻的質(zhì)量，右邊幀為沒有CBR背景流的情況，圖像質(zhì)量基本正常，左邊幀出現(xiàn)馬賽克表明圖像出現(xiàn)失真。

5 結(jié)論
    本文選取NS-2網(wǎng)絡模擬器作為仿真環(huán)境，設計并實現(xiàn)一個無線視頻QoS分析的試驗平臺。提出視頻QoS分析對于試驗平臺的需求，分析全部的實現(xiàn)過程后。通過實例進行論證。對于需要在NS中加入新的視頻傳輸協(xié)議模塊的仿真試驗，可以應用該實驗平臺，分析和驗證協(xié)議的有效性。通過試驗證明，所提出的方案完全可行。根據(jù)結(jié)果視頻文件直觀評價網(wǎng)絡性能，便捷反映實際網(wǎng)絡的運行狀態(tài)，可大大增強仿真結(jié)果的可靠性，對于復雜網(wǎng)絡拓撲及相關(guān)協(xié)議設計與研究具有重要意義。