多跳无线网络中传输实时视频流的机会路由方法技术

本发明专利技术提供了一种多跳无线网络中传输实时视频流的机会路由方法，包括：采用期望任意路径时延来度量将视频数据包按照机会路由的转发方式从各中继节点传输到指定目的节点所需的期望递交时延；借助视频数据包转发过程中节点间的协作，每个中继节点使用增强学习算法动态地更新该节点到目的节点的期望任意路径时延，最终通过给具有低期望任意路径时延的节点分配高中继优先级来实现低端到端时延的无线视频流传输。本发明专利技术能够较优地平衡实时视频流传输的可靠性需求和低时延需求，为用户提供更佳的实时视频观看质量。

An opportunistic routing method for transmitting real-time video streams in multi hop wireless networks

The invention provides a real-time video stream transmission opportunities in a multi hop wireless network routing method, including: the expectation of an arbitrary path delay to measure the video data packet delivery delay from each relay node is transmitted to the specified destination node required in accordance with the expectation of opportunistic routing forwarding mode; by means of cooperation between nodes of video data packet forwarding in the process, each relay node uses reinforcement learning algorithm to dynamically update the node to any desired path delay of destination nodes, each node is assigned by senior high school have low expectations of arbitrary path delay following the priority to end to end delay of the wireless video streaming transmission. The invention can better balance the reliability requirements and low delay requirements of real-time video stream transmission, and provide better quality of real-time video viewing for users.

【技术实现步骤摘要】
多跳无线网络中传输实时视频流的机会路由方法
本专利技术涉及通信
，具体地，涉及一种多跳无线网络中传输实时视频流的机会路由方法。
技术介绍
近年来，实时视频流服务有着越来越丰富的应用场景，例如：视频会议、视频监控、现场直播等。与此同时，多跳无线网络，例如：无线网状网络、无线传感器网络、移动自组织网络也因其易于部署、低基础设施成本、多跳多路径的灵活性而受到广泛的关注。但是，多跳无线网络中进行实时视频流传输是一个非常重要且具有挑战性的问题。一方面，实时视频流具有很严格的传输要求。例如，由于视频数据编解码的依赖性和实时性，要求视频数据包的递交满足高可靠性和低时延性，否则未到达或者在规定播放时间之后到达用户的视频数据包是无效的。另一方面，无线信道因其固有的时变和易出错特性会引起高的数据包丢失和递交时延，从而导致用户观看实时视频的质量下降。经过对现有技术的检索发现，Biswas等人在2005年的《ACMSpecialInterestGrouponDataCommunication，pp.133-144，(美国计算机协会数据通信专业组，第133-144页)》上发表了题为“ExOR:Opportunisticmulti-hoproutingforwirelessnetworks(ExOR:无线网络中的机会多跳路由)”的文章，该文章设计和实现了最初的机会路由协议ExOR，实验结果表明，相比于传统的有固定下一跳的单路径路由方法，机会路由将吞吐量提升了两至四倍。但是，该文章所采用的路径开销度量方式为期望传输次数，仅仅考虑了传输的可靠性，而没有涉及数据包端到端时延的考量，并不能很好地用于实时视频流的传输。经检索还发现，R.Matos等人在2012年的《IEEEInternationalConferenceonCommunications，pp.7060–7065，(电气电子工程师协会国际通信会议，第7060–7065页)》上发表了题为“Qualityofexperience-basedroutinginmulti-servicewirelessmeshnetworks(多服务无线网状网络中的基于用户体验质量的路由)”的文章，该文章在基于将增强学习应用于有线网络中的路由方法Q-routing的基础上，设计了一个有用户体验质量意识的对偶增强学习路由策略RL-TR，将增强学习算法应用到单路径无线路由协议中。但是，增强学习方法中固有的开发阶段和利用阶段时间配比的困境在无线网络环境中变得更加突出，因为有限的无线资源不能够支撑频繁的开发阶段，但时变的无线网络又需要开发阶段来捕捉动态变化的链路质量，因此直接将增强学习方法应用到传统的无线路由协议中，也不能很好地满足实时视频流的传输要求。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种多跳无线网络中传输实时视频流的机会路由方法。根据本专利技术提供的多跳无线网络中传输实时视频流的机会路由方法，应用在包含多个中继节点的无线网络中，将当前时刻负责转发视频数据包的中继节点记为第一中继节点，将第一中继节点所选定的下一跳中继节点记为第二中继节点；所述方法，包括：第一中继节点根据待转发的视频数据包，确定所述视频数据包的目的节点，并构建与所述目的节点相对应的候选中继节点集；将所述候选中继节点集的信息附加在所述视频数据包上，并将所述视频数据包广播给与所述第一中继节点相邻的所有节点；接收来自成功接收到所述视频数据包的候选中继节点所反馈的应答消息，提取所述应答消息中包含的对应候选中继节点到所述目的节点的期望任意路径时延；从反馈了所述应答消息的候选中继节点中，选取中继优先级最高的一个节点作为下一跳中继节点，将所述下一跳中继节点记为第二中继节点；并向所述第一中继节点的相邻节点广播告知中继消息，所述告知中继消息中包括所述第二中继节点的信息；根据所述应答消息中包含的对应候选中继节点到所述目的节点的期望任意路径时延，构建到所述目的节点的新的候选中继节点集；并通过增强学习更新所述第一中继节点到所述目的节点的期望任意路径时延。可选地，在所述第二中继节点接收到所述第一中继节点发送的所述告知中继消息之后，所述第二中继节点继续转发所述视频数据包，直到所述视频数据包到达所述目的节点。可选地，构建到所述目的节点的新的候选中继节点集，包括：查询所述第一中继节点的所有相邻节点到所述目的节点的期望任意路径时延的大小，若所述相邻节点到所述目的节点的期望任意路径时延小于所述第一中继节点到所述目的节点的期望任意路径时延，则将所述相邻节点加入到临时候选中继节点集中；依据候选中继节点到目的节点的期望任意路径时延越小则分配越高的中继优先级原则，将所述临时候选中继节点集中的候选中继节点按照中继优先级递减的顺序重新排列，即得到了候选中继节点集。可选地，所述候选中继节点到所述目的节点的期望任意路径时延，用于度量在某一时刻按照机会路由的转发方式将所述视频数据包从所述候选中继节点传输到所述目的节点所需的期望递交时延；所述期望任意路径时延包括：期望排队时延、期望一跳传输时延，剩余路径上的期望递交时延。可选地，还包括：判断所述第一中继节点在预设的时段内，是否收到所述候选中继节点集中的任何节点发出的应答消息；若在预设的时段内未收到应答消息，则重新将所述视频数据包广播给与所述第一中继节点相邻的所有节点，直到在预设的时段内接收到所述候选中继节点集中的至少一个节点发出的应答消息；或者在重新广播所述视频数据包的次数达到预设的上限值时，结束广播。可选地，所述通过增强学习更新所述第一中继节点到所述目的节点的期望任意路径时延，包括：所述第一中继节点根据所述应答消息中包含的对应候选中继节点到所述目的节点的期望任意路径时延，构建当前时刻t所述第一中继节点i到所述目的节点d的新的候选中继节点集Fi(t)；分别估计当前时刻t所述第一中继节点i上的期望排队时延Qi(t)、所述第一中继节点i到所述候选中继节点集Fi(t)的期望一跳传输时延所述视频数据包在剩余路径上的期望递交时延估计当前时刻t所述视频数据包从所述第一中继节点i到所述目的节点d所需的期望递交时延计算公式如下：根据所述第一中继节点i到所述目的节点d的期望任意路径时延的估计值使用增强学习算法更新当前时刻t所述第一中继节点i到所述目的节点d的期望任意路径时延，计算公式如下：式中：表示上一时刻所述第一中继节点i到所述目的节点d的期望任意路径时延，μ表示学习速率。可选地，所述第一中继节点i上的期望排队时延Qi(t)，度量了一个视频数据包在节点MAC层队列里所需的期望等待时间，采用滑动平均的方法估计Qi(t)，计算公式如下：式中：qi(t)表示时刻t在第一中继节点i上的瞬时排队时延，M表示滑动窗的大小。可选地，所述期望一跳传输时延用于度量所述视频数据包从所述第一中继节点被成功地传输到至少一个候选中继节点所需的期望递交时间，的公式如下：式中：表示期望一跳传输次数，即视频数据包从所述第一中继节点被成功地传输到至少一个候选中继节点所需的期望传输次数；S表示视频数据包的大小，R表示数据的传输速率，相应地，表示视频数据包单次传输所需要的递交时间。可选地，所述视频数据包在剩余路径上的期望递交时延是所有候选中继节点到所述目的节点的期望任意本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多跳无线网络中传输实时视频流的机会路由方法，其特征在于，应用在包含多个中继节点的无线网络中，将当前时刻负责转发视频数据包的中继节点记为第一中继节点，将第一中继节点所选定的下一跳中继节点记为第二中继节点；所述方法，包括：第一中继节点根据待转发的视频数据包，确定所述视频数据包的目的节点，并构建与所述目的节点相对应的候选中继节点集；将所述候选中继节点集的信息附加在所述视频数据包上，并将所述视频数据包广播给与所述第一中继节点相邻的所有节点；接收来自成功接收到所述视频数据包的候选中继节点所反馈的应答消息，提取所述应答消息中包含的对应候选中继节点到所述目的节点的期望任意路径时延；从反馈了所述应答消息的候选中继节点中，选取中继优先级最高的一个节点作为下一跳中继节点，将所述下一跳中继节点记为第二中继节点；并向所述第一中继节点的相邻节点广播告知中继消息，所述告知中继消息中包括所述第二中继节点的信息；根据所述应答消息中包含的对应候选中继节点到所述目的节点的期望任意路径时延，构建到所述目的节点的新的候选中继节点集；并通过增强学习更新所述第一中继节点到所述目的节点的期望任意路径时延。

【技术特征摘要】
1.一种多跳无线网络中传输实时视频流的机会路由方法，其特征在于，应用在包含多个中继节点的无线网络中，将当前时刻负责转发视频数据包的中继节点记为第一中继节点，将第一中继节点所选定的下一跳中继节点记为第二中继节点；所述方法，包括：第一中继节点根据待转发的视频数据包，确定所述视频数据包的目的节点，并构建与所述目的节点相对应的候选中继节点集；将所述候选中继节点集的信息附加在所述视频数据包上，并将所述视频数据包广播给与所述第一中继节点相邻的所有节点；接收来自成功接收到所述视频数据包的候选中继节点所反馈的应答消息，提取所述应答消息中包含的对应候选中继节点到所述目的节点的期望任意路径时延；从反馈了所述应答消息的候选中继节点中，选取中继优先级最高的一个节点作为下一跳中继节点，将所述下一跳中继节点记为第二中继节点；并向所述第一中继节点的相邻节点广播告知中继消息，所述告知中继消息中包括所述第二中继节点的信息；根据所述应答消息中包含的对应候选中继节点到所述目的节点的期望任意路径时延，构建到所述目的节点的新的候选中继节点集；并通过增强学习更新所述第一中继节点到所述目的节点的期望任意路径时延。2.根据权利要求1所述的多跳无线网络中传输实时视频流的机会路由方法，其特征在于，在所述第二中继节点接收到所述第一中继节点发送的所述告知中继消息之后，所述第二中继节点继续转发所述视频数据包，直到所述视频数据包到达所述目的节点。3.根据权利要求1所述的多跳无线网络中传输实时视频流的机会路由方法，其特征在于，构建到所述目的节点的新的候选中继节点集，包括：查询所述第一中继节点的所有相邻节点到所述目的节点的期望任意路径时延的大小，若所述相邻节点到所述目的节点的期望任意路径时延小于所述第一中继节点到所述目的节点的期望任意路径时延，则将所述相邻节点加入到临时候选中继节点集中；依据候选中继节点到目的节点的期望任意路径时延越小则分配越高的中继优先级原则，将所述临时候选中继节点集中的候选中继节点按照中继优先级递减的顺序重新排列，即得到了候选中继节点集。4.根据权利要求1-3任一项所述的多跳无线网络中传输实时视频流的机会路由方法，其特征在于，所述候选中继节点到所述目的节点的期望任意路径时延，用于度量在某一时刻按照机会路由的转发方式将所述视频数据包从所述候选中继节点传输到所述目的节点所需的期望递交时延；所述期望任意路径时延包括：期望排队时延、期望一跳传输时延，剩余路径上的期望递交时延。5.根据权利要求1所述的多跳无线网络中传输实时视频流的机会路由方法，其特征在于，还包括：判断所述第一中继节点在预设的时段内，是否收到所述候选中继节点集中的任何节点发出的应答消息；若在预设的时段内未收到应答消息，则重新将所述视频数据包广播给与所述第一中继节点相邻的所有节点，直到在预设的时段内接收到所述候选中继节点集中的至少一个节点发出的应答消息；或者在重新广播所述视频数据包的次数达到预设的上限值时，结束广播。6.根据权利要求1-3、5任一项所述的多跳无线网络中传输实时视频流的机会路由方法，其特征在于，所述通过增强学习更新所述第一中继节点到所述目的节点的期望任意路径时延，包括：所述第一中继节点根据所述应答消息中包含的对应候选中继节点到所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊红凯，李成林，邹君妮，唐可欣，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31