基于Wi_Fi的高速无线多媒体传输系统

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UDP服务器 调用socket()建立数据报套接字，返回套接字s 调用bind()，将套接字s和本地地址绑定 UDP客户端
计
调用socket()建立数据报 套接字，返回套接字s 调用bind()，将套接字s 和本地地址绑定
算
机 3.5
工
程 连接算法
2011 年 12 月
每个节点预设一个可信 IP 段， 通信之前从用户列表中选 择目的 IP，首先判断获取 IP 是否在可信 IP 段内，若是则发 送文件。 客户端先发送一条请求信息，询问服务器是否接收，服 务器监听到有发送请求之后，先判断 IP 是否可信，若可信则 返回准备接收命令，同时打开保存文件路径。客户端收到接 收命令后才发送文件。
IEEE802.15 协议规范 (物理层 )
扩展参数 数据参数 比特速率 / (Kb·s 1 ) 20 40 250 符号速率 / (kBaud·s 1 ) 20.0 40.0 62.5 符号 二进制 二进制 16 相正交 调制 BPSK BPSK O-QPSK
码片速率 / (kchip·s 1 ) 300 600 2 000
ZigBee 技术的 PHY 层和 MAC 层协议为 IEEE802.15.4 协议标准，工作在免付费频段 2.4 GHz 上，被划分为 16 个信 道，可靠性较高 [5]，是目前无线传感器网络的核心传输技术， 在未来物联网的发展中，有很广阔的应用前景。但其最大的 缺点就是传输速率太低，只有 250 Kb/s，这远不能满足多媒 体信息的传输要求。可见在高速传输多媒体文件信息方面， Zigbee 的性能远不如 Wi-Fi。
Wi-Fi 简介
图1
多信道的选择
基金项目：北京市属高等学校人才强教计划基金资助项目(PHR2010 07121) 作者简介：马 礼(1968－)，男，教授、博士后，主研方向：分布式 计算，嵌入式系统；薛粉叶、王春磊，硕士研究生 收稿日期：2011-08-15 E-mail：mali@ncut.edu.cn
High-speed Wireless Multimedia Transmission System Based on Wi-Fi
MA Li, XUE Fen-ye, WANG Chun-lei
(College of Information Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China) 【Abstract】In order to enhance the transmission rate of the wireless multimedia transmission, this paper puts forward a high-speed wireless multimedia transmission system based on Wi-Fi. It includes the compare of Wi-Fi with existing wireless transmission agreement, and selects Ad Hoc network combing with the UDP protocol, by means of seven scene repeated testing. Experimental results show that the average transmission rate of Wi-Fi goes from 8.02 Mb/s to 12 Mb/s. 【Key words】multimedia; high-speed wireless transmission; wireless network; Wi-Fi
图4
基于 Wi-Fi 的视频传输系统设计
3
3.1
基于 Wi-Fi 协议的多媒体传输系统
IEEE802.11 协议栈 IEEE802.11 定义 3 类帧格式，即数据帧、控制帧和管理 帧。 IEEE802.11 帧格式如图 3 所示。
图3
IEEE802.11 帧格式
图 3 的具体说明如下： FC 包括协议版本、 类型、 子类型、 去往 DS、来自 DS、多分段标记、重传、功率管理、多数据 标记、 WEP 和排序； D/ID： Duration 为持续时间或节点 ID 号 ； SC 包 括 序 列 号 和 分 段 号 ， 其 作 用 是 指 示 MSDU 或 MMPDU 的序列编号和内部每个分段的编号； FCS ：与以太 网相同，由 32 Byte 的 CRC 校验码组成，由 MAC 头和帧体 全部字段计算得到 Address1、Address2、Address3、Address4 不同的组合表示不同的工作模式。当 Address1、 Address2 都 为节点 IP 时，表示网络工作在 Ad Hoc 自组网模式。各站点 对等通信，无需预设访问热点 AP，自组网形式灵活。 Wi-Fi 的物理层规范 IEEE802.11 原始物理层采用直接序列扩频 (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)，差分二进制相移键控 (Differential Binary Phase Shift Keying, DBPSK)调制用于 1 Mb/s， 差分 正 交 相 移 键 控 (Differential Quadrature Phase Shift Keying, DQPSK)用于 2 Mb/s。 在 IEEE802.11b 规定采用 2.4 GHz 频段调制方法，采用 CCK 补码键控，其传输速率能够从 11 Mb/s 降到 5.5 Mb/s， 3.2
第 37 卷 增 刊 Vol.37 Supplementary Issue ・网络与通信・
计 算 机 工 程 Computer Engineering
文献标识码：A
2011 年 12 月 December 2011
中图分类号：N945
文章编号：1000—3428(2011)增刊—0122—03
基于 Wi-Fi 的高速无线多媒体传输系统
马
摘
礼，薛粉叶，王春磊
(北方工业大学信息工程学院，北京 100144) 要：为提高无线领域多媒体等大数据量信息的传输速率，提出一种基于无线保真(Wi-Fi)的高速无线多媒体传输系统。对比 Wi-Fi 协议
与现有的无线传输协议的性能，选取 Ad Hoc 网络结合 UDP 协议，采用 7 种场景进行实验。结果表明，该系统的平均传输速率最低为 8.02 Mb/s，最高可达到 12 Mb/s。 关键词：多媒体；高速无线传输；无线网络；无线保真
表1
频段 / MHz 868~868.6 902~928 2 400~2 483.5
以保证 或者根据直接序列扩频技术调整到 2 Mb/s 和 1 Mb/s， 设备正常运行与稳定。 IEEE802.11g 采用 DSSS 和 OFDM 2 种调制方式，可以 前后融合 IEEE802.11a 和 IEEE802.11b 。 OFDM 规定使用 5 GHz 的频段，将信道分成若干正交子信道，将所传送的高 速串行数据分解并调制到多个并行的正交子信道中，于是， 总带宽被分割为若干个窄带子载波，宽带数据分散到许多个 子载波上，可以有效地抵抗频率选择性衰落，减弱多径传播 干扰 [6]。最大传输速率可以达到 54 Mb/s，是目前应该最广的 IEEE802.11 技术。 系统模型 本实验选取 Ad Hoc 网络模型， IEEE802.11 标准定义的 Ad Hoc 网络实际上是独立的基本服务集 (Independent Basic Service Set, IBSS)的别名。 IBSS 是专为 IEEE802.11 标准设 定的点对点连接，没有无线基础设施骨干，但至少需要 2 台 无线设备 [7] 。用 2 块相同的 Idea6410 嵌入式开发板做 为 IBSS，要求每个 IBSS 都可以快速地发现域内节点并组建网 络。每个开发板都配有一个 SDIO 接口的 Wi-Fi 无线网卡， 支持 IEEE802.11b/g 协议，理论传输速率可达到 11 Mb/s~ 54 Mb/s。基于 Wi-Fi 的视频传输系统设计如图 4 所示。 3.3
第 37 卷
增刊
马 礼，薛粉叶，王春磊：基于 Wi-Fi 的高速无线多媒体传输系统
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图2
多信道增加带宽
IEEE802.15 协议的比较 IEEE 802.15 规定 2 个物理层工作频率范围 2.4 GHz 和 868 MHz 或者 915 MHz。频段类型都是 ISM。对于不同的频 段范围，规定不同的调制方式，因此，数据传输速率也是不 同的。 IEEE802.15 协议规范 (物理层 )如表 பைடு நூலகம் 所示。 2.2
图5
所有在线用户信息
(2)多线程运行 节点间通信流程如图 6 所示。由图 6 可知，每个节点既 可以是客户端也可以是服务器端，两节点在通信时，发送端 充当客户端，接收端充当服务器端，服务器端负责监听，并 利用线程等待客户端的请求，本文实验程序设计 3 个线程， 分别监听有无广播报数据信息，消息传输请求和文件传输请 求信息。如有客户端发送请求信息，则服务器端判断请求类 别，进行相应请求处理，并向客户端返回响应信息。
1
物联网 (The Internet of Things)是把具有标识、感知和智 能处理能力的物体借助通信技术互连而成的网络。这些无需 人工干预即可实现协同和互动，目的在于其能为人们提供智 能服务 [1-2]，其核心技术是传感器网络。 目前物联网应用领域广泛，不同的领域需要传输不同的 信息量，如智能交通、工业检测、老人护理等方面都需要传 输多媒体信息。因此，高速可靠的无线传输技术成为当前急 需解决的一个问题。 物联网终端一般使用工业科学医疗频段进行通信，频段 内包括大量的物联网设备以及现有的无线保真 (Wi-Fi)、超宽 带广播 (Ultra Wide Band Radio, UWB)、 ZigBee 以及蓝牙等 设备 [3]。 Zigbee 协议规范的最大传输速率为 250 Kb/s，远不足以 传输多媒体等大数据量信息。蓝牙技术多用于各种消费电子 中，如蓝牙耳机、蓝牙鼠标、蓝牙键盘等。Wi-Fi 则多用于高 速无线传输网络中，根据不同的协议标准，其传输速率分别 可以达到 11 Mb/s~54 Mb/s。以上述内容为背景，本文提出一 种基于 Wi-Fi 的高速无线多媒体传输系统。
概述
传输技术中最理想的选择。 Wi-Fi 宽带原理 IEEE802.11 协议族中 IEEE802.11b/g 具有兼容性，且工 作频段都是在免费的 2.4 GHz，应用更广泛。中国规定使用 1 信道 ~11 信道。多信道的选择如图 1 所示，由图 1 可知，某 信道的信号传送时会与相邻的多个信道产生重叠，若在同一 个空间建立多个 BSS/IBSS 时，要让它们所用的信道不会互 相重叠而产生干扰。在同一个空间中，最多只能使用 1 信道、 6 信道、 11 信道这 3 个信道，若选用其他信道，最多只能有 2 个互不干扰的信道 [4]。这样同一空间多信道的使用便增加 带宽，则多信道增加带宽如图 2 所示。 2.1
网络组建与运行 本文实验的设计方案是点对点传输，采用网络编程 socket 函数实现双方消息与多媒体文件的通信，选取 UDP 协 议，使用 C/S 模式。服务器端建立网络，并等待客户端请求 连接网络，运行过程分为以下 2 个部分： (1)自动发现域内节点 服务器端负责监听和处理客户端请求，节点每次启动应 用程序会先刷新列表， 从而将自己的 IP 以广播的方式发送给 域内所有在线节点，同时请求返回在线确认信息，这样所有 在线用户的 IP 就可以在列表中显示出来。 所有在线用户信息 如图 5 所示。 3.4
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Wi-Fi 主要工作在 ISO 协议的物理层和数据链路层。任 何局域网的应用程序、网络操作系统或者像 TCP/IP、 Novell Netware 都能够在 802.11 协议上兼容运行。 IEEE802.11 目前主要有 802.11a、 802.11b 以及 802.11g 等标准，传输距离可以达到室内 10 m，室外 100 m~300 m 不 等，传输速率更达到 11 Mb/s 以上，是目前主流的无线网络