0 引言

    由于并行多媒體流的無線通信相互干擾、移動網絡動態拓撲、未知的信道質量^[1]、傳輸網絡資源受限^[2]和多媒體數據的體驗質量保障多樣化要求等，實時多媒體無線通信面臨諸多難題亟待解決。

    多媒體數據特征和流數據方面，文獻[3]提出了基于模式復雜度的多視點視頻編碼快速模式選擇算法。文獻[4]提出了視頻并行編碼框架，并嵌入AVS＋實時編碼器。文獻[5]提出了動態速率分配的聯合信源信道編碼方式。上述兩種編碼方案忽視了視頻幀之間的相互關聯。基于自適應HTTP和內容中心網絡流媒體，文獻[6]分析了自適應流媒體網絡的實施方式。文獻[7]提出了一種高效節能的多路傳輸流傳輸協議。不過，上述方案和協議不適用于多流并行多媒體通信。

    多媒體網絡傳輸方面，文獻[8]以同步采樣A/D轉換器為核心，配合基于FPGA的控制單元，實現了128路陣列信號同步采樣功能。文獻[9]利用Voronoi圖調節傳感方向和可變采樣粒度的周期性傳感，提高了覆蓋度，降低了采樣能耗。文獻[10]提出了一種多媒體通信協作大數據可靠傳輸控制機制。基于GOP長度和視頻幀分類，前期研究了適用于多媒體傳感器網絡的機會協作服務質量保障機制^[11]。

    綜上，深入分析和挖掘移動網絡本征特點和多媒體數據特征及其流數據特征，基于傳輸網絡重構和數據流調度技術，本文研究了基于GOP分幀協作的動態多媒體傳輸機制，該機制可以顯著提高無線移動多媒體通信系統的性能，提供體驗質量保障。

1 GOP分幀協作傳輸網絡

其中，L(S₀)、L(S_L)和L(S_H)分別表示3種級別多媒體流的長度，以數據包為單位。

    假設多媒體流中含有m個畫面組(Group of Pictures，GOP)、k個視頻幀類型，在無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSNs)上傳輸的有效吞吐率T_n可由式(3)計算得到。

    由式(1)可以看出，T_n與多媒體流中的視頻幀類型成反比，且與GOP數成正比。因此，采用GOP分幀協作方案傳輸多媒體流，具有如下幾個優勢：

    (1)通過優化多媒體流中視頻幀結構，壓縮多媒體流規?？色@得能量增益，保證實時性；

    (2)GOP分幀協作傳輸可獲得遠距離、長時間傳輸可靠性保障。

    因此，多媒體流傳輸的GOP分幀協作多媒體流定義為{t，m，k}，視頻幀特征定義為{α，β，γ}。發送端節點獲得多媒體流后，按上述定義重構并發送給N_R個中繼節點，{S，N_R，D}共同構成GOP分幀協作傳輸網絡。其中，S表示發送節點，D表示接收節點。每一個中繼節點和接收端節點D收到多媒體流后，對其重構并向發送端節點S反饋確認信息。

    GOP分幀協作傳輸網絡中，由式(4)得到D節點的接收功率P_r。其中，中繼節點的接收功率P_l可由式(5)得到。

2 動態多媒體多流并行傳輸機制

    在多媒體通信過程中，定義動態多媒體的狀態為{多媒體流個數N_M，信噪比S_N，可解碼幀數N_d，數據包數N_i，誤碼率P_b}。當各個多媒體流相互獨立且符合高斯分布時，接收端的信噪比可由式(8)計算得到。

其中，E_N為高斯分布期望值，d為發送端節點與接收端節點之間距離。

    可解碼幀率N_d可由式(9)計算得到。

    根據式(10)分析評價誤碼率對丟包率和可解碼幀率的影響，結果如圖2和圖3所示。分析圖2發現，當誤碼率增大時丟包率隨之增大。通信距離與丟包率成正比。當信道質量好且N_M為3時丟包率接近于0。這一結果表明，短距離多媒體通信時，多個多媒體流并行傳輸不會影響多媒體通信質量。分析圖3發現，誤碼率越大，可解碼幀率越低。當多媒體流規?；蛲ㄐ啪嚯x增大時可解碼幀率增大。當誤碼率大于2%后，通過增大N_M可以提高可解碼幀率，不過這種改善方式更適合近距離無線通信。

3 性能分析

    本文驗證和分析了所提出的基于GOP分幀協作的動態多媒體傳輸機制（記為MDT-GC）在動態多媒體流規模和動態信噪比SNR情況下多媒體流性能表現，包括并行效率、平均傳輸延遲和中斷概率。每一組分析數據是進行了20次反復仿真實驗后計算得到的平均值。

    圖4給出了文獻[11]的OCQ-GF與所提出的MDT-GC機制的多媒體并行通信效率的變化情況。發現，隨著多媒體流規模的增大，OCQ-GF機制的并行效率快速下降，這是因為該機制只考慮了GOP的長度對多媒體通信性能的影響，沒有深入分析GOP的視頻幀的協作控制，從而難以解決大規模多流的多媒體并行通信性能下降問題。所提出的MDT-GC通過GOP分幀建立協作傳輸網絡，不僅提高了多流并行效率，而且保障了多媒體通信的實時性，詳見圖5。從圖6看出，MDT-GC的中斷概率對信道質量的敏感度低于OCQ-GF機制，而且整體中斷概率是OCQ-GF的五分之一，具有較強的可靠性。

4 結論

    本文提出了一種基于GOP分幀協作的動態多媒體多流并行傳輸機制。該機制中，采用了動態多媒體狀態，根據不同的多媒體流和動態多媒體流狀態，實時判斷分析丟包率、可解碼幀率和峰值信噪比的變化規律，自適應組建滿足用戶多樣性需求的最優化動態多媒體流，從而為無線傳感器網絡提供具有可靠、實時和健壯的多媒體流服務。根據用戶需求、多媒體流狀態和傳感器節點狀態給出了GOP分幀協作傳輸網絡組建方案。仿真實驗結果表明，所提方案的多流多媒體并行通信的時延更短，可靠性更強，并行效率更高。

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作者信息:

靳  勇，錢振江

（常熟理工學院 計算機科學與工程學院，江蘇 常熟215500）