论文研究-Ad hoc网络中一种基于网络效用的视频质量模型 .pdf

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Ad hoc网络中一种基于网络效用的视频质量模型,陶洋,林国池,视频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,无法为视
山到花论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 75 节点在时刻t的可用带宽为: W=BC(1-R)B∈(0,1 (3) 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,表小 受实际环境影响的信道容量小于理论值。 另外,业务在网终中传输的速率应介于最小带宽需求和最大带宽需求之间,小于最小带 80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终资 源。本文引入弹性带宽这个概念,来表示叱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源不足时数据的传 输提供可能。 3基于效用的视频质量模型 853.1拥塞控制 由于尢线链路的干扰或树络拓扑结构的变化不可避免的会出现內终拥塞,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,释放弹性带笕。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 90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终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,这时中断叱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π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。 953.2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髙的服务质量,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终资源来保证业务的传输 接纳控制模块以带宽资源作为业务接纳与香的标准,通过对弹性带宽及优先级的利用, 100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。 接纳控制模块的工作流程如图1: 山到花论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 业务发送请求 源节点接纳控制模块攻刽接入请求 4-9优先级的业务 可分配带宽是否大于需求带宽 是 一低优先级业务最小带宽与可分配 、宽之和是否大于最小需求带宽一一 发送探测请求包 一一 中间节点收到探测请求包,获取 拒绝接入 业务类型和最小需求带宽 否 -可分配带宽是否人于最小需求带宽 是 低优先级业务最小带宽与可分配带 宽之和是否人于最小需求带宽 转发探测请求包 H的节点收到探测请求包,获 拒绝接入 取业务类型和最小需求带宽 一-可分配带宽是否大丁 最小需求带宽 低优先级业务最小带宽与可分配带、 、宽之和是否大于最小需求带宽 回复探测应答包,更新宽带信 息表,发送宽带调整信息 否 拒绝接入 中间节点收到探测应答包,更新宽带信息表, 发送宽调整信息,继续转发探测应答包 源节点收到探测应答包,更新完带信息表, 发这宽带调整信息,开始发送数据 图1接纳控制过程示意图 33基于网络效用的视频质量模型 105 在上述硏究的基础上,本文提出一种基于网络效用的视频质量模型,简称UVQM模型, 在保障视频业务传输最低要求的同时,能够实现更多节点间的视频交互。UVQM模型的节 点行为描述如图2所示。UVQM模型的目标函数可以表示为 UN =aT+BCus U表示网络效用,T表示网络吞吐量,Cw表示冈络中视频流的数量,a和B为影响 110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。 4 山到花论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 业务区分 接纳控制 1-3 4-12 优先级业务 则测 应请 速率控制7业务传偷 答求 消信 优先级业务 拥塞 息息 带消总 拥塞终端消息 宽信息 拥塞控制 路由协议 人路径拥塞情况 利用率 带宽 调整 带宽管理 信息 数据分组 信道 y利用 MAC层分组调度 图1UVQM模型节点行为述 4仿真 41仿真环境 115 设定在1000m×1000m的区域内,随机分布32个节点,每个节点的通信范围设定为 250m;节点采用IEEE802.11介质访问控制机制和2Mbps的信道比特率,采用AODV路由 协议。32个节点中随机选取2个节点指定为H级用户、10个节点指定为M级用户和20个 节点指定为L级用户,CC类业务的发送速率为30~100kbps,SC类业务的发送速率为128 300kbps。仿真使用随忛点移动模型( random waypoint mobility modcl),节点的最大移动 120速度为10ms,仿真时间设冒为900s。每隔10秒按照H、M、M、L、L、L的顺序循环选 择一个节点向其他任一节点发送CCSC类业务。基本仿真环境参数设置,如表3所小。 表2基本仿真环境参数设置 仿真参数 参数值 路由协议 AODV 区域范围(m2) 1000×1000 节点数 传输范围(m) 250 带宽(Mbps) MAC层协议 IEEE802.11 移动模型 Random waypoint mobility model 节点移动速度(m/s) 0-10 数据分组长度(Byte) 仿真时间(s) 900 山到花论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 42仿真结果 18 """ 12 10 8 6 4 0 0100200300400500600700800900 仿真时间(s) 125 图2CC/SC流数量变化 图3为随着仿真的进行,CCSC流数量的变化情况。从图中可以看出,仿真开始的一 段吋间内网络中CCSC流数量不断增加,这是因为丌始时网络负载小,流的传输请求大多 都被接纳。在200s之后流数量在一定范围内波动,这是因为当流数量达到一定程度后,网 130络中的带宽资源基本上都被占用,当有新的发送请求到来时,源节点需要通过接纳控制模块 判断是不接纳流的传输,这时通过已有业务释放弹性带宽或中断优先级低的业务来接纳优先 级高的业务。另外发生网终拥塞时,通过牺牲低优先级业务来保障高优先级业务的传输。其 中500s、750s处流数量岀现较人幅度的波动,这是因为网终拓扑发生变化,导致流传输路 径中断,当节点检测到流传输中断后,释放流占用的网络资源并重新发起传输请求寻找可用 135路径。整体来看,视频质量模型能够有效控制閃络中CC/SC流的数量,且不会因为过度发 送导致网络拥塞甚至网络瘫痪。 2400 2200 2000 1800 1600 400 1200 1000 600 200 0 C100200300400500600700800900 仿真时间(s) 图3网络吞吐量变化 图4为网络吞吐量随仿真时间的变化情况。仿真开始后随着CCSC流数量的增多,网 终的吞吐量呈不断增加的趋势,在150s时网络吞吐量己经接近最大值,但此时网络中的 C℃/SC流数量还没达到最大值,这是因为视频质量模型中的拥塞控制模块调整流的发送速 6 山到花论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 率以增加网络效用,随着更多CCSC流的接入,已有的流需要降低发送速率以释放占用的 弹性带宽,所以网络吞吐量随着流数量增多的增长速度缓慢,网络吞吐量随沇数量的变化在 145一定范围内波动,但一直保持在较髙水平,说明视频质量模型在保证较多CCSC流传输的 同时,能够保持较髙的网络吞吐量 25 2.0 ■■■■口 ■口-■■ ■■■ 15 岚网辈计 10 0.5 C.0 T 0100200300400500600700800900 仿真时间(s) 图4平均端到端时延变化 150 图5为CC/SC流的平均端到端时延随仿真时间的变化情况。随着流数量的增多,平均 端到端时延不断增大,在20s后,网络中的流数量趋于饱和,流的平均端到端时延也趋于 平稳,这是因为视频质量模型中的接纳控制杌制和拥塞控制机制保证网终负载不超过网终的 承受范围,并且保证每条流的最小需求带宽。从450和70平均端到端时延的大幅度变化 可以推测出网络拓扑发生变化,数条CCSC流传输路径中断,从而导致平均端到端时延增 155大。仿真结果表明,视频质量模型能够较好的俣障¢C`SC流的传输,均端到端时延在业 务可以接受的范围。 5结论 总体来说,UVQM模型可以有效地控制CC/SC流数量,防止网络拥塞及瘫痪,避免造 成过度发送。UVQM在确保更高的αC/SC流数量的冋时保持了较高的网络吞吐量,保证 160CCSC流的传播,并确保端到端时延在可接受的范围内 |参考文献]( References [1 Xiao Ilannan, W.K.G. Seah, Kee Chaing Chua. a flexible quality of service model for mobile ad-hoc networks[C]. 2000 IEEE 51st Vehicular Technology Conference Proceedings. 2000. 1: 445-449 165 [2] Xiao Hannan, Kee Chaing Chua, W. Seah, A. Lo. On service prioritization in mobile ad-hoc networks[C IEEE International Conference on Communications. 2001. 6: 1900-1904 [3 Hua YANG and Zhi- yuan LI, Simulation and Anlysis of a Modified AODV Routing Protocols, Computer Science and Network Technology(ICCSNT), 2011, 3. pp 1440-1444 4 Gahng-Seop Ahn, A. T. Campbell, A. Veres, Li-Hsiang Sun. SWAN: Service differentiation in stateless 170 wireless ad hoc networks[C]. Twenty-First Annual Joint Conference of the ieEE Computer and Communications Societies.2002.2:457-466 5 Zhao Yu-ting, Dai Guan-zhong, Mu De-jun. Performance Evaluation of Real-Time Video over Wireless Ad Hoc Networks[C]. Seventh International Conference on Grid and Cooperative Computing. 2008. 653-657 [] Ram S Dahal, Teerapat Sanguankotchakorn QoS routing in MANET through Cross- Layer Design with BER 175 and modifying AODVICI 201 1Second Asian I himalayas International Conference on Internet(AIl-ICI),2011 PP.1-4. 7 山到花论文在丝 http:/www.paper.edu.cn [7 M.Sivajothi, Dr. E. R. Naganathan. An Ant Colony Based Routing Protocol to Support Multimedia Communication in Ad Hoc Wireless Networks. International Journal of Computer Science and Network Security[J].2008.8(7) 180

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