一种车联网视频传输性能优化方法技术

本发明专利技术提供了一种车联网视频传输性能优化方法，属于车联网视频技术领域。解决了网络负载变化导致的视频传输性能不佳的问题。其技术方案为：预测当前网络负载、分析分组时延和设计视频应用层速率与竞争窗口自适应算法三个步骤。本发明专利技术的有益效果为：首先通过监控视频初始缓冲队列长度，预测网络负载状态，其次分析源端发送速率与时延的数学关系，并分析IEEE 802.11协议传输机制，竞争窗口大小是车辆节点吞吐量的主要影响因素，再次提出基于监控队列的视频流应用层发送速率自适应与视频节点竞争窗口自适应的联合调整算法(CQIA)；最后通过实验，验证了新方法在传输延时与视频画质上都优于默认算法。质上都优于默认算法。质上都优于默认算法。

【技术实现步骤摘要】
一种车联网视频传输性能优化方法


[0001]本专利技术涉及车联网视频传输
，尤其涉及一种车联网视频传输性能优化方法。

技术介绍

[0002]根据2020年国家统计局的发布，在所有的交通运输方式中，公路货运量占比达70％以上；其次为水运，占比为16.43％；再次为铁路运输，占比9.62％；民航货运量较小，占比仅有0.02％。上述数据显示，随着经济发展，公路在我国现代化交通中占比最大。但由于车辆数目剧增，交通安全事故频繁发生，直接危害人身安全并带来巨大的经济损失。
[0003]车联网技术使用无线网络将车辆、路边基站和服务器等设备连接在一起，通过车与车、车与路、车与人之间的信息共享，实现车载智能网络。车辆与周围基础设施共享车辆自身状态信息、道路预警和事故调查等信息，从而让周边车辆做出相关行驶决策，减少交通拥堵，降低交通事故的发生，实现智能交通。因此，车联网技术的发展对汽车安全驾驶起到重要作用，是智能交通的重要分支。
[0004]作为车联网的重要技术应用之一，车联网视频传输技术在安全驾驶中起重要作用。该技术可通过传输交通事故类视频给医院，从而判断事故伤亡情况，辅助医生救治事故人员，也可以通过前方车辆捕获的道路交通视频信息，辅助后方车辆重新规划交通路线。高速网络的出现也推动着高质量、低延迟的视频应用的普及，由于车载视频的应用与发展，流媒体带宽需求庞大，又受制于无线网络带宽约束，丢包和延迟对高质量的视频服务带来巨大的挑战。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种车联网视频传输性能优化方法，针对边缘计算下车联网视频卸载至基础设施的传输展开，解决了网络负载变化导致的视频传输性能不佳的问题。
[0006]本专利技术的专利技术思想为：本专利技术提出一种车联网视频传输性能优化方法；首先通过监控缓冲区队列长度对当前网络负载进行预测，其次分析时延的组成，通过分析IEEE 802.11协议传输机制得出分组端到端的时延组成部分，发现分组排队时延与退避时长极大影响端到端时延，再根据网络负载，自适应调节视频节点应用层发送速率与其初始竞争窗口大小；最终提高视频传输画质并降低传输时延。
[0007]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用技术方案具体为：一种车联网视频传输性能优化方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一，预测网络负载，视频源节点缓冲区队列是用于缓存暂未获取到信道资源的分组，通过监控当前队列长度，对网络负载状况进行预判。
[0009]步骤二，分析分组时延，根据IEEE 802.11协议中分组的传输过程，得到分组时延的具体组成部分，分析可知分组排队时延与退避时长是影响分组端到端时延的重要因素。
[0010]步骤三，设计视频应用层速率与竞争窗口自适应算法，根据预测的网络负载，在满足时延要求下，通过自适应提高视频节点应用层速率与减少其竞争窗口，对车联网视频传输进行优化。
[0011]进一步地，所述步骤一具体包括以下步骤：
[0012](1)分析缓冲区队列的作用，视频源节点由于MAC层可用带宽不足，处于低速发送状态，则视频节点应用层产生的分组进入MAC层缓冲区队列进行排队；
[0013](2)通过监控缓冲区当前队列长度，对网络负载状况进行预判，若当前队列长度稳定维持在较小值，则可以判断当前网络负载轻，说明视频帧在当前网络受到的干扰较小，信道相对空闲，视频源节点容易争用到信道。若队列长度维持高位，则可以判断当前网络负载重，视频节点与众多干扰节点争用信道，导致视频帧在缓冲区内排队；
[0014](3)实时获取缓冲区当前队列长度Q，由于分组的进队与出队是实时发生的，缓冲区队列长度也随即变化，为了能够实时地监控当前缓冲区队列长度Q，可通过对底层队列协议文件编写代码进行获取，经过试验分析数值可以反映网络负载状况，从而预测当前的网络状态变化；
[0015]进一步地，所述步骤二具体包括以下步骤：
[0016](1)对IEEE 802.11协议的分组传输过程进行分析，802.11协议中有两种接入机制，一种是基本接入机制，称为分布式协同功能(DCF)，另一种是点协同功能(PCF)。在常用的 DCF中，MAC使用CSMA/CD消息交换机制，使用退避机制解决潜在的信道冲突。具体机制为：在发送方侦听信道处于空闲状态时，且时长达到DIFS(DCF Interframe Space)后，则进入退避状态。在零到初始竞争窗口CW
min
值之间随机选取一个正整数n，以n个空闲时隙 (Slot)作为退避时长T
bo
。在经过T
bo
时长后，发送方成功抢占信道，并发送数据给接收端。为保证MAC层传输数据的准确性，接收节点接收到数据后，对数据进行校验，若接收方正确接收数据，则会在SIFS(Short Interframe Spac)时长后返回一个ACK帧给发送方，至此该分组传输完成；
[0017](2)分析分组端到端时延，分析分组的传输过程可知，分组的端到端延时T
end
由信道空闲时隙T
DIFS
、退避时长T
bo
、传输数据耗时T
DATA
、时隙T
SIFS
、传输ACK帧耗时T
ACK
和分组排队时延T
p
组成，公式如下：
[0018]T
end
＝T
DIFS
+T
bo
+T
DATA
+T
SIFS
+T
ACK
+T
p
ꢀꢀꢀ
(1)
[0019]其中传输数据耗时T
DATA
与分组排队时延T
p
表示公式如下：
[0020][0021][0022]其中L表示为数据帧长度，R表示为信道带宽，为缓冲队列排队分组的平均数，则分组端到端的时延公式整合如下：
[0023][0024]基于本专利技术的研究内容，发现分组排队时延与退避时长极大影响端到端时延。
[0025]进一步地，所述步骤三具体包括以下步骤：
[0026](1)速率自适应，视频应用层发送速率会影响视频分组端到端时延，若分组处理不及时，分组进入到缓冲区排队，也会增大排队时延，则在满足时延的要求下，监控当前时刻t 的缓冲区队列长度，从而调整下一个时刻的应用层的发送速率。一般而言，若当前队列长度维持在缓冲区最大队列长度的30％以内时，说明当前网络负载轻，设定目标阈值L1为当前最大缓冲区长度L
max
的关系如下：L1＝0.2*L
max
(个)，若当前队列Q的值小于目标阈值L1，判定当前网络状态好，网络负载较轻，则在满足时延要求下，设计下一时刻应用层发送速率调整为：F(t+1)＝(1+a)*F(t)，0<a<1。
[0027](2)竞争窗口自适应，分析分组的传输过程可知，理想情况下，即传输过程中，信道处于空闲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种车联网视频传输性能优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，预测网络负载，视频源节点缓冲区队列是用于缓存暂未获取到信道资源的分组，通过监控当前队列长度，对网络负载状况进行预判；步骤二，分析分组时延，根据IEEE 802.11协议中分组传输过程，分析可知分组排队时延与退避时长是端到端时延的重要组成部分，要控制分组排队时延和退避时长；步骤三，设计视频应用层速率与竞争窗口自适应算法，根据预测的网络负载，在满足时延要求下，通过自适应，对车联网视频传输进行优化。2.根据权利要求1所述的车联网视频传输性能优化方法，其特征在于，所述步骤一具体包括以下步骤：(1)分析缓冲区队列的作用，视频源节点由于MAC层的带宽不足，处于低速发送状态，则视频节点应用层产生的分组进入MAC层缓冲区队列进行排队；(2)通过监控缓冲区当前队列长度，对网络负载状况进行预判断，若当前队列长度维持在缓冲区最大队列长度的30％以内时，则判断当前网络负载轻，视频帧在当前网络受到的干扰较小，信道相对空闲，视频源节点容易争用到信道，若队列长度维持高位，则判断当前网络负载重，视频节点与众多干扰节点争用信道，导致视频帧在缓冲区内排队；(3)实时获取缓冲区当前队列长度Q，由于分组的进队与出队是实时发生的，缓冲区队列长度也随即变化，为了实时地监控当前缓冲区队列长度Q，通过对底层队列协议文件编写代码进行获取，经过试验分析数值反映网络负载状况，从而预测当前的网络状态变化。3.根据权利要求1所述的车联网视频传输性能优化方法，其特征在于，所述步骤二具体包括以下步骤：(1)对IEEE 802.11协议的分组传输过程进行分析，802.11协议中有两种接入机制，一种是基本接入机制，称为分布式协同功能(DCF)，另一种是点协同功能(PCF)，在常用的DCF中，MAC使用CSMA/CD消息交换机制，使用退避机制解决潜在的信道冲突，具体机制为：在发送方侦听信道处于空闲状态时，且时长达到DIFS(DCF Interframe Space)后，则进入退避状态，在零到初始竞争窗口CW
min
值之间随机选取一个正整数n，以n个空闲时隙(Slot)作为退避时长T
bo
，在经过T
bo
时长后，发送方成功抢占信道，并发送数据给接收端，为保证MAC层传输数据的准确性，接收节点接收到数据后，对数据进行校验，若接收方正确接收数据，则会在SIFS(Short Interframe Spac)时长后返回一个ACK帧给发送方，至此该分组传输完成；(2)分析分组端到端时延，分析分组的传输过程可知，分组的端到端延时T
end
由信道空闲时隙T
DIFS
、退避时长T
bo
、传输数据耗时T
DATA
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴小慧，潘麒旭，王董刚，陈亮，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：