多跳无人机视频流优化

演示文摘：多跳空中网络中的视频流

1 引言

灾难救援任务、大型植物或森林的远程户外监控都具有两个共同点：1）需要收集图像、视频或其他传感器信息；2）将这些信息实时传输到基站，延迟尽可能低，以便由一名操作员或专家团队及时分析。微型空中飞行器（MAV），即通常小型协作的多旋翼飞行器，正变得廉价、实用且功能强大，允许集成摄像头和无线通信设备以支持此类任务。由于流媒体的需求，在整个任务过程中必须保持通信畅通。然而，这些飞行器在灾害场景中尤为有用，而此时往往缺乏完善的通信基础设施。

在本次演示中，我们将分析一种新型的多跳通信协议，该协议针对从一个或多个远距离源节点到单一地面站的高吞吐量、低延迟视频流进行了优化。我们在商用多旋翼飞行器（AR.Drone2.[1]）上使用常见的IEEE 802.11网卡，并叠加一种时分多址（TDMA）机制，以在无中心路由器的情况下最大化带宽利用率。该协议包含自动节点同步和多跳路由（基于RA-TDMA[2]），以及动态时隙宽度机制来处理排队的数据包。

我们将从无人机（源节点）上的一个摄像头进行视频流传输，并将其传送到台式机（接收端）进行播放。为了展示我们架构的优势，首先我们演示使用中继网络来扩展通信距离所带来的增益（参见[3]）。在第二阶段，通过比较数据包丢失率、延迟和吞吐量的表现，展示我们的TDMA协议相较于传统的载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）方法的优势。在第三步中，我们证明可以通过根据中间网络节点的当前状态分配不同的时隙宽度，进一步减少中间网络节点的数据积压。尽管改变时隙大小已在其他研究（如[4]）中被探讨，但我们将在新的场景下应用这一方法：一个多跳空中链状网络。

2 演示

2.1 演示1

我们将首先展示无人机的通信距离有限，因此采用如图1所示的架构直接向地面站接收端进行流媒体传输存在一些局限性。随着源节点到接收端的距离增加，无线通信质量会下降（出现丢包率升高、视频帧丢失等情况），通常表现为如图2所示的分组投递率(PDR)曲线。

共线 并行
2000字节
100QαOa-:i R=64m
50 a=10.6
R=22m a=54.6
00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
距离（米）

= e-ln(2)(d/R)a。)

在本次演示中，我们还将展示在源节点和接收端之间增加一个中继节点，采用如图3所示的架构后的情况。

R1 传感器
R2
R3
GS Aol

显示将恢复视频流质量，并立即提高每秒接收帧数。

2.2 演示2

在本次演示中，我们将展示在标准CSMA之上叠加TDMA能够提高网络的吞吐量。在CSMA下，源节点和中继节点将竞争信道。由于我们的目标是从源节点尽可能多地发送信息，这种竞争会导致丢包、延迟和/或网络资源的不均衡消耗，这在其他相关研究中已被广泛证实。

我们将看到，在CSMA下，源节点访问信道的频率明显高于中继节点（图4）。中继节点因无法及时转发所接收的数据而出现数据积压。

Source to Relay Relay to Sink
xra oughput (KBps)
500 TP=379KBps|pdr=98%
40
ughput (KBps)
400 TP=216KBps|pdr=99%
300
300￥20
200
100 100
Run Time (s) Run Time (s)

2.3 演示3

在第三个演示中，我们将展示为每个时隙/节点分配不同宽度可以最小化中继网络中间节点中的排队数据包。如这些初步结果所示，这将带来更高的端到端吞吐量和更低延迟。由于链路不对称导致传输时隙相等时出现低效率（图5）。根据中继节点的缓冲区和可用带宽调整时隙宽度，应能最小化这些影响。

轮次 bu🟥ered
时隙1 槽位立2 槽位3 槽位4
非对称发送速率×0 2
Time等待802.11确认？不同的PHY比特率？

节点延迟发送速率吞吐量PDR🟥%
250 DR IS排队的数据包
10
运行时间（秒）

Slot width rput(KBpos
=250KB/s
=90%
10 15 20 25 30 3
Delay,
10 15 20 25 30 35
Run Time (s) Run Time (s)

初步结果表明，动态时隙确实提高了网络速度，更重要的是，保证了较低的积压（见图6和图7）。

3 结论

无人机可以从偏远地区向地面站提供视频流。由于通信距离有限，添加一些中继节点可以最大化吞吐量。在自组织线状网络中，802.11 CSMA由于丢包和不对称链路而不适合使用。时分多址（TDMA）能够解决这些问题。然而，在实际应用中，TDMA可能导致时间浪费。通过动态调整时隙大小可以克服这一问题，从而实现最大端到-end吞吐量。