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作者：劉婷婷楊維王玉柱單位：北京交通大學電子信息工程學院華北計算技術研究所航空信息系統部

影響流媒體性能的主要因素

對于P2P流媒體系統的視頻質量一般可采用客觀視頻質量評定方法?？陀^測量基于仿人眼視覺模型的原理對圖像質量進行客觀評估，并給出客觀評價分。ITU-R視頻質量專家組規定了兩種評估方法：峰值信噪比（PSNR——PeakSignalNoiseRatio）和均方差(MSE——MeanSquareError)。本文采用易實行、速度快的PSNR視頻質量評定方法。一般來說，PSNR的值越高，視頻質量越好，反之亦然。為分析影響流媒體性能的主要因素，圖1給出了P2P視頻流在網絡中的編碼、傳輸與解碼過程。

視頻數據從源節點經過應用層的編碼、P2P覆蓋層的轉發、路由層的路徑選擇、MAC層的信道分配和無線Mesh鏈路傳輸到達目的節點，用戶終端經過解碼后才能觀看網絡視頻。從應用層至物理層都有因素影響了無線Mesh網絡中的P2P流媒體性能。在這個過程中，流媒體的編解碼方式、編碼速率、數據轉發路徑的選擇和跳數為應用層因素。本文針對上述四種應用層因素從Mesh網絡測試的角度進行了評估。編解碼方式是影響流媒體質量的直接因素，因為源數據經過編碼以后才能在網絡中傳輸，目前主流的視頻壓縮編碼標準如H.263、MPEG-4和H.264均采用運動估計技術進行視頻編碼，這會造成幀速率的降低、保真度的下降以及馬賽克的出現。其表現為視頻播放不流暢、畫面沒有原來那么清晰。相應地接收端在接收到視頻數據包以后需要解碼才能在用戶端播放。由于無線Mesh網絡的帶寬有限，所以編碼文件的比特率（編碼速率）不能太大，而比特率太小會造成畫面質量不理想，影響視頻的PSNR值。

數據轉發路徑的選擇包括P2P與非P2P兩種方式。已有的研究多數選擇P2P的方式。它最大的優點就是對等點邊下載邊上傳，減輕了服務器的負擔，然而P2P技術不能照搬有線網絡中的算法直接用于無線Mesh網絡，原因是增加的對等點之間的數據流也帶來了不同數據流之間的干擾（流間干擾），影響了P2P流媒體性能。雖然最小跳數已被證明不是無線Mesh網絡的最佳路由策略,但是文獻指出，在鏈狀拓撲的無線Mesh網絡中，VoIP（VoiceoverIP,網絡電話）業務的質量隨著跳數的增加而下降，猜想無線Mesh網絡中的流媒體性能也與跳數有關。因此本實驗針對跳數對視頻質量的影響給出了測試結果。

基于無線Mesh網絡的P2P流媒體實驗平臺設計

1硬件平臺

為了測試上述因素對流媒體性能的影響，在20米×20米的開放區域搭建了一個無線局域Mesh網絡，并在應用層部署了P2P流媒體系統。整個無線Mesh網絡由無線Mesh路由器、流媒體服務器、網關和終端用戶組成，具體網絡架構、IP設置和信道分配信息如圖2所示。圖2具有典型的無線Mesh網絡的自組網、多跳路由、多信道和冗余鏈路的特性。無線Mesh路由設備采用Strixsystem公司生產的OWS（OutdoorWirelessSystem，室外無線系統）和IWS（IndoorWirelessSystem，室內無線系統）1。其中，OWS設備是整個Mesh網絡的控制中心，可以發現網絡中新加入的設備，控制網絡拓撲，監視每個Mesh節點的狀態，更改數據傳輸信道和報告設備故障等。IWS節點具有轉發、接入、覆蓋功能。為了避免干擾，無線Mesh設備之間的回程鏈路與覆蓋鏈路的信道中心頻率間隔設為大于160MHz，如圖2中IWS-5的覆蓋鏈路選用ch132（中心頻率5660MHz），回程鏈路選用ch100（中心頻率5500MHz）。在設備自帶的軟件中設置信號強度切換閾值為-90dBm，因此一旦檢測到該信道信號強度低于-90dBm設備就自動切換一條系統認為最佳的信道，實驗模型采用基于多徑路由的路由算法，即一旦檢測到某條鏈路太弱便自動切換到備用鏈路。由于載頻為5.8GHz的IEEE802.11a干擾小，傳輸距離和干擾距離短，適合室內小范圍實驗，因此實驗中的無線局域網協議采用IEEE802.11a標準。測試中將圖2所示的兩個網段所有設備的IP互相ping通，表示整個實驗平臺和測試環境已經搭建成功。

2軟件平臺

為了使終端用戶能夠通過P2P方式點播流媒體服務器上的視頻，在PC0上安裝了P2P服務器軟件——Webplayer9服務器，所有終端用戶均裝有P2P播放器——Webplayer9播放器和編解碼器2，使用該軟件的終端共同組成一個對等網絡。為了在實驗中將P2P技術與非P2P技術作對比，在PC0安裝了非P2P服務器軟件——HelixServer3和非P2P播放器軟件——RealPlayer，使用HelixServer和RealPlayer部署的點播平臺只能使用戶采用C-S(客戶端—服務器)模式獲取視頻。

為便于進行可控的重復試驗，更好地控制從流媒體服務器到終端用戶的各項網絡參數，在網關安裝了NISTNet4工具，它是能夠動態實時仿真IP網絡環境的開源工具，能夠使主機開啟路由功能從而實現網絡中端到端之間的重要網絡層參數如帶寬、時延、抖動和丟包率等的模擬，在本實驗中安裝在雙網卡主機上使其充當網關。通過在計算機終端界面輸入所要控制的終端的IP地址和具體參數值即可控制網絡層參數。

實驗結果與分析

下面分別對編解碼方式、編碼速率、數據轉發路徑的選擇和跳數等因素對無線Mesh網絡中P2P流媒體性能的影響進行了測試與分析。

1編碼方式與視頻質量的關系

為了測試H.263，H.264和MPEG-4三種主流的編碼方式對流媒體性能的影響，將三種編碼方式編碼的視頻放在服務器上，所有用戶終端通過無線Mesh網絡同時向服務器請求相應的視頻數據。實驗場景如圖3所示。終端用戶PC1—PC6分別上連到IWS-1—IWS-6，兩臺無線設備的間隔約5米。

PC1-PC6同時向流媒體服務器請求觀看同一視頻，在3種編碼方式下各進行一次實驗。每次試驗在確保各PC已成功加載視頻之后視頻觀看完成之前測試帶寬、時延、吞吐量和PSNR等參數。測試時間從視頻開始播放的時刻起持續2分鐘。在PC1處測得3種編碼方式對應的上下行帶寬變化如圖4(a)和圖4(b)所示。帶寬的波動意味著無線Mesh網絡單位時間傳送數據量的多少變化。本實驗測得的帶寬值是指除數據占用帶寬以外的剩余帶寬，因此測得的網絡帶寬值越小說明此時視頻數據已經占用的帶寬越大。

從圖4(a)和圖4(b)可以看出，采用H.263和MPEG-4兩種方式編碼的視頻在網絡中傳輸時造成的上行帶寬和下行帶寬波動都很大，相對而言H.264編碼的視頻在傳輸過程中的帶寬比較穩定。此時的視頻質量和其它網絡參數對比如表1所示。觀察表1可以看出，PSNR值較高的是MPEG-4編碼的視頻(20.6dB)和H.264編碼的視頻(20.0dB)，但是由于丟包的存在使得在MPEG-4編碼的視頻在播放過程中出現了3次停頓和輕微的馬賽克現象。

PSNR值最低的是H.263編碼的視頻，而且在視頻點播后加載緩沖時間間斷累積長達20秒。由于流媒體是對時延敏感的業務，在無線Mesh網絡中選擇編碼方式時，應該選擇時延盡可能小，PSNR值盡可能高的編碼方式。相對而言，H.264編碼的視頻PSNR值較高(20.0dB)，平均時延為4.3ms，視頻播放沒有停頓現象，視頻占用帶寬適中，并沒有造成網絡帶寬的大幅度波動。因此H.264編碼方式更適合無線Mesh網絡中流媒體的傳輸。

2編碼速率與視頻質量的關系

為了測試不同編碼速率對流媒體性能的影響，將編碼速率分別為300kbps、500kpbs、1000kbps、1500kbps、2000kbps、2500kbps和3600kbps的視頻放在流媒體服務器上，終端用戶PC1—PC6通過無線Mesh網絡向流媒體服務器PC0請求同一視頻數據。實驗場景同4.1節。在確保各臺PC已成功加載視頻之后視頻觀看完成之前測試7種不同編碼速率條件下的帶寬、時延、吞吐量和PSNR等參數。7種不同編碼速率條件下分別進行一次實驗，每次實驗除編碼速率不同以外其它實驗條件如網絡拓撲和丟包率完全相同。在PC1處測得不同編碼速率對應的視頻質量（平均PSNR值）如表2所示。

觀察表2可以發現，不同編碼速率的視頻的PSNR值的變化趨勢大體相同，都是在視頻的前500幀PSNR值偏高，500幀以后PSNR值有所下降。最差的幀都集中在第760幀、第3400幀附近。根據表2的結果，編碼速率的增加并沒有帶來PSNR值的增大。吞吐量和時延等網絡層參數與PSNR也沒有直接的關系。PSNR值只與編碼速率和網絡連接速度之差有關。當編碼速率小于網絡最大連接速度時會造成PSNR值的下降。即表中編碼速率為3600kbps的情況。因此必須確保流媒體文件的編碼速率小于網絡連接速度才能獲得高質量的視頻。

3數據轉發路徑的選擇對視頻質量的影響

為了測試兩種數據轉發方式（P2P與非P2P方式）對無線Mesh網絡流媒體性能帶來的影響，實驗分析了P2P方式下產生的增益與干擾，并從丟包率、時延、吞吐量和PSNR四個方面將P2P方式與非P2P方式進行了對比。

3.1P2P方式的優勢

實驗場景仍如圖3所示。終端用戶PC1—PC6同時向PC0請求點播同一視頻。兩種不同的數據轉發方式下分別進行一次實驗。除數據轉發方式不同以外其它實驗條件如網絡拓撲和丟包率完全相同。第一次實驗采用P2P技術，用NISTNet工具控制PC0→PC6的丟包率分別為0%、5%和10%，測試此時網絡的吞吐量、時延和PC6接收到的視頻的PSNR值；第二次實驗采用非P2P技術，其余測試過程和測試條件與第一次實驗相同。在PC6處測得隨著丟包率的變化，采用P2P技術與采用非P2P技術的結果對比如表3所示。

從表3實驗結果可知，在丟包率為0%和5%的情況下，采用P2P技術與采用非P2P技術的吞吐量幾乎相等，前者時延比后者小3ms，所獲得的視頻質量只相差0.5dB，而當丟包率達到10%以后，采用P2P技術比采用非P2P技術吞吐量高出400kbps，時延減少15.5ms，所獲得的視頻質量高出2.4dB。

從橫向數據來看，隨著丟包率的上升，采用P2P技術的情況下網絡性能和流媒體質量穩中有升，而采用非P2P技術的網絡性能和流媒體質量均下降。因此，在丟包率小于10%的情況下P2P技術能避免因丟包帶來的質量下降，而對非P2P來講丟包率的增加會造成網絡性能和流媒體性能的下降。

3.2P2P方式下帶來的干擾

圖5和圖6是在PC6處測得的采用P2P技術與非P2P技術獲得的流媒體PSNR曲線對比，通過觀察圖5可知，采用P2P技術獲取的視頻平均PSNR值為19.1dB，非P2P的平均PSNR值16.2dB，采用P2P技術比采用非P2P技術的視頻質量平均高出2.9dB，最高可高出5-7dB。從圖6的結果可以看出，1000幀以后，P2P技術的優勢就不存在了，P2P情況下PSNR平均值為13.5，非P2P的平均PSNR值為13.7，兩者幾乎相等。

為了找出造成P2P流媒體在1000幀以后PSNR值下降的原因，實驗測試了1000幀以后的網絡性能。由于P2P技術與非P2P技術的根本區別在于前者客戶端參與轉發而后者客戶端只接收不上傳，這就造成了前者網絡中存在的數據流比后者多。因此實驗對比了下面兩個場景的性能差異：一是PC5、PC6同時向PC0請求點播視頻，即兩條數據流；二是僅PC6向PC0請求視頻，即只有一條數據流。實驗結果如表4和圖7所示。從表4可以看出，一條數據流比兩條數據流的情況在信號強度和上下行帶寬方面都有提高。由圖7的實驗結果可知，一條數據流的平均吞吐量比兩條數據流的平均吞吐量高出200kbps。這是由于采用P2P技術的客戶端之間為了對抗丟包而增加了互傳的數據流，從而導致了網絡中同時傳輸的數據流增多，帶來不同數據流之間的流間干擾，因而降低了網絡的端到端吞吐量，起初僅有零星的丟包，而丟包事件發生后持續“繁殖”下去，造成了PSNR值的下降越來越快，在經歷了40秒的“繁殖”后，即在1000幀以后顯示出PSNR值的迅速下降。從圖5和圖6可知，采用P2P技術的1000幀以后比前1000幀平均PSNR值降低了6dB。可見，流間干擾嚴重影響了P2P流媒體的性能。因此，在無線Mesh網絡中設計P2P覆蓋層數據轉發路徑算法時，必須充分考慮到流間干擾的影響，數據轉發樹的出度即客戶端的下屬子節點數目要適中，太少不能充分發揮P2P技術的優勢，太多會造成流間干擾。

跳數對流媒體性能的影響

為了測試跳數對流媒體的影響，在圖3的實驗場景中，使PC1-PC6同時向PC0以P2P方式點播視頻，用NISTNet工具控制OWS→PC6的丟包率，分別測試了OWS→IWS-2(一跳)、OWS→IWS-5(兩跳)和OWS→IWS-6(三跳)三種情況下的吞吐量隨丟包率的變化、跳數對時延的影響以及此時PC2(一跳)、PC5(兩跳)、PC6(三跳)接收到的視頻PSNR值。實驗結果如圖8、圖9和表5所示。由圖8的實驗結果可知，在無線Mesh網絡中傳輸P2P流媒體時，丟包事件產生后會持續繁殖下去，但這種繁殖對網絡傳輸能力造成的影響需要一定的反應時間，因此吞吐量并不一定隨著丟包率的上升而嚴格下降。但是吞吐量隨著跳數的增加而迅速下降，這與實驗中的PC2、PC5、PC6為鏈狀拓撲結構有關。而從表4-55可以看出，時延隨著跳數的增加而迅速增加。這意味著無線Mesh網絡的傳輸能力與跳數的多少成反比，跳數越多，網絡性能越差。根據圖9的結果，在無線Mesh網絡中傳輸P2P流媒體視頻時，一跳、兩跳、三跳情況下的平均PSNR值分別為20.4dB、19.2dB、20.3dB，兩跳的情況最差。一跳的情況在100幀之前比兩跳的情況平均高出1.2dB，最高高出3.9dB；比三跳的情況平均高出1.5dB，最高高出5.5dB。隨著視頻的播放，100幀以后，三跳的PSNR值比一跳平均高出0.6dB，最高高出4.0dB；比兩跳平均高出1.5dB，最高高出4.7dB。因此，在P2P技術與無線Mesh網絡結合的環境中，雖然無線Mesh網絡性能與跳數的多少成反比，但是跳數對流媒體性能的影響并不完全符合PSNR值與跳數成反比的規律。這是因為影響無線Mesh網絡中P2P流媒體PSNR值的因素不僅包括跳數，還包括數據轉發路徑的選擇、流間干擾，以及P2P覆蓋層拓撲結構等因素。因此在無線Mesh網絡中傳輸流媒體時，特別當無線Mesh網絡拓撲為鏈狀時可以借助P2P技術來減少因網絡性能下降而造成的視頻質量降低。

結束語

本文將無線Mesh網絡與P2P技術相結合，分析了影響流媒體性能的主要因素，采用實際的實驗平臺測試了流媒體編解碼方式、編碼速率、數據轉發路徑的選擇和跳數四個因素對P2P流媒體的影響并對P2P技術在無線Mesh網絡中的應用可行性給出了實驗結果和分析，討論了覆蓋層算法研究和應用層拓撲設計需考慮的問題，結論如下：采用H.264編解碼標準更適合無線Mesh網絡中流媒體的傳輸；編碼速率必須不大于網絡連接速率才能獲得高視頻質量。

采用P2P技術可以抵抗10%的丟包對視頻質量的影響，但是隨著丟包率的上升，P2P技術為抵抗丟包會采取增加節點之間轉發路徑條數的策略，由此帶來的流間干擾會降低流媒體質量。因此在設計無線Mesh網絡中的數據轉發路徑時必須考慮P2P技術帶來的流間干擾問題。跳數的增加降低了無線Mesh網絡傳輸能力，但是在P2P技術與無線Mesh網絡結合的環境中，流媒體性能并未隨著跳數的增加而下降。因此在設計無線Mesh網絡的應用層拓撲結構時，特別當拓撲為鏈狀時可以借助P2P技術來減少視頻質量的下降。