无线局域网基于动态规划的优

无线局域网基于动态规划的优TXOP组播方法摘要：在IEEE802.11无线局域网中，在媒体接入控制层出现了更高效的TXOP传输技术，即在一个TXOP时间槽内，可以连续传输多个数据包，而不需要额外的竞争接入机制。

另外，在无线局域网标准中，将视频流数据包组播给多个用户往往采用最低的传输速率，以期让信道最差的用户也能无差错地接收到数据包，但是这损坏了信道好的用户利益。

为更有效地将具有优先级特性的延迟受限的视频数据包组播给多个用户，采用动态规划的方法将一个TXOP时间槽根据不同优先级数据包的传输速率进行时间分配，以期在每个TXOP时间槽内最大化传输效率，即让组播组内的所有成员用户在某种准则下达到最优。

关键词：无线局域网；TXOP；优先级数据包；动态规划；组播0引言自IEEE802.11无线局域网物理层（PHY）采用OFDM、MIMO 等技术后，其传输速率向着更高速不断迈进，在理论上，其最新的IEEE802.11n补充标准在物理层可取得最高达600Mbps的传输速率。

在物理层传输速率提升的同时，其无线局域网标准在媒体接入控制层（MAC）采用的CSMA＼CA接入机制将变得效率低下，因为其竞争窗口的退避时间将和数据包的传输时间可以比拟，为了有效提升传输效率，IEEE802.11标准委员会提出了IEEE802.11e补充标准，修订增补了媒体接入控制层（MAC）的一些参数，其中和研究相关的是IEEE802.11e的TXOP（Transmission Opportunity）参数的引入，也就是在通过竞争窗口退避后，如果该用户取得发送机会，那么该用户可以连续发送多个数据包，而不需要额外的竞争接入机制。

TXOP有效地解决了在物理层传输速率提高后系统的传输效率问题。

另一方面，由于IEEE802.11无线局域网的不断普及，其利用无线局域网进行视频流的组播服务，如实况转播，高清视频流点播等也不断涌现。

无线局域网内各组播组内的用户往往分布在不同的位置，其信道状态大相径庭，例如，靠近无线局域网接入点的用户一般情况下接收信号强，信道状态好，能以更高的传输速率无差错地接收数据包，而远离无线局域网接入点的用户往往接收信号弱，信道状态差，只能采用更低的传输速率才能无差错地接收数据包。

在现有的标准下，为了照顾组播组内最差站点的接收能力，接入点往往采用组播组内最差站点所能接受的传输速率进行组播，这损坏了组播组内信道好的用户利益，也就是说，组播组内信道好的用户本来可以获得更大的传输速率，更流畅地接收视频流数据包，但是由于受信道差的站点制约，只能不那么流畅地接收同样的视频流数据包。

为解决无线局域网视频流组播中的这一问题，针对视频流数据包所具有的优先级特性，提出了基于动态规划的TXOP组播方法，以期在每个TXOP时间槽内最大化传输效率，即让组播组内的所有成员用户在某种准则下达到最优。

1视频流数据包优先级视频流由于采用极为高效的、基于运动补偿及离散余弦变换的H.264编码标准，使其视频流中每一帧有了优先级的特性。

根据编码标准，视频流由连续的GOP（Group of Picture）构成，一个GOP由几个或十几个视频帧（Frame）构成，在一个GOP内，第一帧被称作I帧，该帧在编码时只依赖于自己，其随后的帧有P帧和B帧，P帧在编码时依赖于其前面的I帧或P帧，而B帧在编码时依赖于其前面和后面的I帧或P帧，如图1所示。

因此，在解码时，如果I帧中出现错误，将会把错误传递给依赖于它的P帧及B帧，如果P帧中出现错误，将会把错误传递给依赖于它的P帧或B帧，而B帧中出现错误，就仅仅影响该帧。

因此，在视频流中，I帧具有最高优先级，其次是P帧，最低优先级为B帧。

在传输中，每一帧将被分装成若干个数据包进行传输，因此，可以在每个视频流数据包的包头加入该数据包的优先级特性，这里默认每一个数据包只包含一种类型的帧，如图1所示，0代表最高优先级，以此类推，优先级逐次降低。

2TXOP组播方法假设在无线局域网接入点，视频流数据包到达后被放在发送队列内，当接入点取得发送机会后，接入点可以连续发送多个数据包，如图2所示。

由于视频流的传输有延时限制，根据具体的应用场景，延时限制的要求程度不同，一般情况下，假设一定的延时限制后，也就决定了一个TXOP内必须发送多少数量的视频流数据包才能满足延时限制的要求，因此，TXOP的长度将基于此延时限制进行设定。

但是由于组播组内成员用户信道状态的变化，采用不同的发送速率对不同优先级的视频流数据包进行传输，可以优化组播组内成员用户所接收的视频流的图像解码质量，因此在一个给定的TXOP时间槽内，拟采用动态规划的方法求得在一个TXOP内最优的时间分配问题，如图2所示，以期在某种准则下，成员用户总的解码质量取得最优。

我们引入动态规划算法评价准则表达式，即成员用户总的解码质量表达式。

假设组播组内共有N个用户，所有用户根据其信道状态的好坏进行分类，假设可以分成M类，根据无线局域网标准中可采用的传输速率等级为4级，一般情况下，M=4。

也就是说，信道最差的一类用户只能接收最低等级的发送速率，再高的发送速率，由于其信道差，错误率高，因此认为不能接收以该速率等级发送的数据包，而信道好的用户，如第二等级的用户，他们就能接收以更高速率发送的数据包，当然也能接收以低速率发送的数据包，这样依次类推直到信道最好一类的成员用户。

假设每一个等级的用户有Ui个，{i=1，2，…，M}，则有U1+U2+…+UM=N。

假设每一个等级的用户可接收的传输速率是Ri，{i=1，2，…，M}，则有R1<R2<…<R-M，假设在一个TXOP内，接入点发送第j个视频数据包采用的速率是rj，{j=1，2，…，J}这里默认有三种优先级的视频数据包，根据第j个视频数据包的重要性制定参数aj，例如，第j个数据包装的是I帧内容，则aj=3，第j个数据包装的是P帧内容，则aj=2，第j个数据包装的是B帧内容，则aj=1。

因此，对于发送的第j个数据包，组播组内成员用户接收后，总的解码质量可表示为：Dj=∑M i=kajUi{k|min（Rk>rj），1<K<M} （1）对于一个TXOP的时间槽，假设长度是T，可发送的总的视频数据包数是J，这里假设每个数据包有相同的长度L，则有L/r1+L/r2+…+L/rJ=T，可以得到，在一个TXOP时间槽内，组播组内成员用户总的解码质量可表示为：Dtotal=∑J j=1Dj=∑J j=1 ∑Mi=kajUi {k|min（Rk>rj），1<K<M}（2）因此，其优化目标为：采用动态规划的方法求解此优化问题。

假设在一个TXOP时间槽内，直到第j个视频数据包的传输速率已经设定了，并且现在占用的时间为t，定义C（j，t）代表已经发送了直到第j个视频数据包，消耗了时间长度t后，组播组内成员用户总的解码质量，这样有迭代式：C（j，t）=max∑Jj=1Dj {0jJ，0tT}（4）C（j，t）=max{C（j-1，t）+C（j-1，t-prj）+Dj}（5）利用迭代式（4）和（5）可以求解此优化问题。

因此在每个TXOP 时间槽内，利用动态规划的方法可以为每个视频数据包分配传输速率，使总的消耗时间不超过该TXOP的时间槽长度，也就满足该视频流的传输延迟限制，并且分配传输速率的准则是使组播组内所有成员总的解码质量取得最优。

3仿真为验证基于动态规划的TXOP组播方法的性能，在ns2仿真平台中基于IEEE802.11e模块实现了动态规划的优先级数据包传输方法。

建立一个无线局域网传输场景，一个接入点，5个组播组成员用户。

在接入点处，视频流数据包缓存在发送队列中，每次获得一个TXOP发送机会后，接入点根据我们设计的动态规划算法为该TXOP时间槽需要传输的视频流数据包分配传输速率，以期望组播组内的用户成员总的解码质量最优。

我们设计了两个典型场景以便于分析比较算法的优化性能，参见表1，在场景1中，较多的用户，用户1，用户2和用户3都处在最低接收速率等级内，也就是1Mbps；在场景2中，只有一个用户，用户1处在最低接收速率等级内，大部分用户都处在较高的接收速率等级区域。

在仿真中，采用视频流迹文件建立数据包发送模型，比较采用新设计的动态规划方法并采用标准中最低速率的方法。

仿真结果如图3，从图3中可以看出，在两个场景中，采用标准中最低速率的方法，所有用户接收到的视频流解码质量都一样，都和最差用户的接收能力一致，这严重损坏了具有较好的接收能力的用户，如图中，用户4本来可以接收以5.5Mbps发送的视频流数据包，但由于整个组播组采用最低的发送速率，也就是1Mbps，因此，用户4的接收能力也变为1Mbps。

采用新设计的动态规划方法，在场景1中，由于有多个用户都处在最差的接收能力等级内，为让组播组所有成员总体解码质量最优，只能以占多数的最差接收速率发送数据包，因此，新设计的方法没有产生多少改善效果；但是在场景2中，由于只有一个用户处在最差的接收能力等级内，新设计的方法改善了具有较好的接收能力等级的用户视频流解码质量，如图3中用户4，因此，组播组内成员用户总的解码质量也得到很大改善。

可见，新设计的动态规划方法在不同的场景下，始终使组播组内成员用户总体的解码质量达到最优，有效地提升了无线局域网视频流组播性能。

4结语针对无线局域网视频流组播传输，利用IEEE802.11e补充标准中新引入的参数TXOP设定视频流的传输延时限制要求，在获得一个TXOP发送时间槽后，我们利用视频流数据包固有的优先级特性，采用动态规划的方法对不同优先级的数据包采用不同的传输速率在一个TXOP时间槽内进行发送，以期该组播组内的所有成员总体解码质量达到最优。

通过ns2仿真，验证了该动态规划方法用于TXOP组播在性能改善方面的有效性，并且通过仿真结果分析了该方法有效改善组播性能的原因。

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