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MERVS:一种用于车联网的多信道视频流丢包恢复协议
随着人们对车联网(VANET)的兴趣日益浓厚，对车联网上的高质量实时视频流、安全性和信息娱乐应用提出了要求。与移动自组网(MANET)上的视频流相比，VANET上的视频流面临其他的问题，比如高度变化的拓扑结构。当然，vanet也有其好处，比如缓冲余地较大和电池容量大，可预测车辆节点运动，以及强大的中央和图形处理单元(分别是CPU和GPU)。然而，解决VANET的高丢包率是高质量视频流的关键问题。本文提出了一种基于VANET的高质量实时视频流的丢包恢复方法，称为多通道丢包恢复视频流(MERVS)。MERVS通过两个不同的通道传输视频:一个可靠的通道和一个不可靠的通道。由于帧内编码帧(i帧)在视频质量方面的重要性，i帧将通过可靠的信道传输。由于可靠信道的资源有限，帧间将通过不可靠信道进行传输。优先级队列、快速启动和可伸缩可靠通道(SRC)技术也被集成到MERVS中，以改善其延迟。仿真结果表明，与前向纠错(forward error correction, FEC)相比，MERVS能够提供更高质量的视频流，与VANET中的实时传输协议/用户数据报协议(RTP/UDP)相比，具有相似的时延。
I. 简介
无线车辆自组网络是未来智能交通系统、智能车辆和智能基础设施的关键实现技术。2014年4月10日，车载自组网(Vanet)的出现，该网络由具备建立无线通信和接收信号能力的车辆组成;自组织成一个协作网络，开启了无数的应用程序，可以使道路旅行更安全(通过避免碰撞)，更高效(通过减少旅行时间，避免交通拥堵，增加道路容量)，并让用户更愉快。事实上，vanet很可能成为移动自组网(manet)最重要的实际运用。与MANET中随机移动不同，VANET中车辆的运动更容易预测。这是因为车辆只能在铺好的道路上行驶。由于发动机提供的能量和额外缓存的可能性，车辆的存储和电池可以被认为是无限的。
中央和图形处理单元(分别是CPU和GPU)也可以被认为比传统的移动自组网单元更强大。与MANET相比，这些特征增强了vanet的可移植性。然而，由于高节点移动性和快速的拓扑变化，vanet面临着更困难的问题。车辆的高速运动减少了车辆与基础设施之间的连接时间，降低了信息交换的机会。车辆之间的连接也很脆弱，因为车辆的速度各不相同。VANETs的发展通过提供安全和信息污染服务来改善人们的生活。本文考虑的主要场景是当一辆汽车穿过市区并获得一个接入点的连接时。此时，车辆可以将视频下载到它的缓冲区中，以便在车辆出城时播放。下载的视频也可以与其他车辆或APS共享，供其他用户使用。这些服务的关键技术是视频流，它在VANETs上提供高质量的实时视频流服务。无线网络的性能较差，网络拓扑结构与有线网络相比变化频繁，是vanet视频流的主要问题。这些问题应该在VANET的视频流方案中加以考虑。
A.动机
在视频网站上进行视频流传输的两个最重要的挑战是如何传输高质量的视频以及如何减少视频流传输的时间。在无线网络上，视频流的峰值信噪比(PSNR)非常低，因为衰落、干扰和碰撞导致的丢包概率很高。由于网络拓扑结构的快速变化，由于高速运动使得网络拓扑结构的快速变化更加严重。大多数视频流协议不具备可靠性技术，因为可靠性在视频流中被认为是无用的，而一些丢包是可以接受的。但是，在视频的重要部分应该提供一定的可靠性，以提高接收到的视频的质量。传输控制协议(TCP)可以用来提供可靠的数据传输。然而，它在无线网络中的糟糕表现限制了它在视频流中的使用。人们提出了一些新的技术来替代TCP，如多媒体的实时传输协议(RTP)，但TCP仍然是最广泛使用的协议之一，因为它提供了视频流控制、拥塞控制和可靠性。TCP仍然被广泛使用的另一个重要原因是它的易用性，这就是当前大多数软件仍然使用TCP原因。
B.VANETs视频流的挑战
表一列出了不同网络协议的参数。Wi-Fi标准(IEEE 802.11a-IEEE 802.11n)具有高带宽、小覆盖范围的特点。第三代(3G)技术，如码分多址(CDMA)和宽带CDMA (WCDMA)，覆盖范围大，但带宽小。第四代(4G)技术，如LTE，具有高带宽和大覆盖，但4G网络的成本仍然很高。为了选择要在V - ANET中使用的通信协议，我们应该考虑要应用这些协议的V - ANET场景的特征和要求。广义地说，在虚拟网络中有两种主要的场景:城市场景和高速公路场景。在城市场景中，车辆在城市区域内移动，并且可以获得路边基础设施的支持。在高速公路的情况下，车辆的移动速度比城市快得多，而且大多数情况下路边的基础设施是不可用的。通常情况下，不同道路的车速限制如下:
bull;城市:50km /h = 13.9 m/s;
bull;农村(地方公路):80公里/小时= 22米/秒;
bull;高速公路:100公里/秒= 27.8米/秒。
由于3G和4G网络的覆盖范围非常大，所以3G和4G网络的连接是稳定的。由于IEEE 802.11在Vanet中的覆盖范围较小，其在Vanet中的可行性还有待进一步验证。对于V2I连接，在城市场景中，车辆通过路边基础设施时，原则上有17.3 s的连接时间。理论上，这段时间足够IEEE 802.11g网络传输1分钟的高清视频和10分钟的普清视频。在城市场景中，通常会在每个交叉口设置路边基础设施，车辆可以使用其他车辆作为中间节点，扩展路边基础设施的连接范围。因此，IEEE 802.11网络在城市场景中应该是可行的。由于路边基础设施在高速公路场景中还不常见，因此高速公路场景中的V2I连接不是本文的主要重点。
下面，我们将介绍一些典型的视频应用的数据速率:
bull;128到384 kbit/s:使用视频压缩的面向业务的视频会议质量;
bull;1.5 Mbit/s: VCD质量，使用MPEG1压缩;
bull;3.5 Mbit/s:标准清晰度电视质量，MPEG-2压缩降低了比特率;蓝光光盘，使用MPEG2、AVC或VC-1压缩。
因此，表I中的所有通信网络对于VANET都是可行的。当我们分析数据速率时，3G网络只适用于低质量的视频流，例如视频会议。另一方面，4G和IEEE 802.11网络满足了高质量视频流的要求。通过考虑这些技术的成本，本文提出了一种基于IEEE 802.11网络的VANETs视频流的解决方案，该网络与其它通信网络相比，具有更低的成本和更高的数据传输速率。IEEE 802.11网络的挑战在于它的传输范围小，这使得VANETs的连接时间更短。考虑到高速公路缺乏短程传输的情况，本文只考虑城市的情况。
- 视频压缩
在本文中，我们考虑的是H.264/MPEG-4标准。一个VC压缩技术包括了视频压缩的时间可扩展性和空间可扩展性。其扩展的可伸缩视频编码(SVC)能够针对不同的网络容量提供不同质量的分层结构视频流。时间可扩展性表明视频的帧速率是可变的。这个特性是由MPEG-4压缩技术提供的。它压缩不同类型的帧，如下所示。
bull;I-Frame:帧内包含图像的全部信息，可以独立解码。
bull;p帧:预测帧通过消除视频中的时间冗余来改善压缩。P-frame只包含I-frame或P-frame直接在当前P-frame前面的差异。
bull;b帧:双向帧必须由两个参考帧解码，其中一个来自前一帧，另一个来自未来帧。通过消除视频中的时间冗余信息，MPEG-4减小了视频的大小，MERVS 925是传播所必需的。
任何接收到的p帧和b帧都会提高视频的帧率。SVC扩展中的分层结构视频压缩支持空间可扩展性。在SVC中，每一帧都被分成若干层，其中的额外层可以提高基础层的分辨率。一个VC SVC适合于无线网络中的视频流，因为它的质量可扩展性(时间和空间)允许不同质量的网络中的视频流。
- MERVS
为了提高传输视频的质量，我们尝试确保视频i帧的传输，其中包含了最有价值和最完整的信息。目前关于视频流质量的研究大多是基于前向纠错(FEC)技术，即通过传输冗余信息来保证传输视频的质量。FEC的问题是冗余信息会导致网络中数据包传输的突然中断，从而增加了网络的干扰和争用。在这种情况下，包传送率将降低。冗余信息可能不足以避免数据包交付率的下降。
自动重复请求(ARQ)是另一种丢包恢复技术，由于其对时延敏感，在视频流中很少使用。原因是每一个包发送失败都会导致一个额外的超时延迟进入包发送，这会延迟整个视频流。然而，由于FEC可能会导致无线网络的突发，ARQ应该被视为一种替代解决方案，如下所述。
本文采用两种不同的信道(可靠和不可靠)来传输视频流。由于它的重要性，i帧是通过可靠的信道传输的。帧间通过不可靠信道传输，以减少传输延迟。可靠信道采用TCP协议，该协议采用ARQ错误恢复过程来保证数据包的传输。不可靠的信道由RTP/UDP实现。
本文的其余部分组织如下。第二部分介绍了本文的相关工作。第三部分描述了多通道错误恢复视频流(MERVS)的设计。第四部分探讨了MERVS延期的原因及改进措施。第五部分描述了选择的仿真，强调了基于视频质量和延迟的MERVS的改进。最后，第六部分总结了本文的贡献，并提出了今后的工作。
视频流是MANET的一个众所周知的话题。然而，VANETs的高动态拓扑结构给视频流带来了MANET从未遇到过的新问题。人们进行了许多研究来解决这些问题。在[5]中的调查表明，视频组播的方法有自适应方案、协作中继和丢包恢复方案。我们也使用这种分类方法在VANETs上视频流。
II.相关工作
- 自适应方案
自适应方案强调信道质量的参数自适应。通过参数调整来提高信道质量，最终提高视频流的质量。Asefi等人[6]提出了一种多目标媒体访问控制(MAC)-再传输限制自适应方案，用于Vanet上的视频流。他们分析了MAC重试限制对无线传输丢包的影响，以估计视频流的重试次数。Xing和Cai[7]提出了一种视频质量自适应策略，该策略通过考虑当前下载速度和接收缓冲区级别这两个关键参数来决定视频质量。Oyman和Singh[8]评估了HTTP自适应流媒体(HAS)在3GPP LTE网络上的性能，这是一种最近流行的互联网视频传输机制。Kuo等人[9]提出了基于效用包络线的分层编码多播分配，即提出了一种层编码IPTV的自适应资源分配算法，该算法最大限度地提高了系统的总效用和资源效用。大多数自适应视频流协议的目的是动态地改变网络参数和视频编码参数，以避免丢包。然而，由于网络环境的不稳定，尤其是在VANET中，丢包现象在无线网络中非常普遍。在视频流期间的任何数据包丢失都可能导致对视频剪辑的不可恢复的损坏。视频流的自适应方案无法弥补重要数据包的丢失。
- 合作转发
协同中继技术依靠沿路径的中继节点将包转发到目的地。Soldo等人[10]提出了一种基于中继节点建立的路径的流式城市视频协议。每个节点使用两个节点之间的距离在视频流中选择其中继子节点。Rezende等人[11]、[12]提出了VIRTUS协议，这是一种基于本地化信息和基于接收的视频流中继协议。在接收到需要转发的包之后，中继节点会等待一小段时间，以检查靠近目的地的另一个节点是否要转发包。因此，该协议保证了视频流到目的地的最短路径。Wang等人提出了VIRTUS的一个扩展版本，名为LIAITHON，提供多路径视频流。LIAITHON发现到目的地的两条可用路径，这将最小化路由耦合效应。多路传输提高了视频流的数据传输速率。解决方案(SV -BCMCS)，该方案基于中继路由算法。Naeimipoor和Boukerche[15]设计了一种基于接收的中继节点选择技术，称为混合视频传播协议(HIVE)。在大多数中继协议中，它们假定每个中继节点的质量是相同的。但是，由于设备的质量和工作负载的不同，这种假设并不总是正确的。在选择中继节点时也应考虑链路的质量。
- 丢包恢复方案
Vella和Zammit讨论了两种错误恢复技术:FEC和ARQ。大多数丢包恢复方案只使用FEC或FEC和ARQ[5]的组合，因为ARQ的每个重传都会给传递过程增加至少一个往返时间(RTT)延迟。Bucciol等人[16]提出了一种FEC和交错实时优化(FIRO)技术来提高通信质量。它们结合了FEC、交织、动态参数更新和接收方报告的到达间频率的动态更新的联合作用，可以产生允许最大丢包率和允许延迟的服务。Qadri等人[17]提出了一种灵活的宏块排序(FMO)技术，这是一种保证H.264 AVC视频流视频质量的错误恢复方法。前视FEC (FL-FEC)[18]机制在之前的FEC块中选择不连续的源包，利用FEC块生成FEC冗余，以避免突发的丢包。Lin等人[19]提出了一种增强的随机早期检测FEC (ERED-FEC)，它处理AP上的FEC。FEC速率同时考虑了无线信道条件和网络流量负荷。在视频流错误恢复方案中，FEC是一个很受关注的问题，但一直没有得到足够的重视。回退是指冗余数据导致的额外带宽消耗。ARQ的缺点是由于重传而造成的延迟。
FEC的问题是分组发送，这可能导致无线网络中分组传输的高竞争水平。这是由于FEC机制产生的冗余信息和无线网络资源有限造成的。无线网络可能无法吸收额外产生的流量。这种情况在高质量视频流中更为严重，因为它需要大量的带宽。通过单独部署FEC块，可以避免突发包丢失。然而，在实时视频流中，只有很短的一段时间，允许分配帧的传输来最小化帧延迟。在高质量的实时视频流中，FL-FEC不是一个好的选择。
FEC试图生成冗余信息以确保视频的质量，但有时，冗余信息可能是不必要的。为了优化VANET中准确丢包概率的估计，FEC必须与当前车辆和周围车辆的准确运动预测、AP在路边的整体部署、无线干扰水平预测等因素相结合。ARQ机制只在发生错误时产生冗余信息，它使用低成本技术，将网络中传输的数据包数量最小化。ARQ的唯一问题是最小化
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