無(wú)線(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)QoS性能優(yōu)化

張琰 2008/07/02

1. 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的頻譜和功率資源嚴格受限，所能達到的帶寬遠低于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。因此，高效地利用無(wú)線(xiàn)資源、減小開(kāi)銷(xiāo)、提高系統容量，是無(wú)線(xiàn)多媒體網(wǎng)絡(luò )面臨的主要問(wèn)題之一。


2. 無(wú)線(xiàn)信道的特性與終端的地理位置分布相關(guān)，信道特性相差很大。通常距離基站近的終端信道條件好，距離基站遠的終端信道題條件差，遠近終端的業(yè)務(wù)要達到相同的QoS必須付出不同的代價(jià)。


3. 在無(wú)線(xiàn)多媒體網(wǎng)絡(luò )中，終端允許移動(dòng)。移動(dòng)帶來(lái)了漫游和切換問(wèn)題，這是有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中沒(méi)有的。此外，終端移動(dòng)導致信道特性變化，使得無(wú)線(xiàn)鏈路的QoS隨之變化，必須采取適當的措施來(lái)維持鏈路性能。


4. 在無(wú)線(xiàn)多媒體網(wǎng)絡(luò )中，系統容量并不是常數。系統容量與業(yè)務(wù)速率、誤碼率、時(shí)延、抖動(dòng)、丟包等QoS性能參數密切相關(guān)。為了維持系統的穩定、保證己存在業(yè)務(wù)的QoS，必須采取適當的無(wú)線(xiàn)資源測量方法，然后對無(wú)線(xiàn)資源實(shí)施相應的控制。

1. 會(huì )話(huà)式業(yè)務(wù)：這是一類(lèi)典型的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，要求端到端延遲和抖動(dòng)小。此類(lèi)業(yè)務(wù)有電話(huà)、IP電話(huà)、視頻會(huì )議等。


2. 流媒體業(yè)務(wù)：這一類(lèi)業(yè)務(wù)數據流單向傳輸，也是實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，但對延遲要求較寬松。此類(lèi)業(yè)務(wù)有視頻點(diǎn)播、網(wǎng)絡(luò )實(shí)況廣播等。


3. 交互式業(yè)務(wù)：這類(lèi)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)是請求－響應模式，對延遲幾乎沒(méi)有要求。此類(lèi)業(yè)務(wù)的典型代表是Web瀏覽。


4. 背景業(yè)務(wù)：這類(lèi)業(yè)務(wù)通常對傳輸延遲沒(méi)有限制。典型業(yè)務(wù)如E-mail，或者后臺的FTP下載等。

1. 三類(lèi)業(yè)務(wù)的到達服從泊松分布，平均到達率為λv，λs和λd，服務(wù)時(shí)間服從指數分布，平均服務(wù)時(shí)間依次為μv，μs和μd，不同類(lèi)型業(yè)務(wù)之間的用戶(hù)的到達是相互獨立的。


2. 2）對于語(yǔ)音業(yè)務(wù)，采用MarkovON/OFF模型。在激活期，傳輸速率為RVbit/s， RV=Rb[5]；在休眠期，傳輸速率為0。


3. 視頻流媒體業(yè)務(wù)一直是我們關(guān)注的難點(diǎn)，為簡(jiǎn)化分析，本文將視頻流媒體業(yè)務(wù)僅局限于視頻會(huì )議和視頻電話(huà)業(yè)務(wù)。我們可以把視頻流媒體業(yè)務(wù)看成是離散狀態(tài)的連續時(shí)間的Markovchain，則可以把視頻流媒體業(yè)務(wù)量化成有限的離散狀態(tài)（0，A，…，MA），狀態(tài)的轉移速率用α和β表示，α=3.9-β和β=3.9/（1+5.04458N/M）。如圖1所示。

圖1 視頻流媒體業(yè)務(wù)模型

　　其中，N為視頻流業(yè)務(wù)源的集合數，M為視頻流業(yè)務(wù)量化的級別數。本文假設N＝1，M＝8。處于jA狀態(tài)的流業(yè)務(wù)用戶(hù)的傳輸速率為jRbbit/s[5]，其中j∈（0，1，…，M）。

　　對于數據業(yè)務(wù)，為提高系統資源的利用率，認為它是可用比特率業(yè)務(wù)VBR（可變比特率），即利用系統剩余可用資源進(jìn)行傳輸，初始化傳輸速率為Rdbit/s。

3.2無(wú)線(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)QoS優(yōu)化方法

　　無(wú)線(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)的可升降級QoS動(dòng)態(tài)帶寬分配與優(yōu)化策略主要有三類(lèi)事件：用戶(hù)到達事件、流媒體用戶(hù)速率跳轉事件和用戶(hù)離開(kāi)事件。我們假設視頻流媒體業(yè)務(wù)量被劃分為8個(gè)等級，各等級帶寬從高到底依次為W1、W2、…、W8，其中Wi=（8-I+1）Wb，I=1、2、…、8。此外，假設W_unused為系統剩余帶寬，W_now為更新系統剩余帶寬后的帶寬，W_a為用戶(hù)服務(wù)結束釋放的帶寬，W_m為系統最小可分配帶寬單位；Rs和Rn分別為當前和下一時(shí)刻視頻流媒體用戶(hù)的速率，且定義|Rs-Rn|為W_re；3類(lèi)用戶(hù)實(shí)時(shí)要求的帶寬分別為Wv、Ws、Wd；接入系統的3種業(yè)務(wù)的用戶(hù)數分別為Nv、Ns、Nd；兩種VBR業(yè)務(wù)（視頻業(yè)務(wù)和數據業(yè)務(wù)）接受降級服務(wù)的用戶(hù)數分別是Ds和Dd，其中仍能接受降級服務(wù)的用戶(hù)數分別為Es和Ed；3種業(yè)務(wù)被阻塞掉的用戶(hù)數分別為Bv、Bs、Bd。下面是針對三類(lèi)事件所提出的對無(wú)線(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)QoS的優(yōu)化方法：

　　1）用戶(hù)到達事件。當帶寬資源充裕時(shí)，各類(lèi)用戶(hù)到達不論優(yōu)先級高低，均可按需分配得到帶寬。當帶寬資源不能滿(mǎn)足接入需求帶寬時(shí)，則按照優(yōu)先級順序從低到高對已接入的用戶(hù)進(jìn)行QoS降級服務(wù)（降一級或若干級），直到能夠騰出足夠的帶寬滿(mǎn)足新用戶(hù)的需求，否則阻塞該用戶(hù)，具體流程如圖2所示。

圖2 用戶(hù)到達事件的處理流程

　　 從圖2我們可以得出，在帶寬資源不足的情況下，不同類(lèi)型用戶(hù)是如何分配到其所需帶寬的。根據無(wú)線(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)劃分的3種優(yōu)先級，則有三種情況：

　　a）當需要實(shí)現數據業(yè)務(wù)的用戶(hù)來(lái)申請所需帶寬時(shí)，因為數據業(yè)務(wù)的優(yōu)先級是最底的，不能對已接入的其它用戶(hù)進(jìn)行QoS降級服務(wù)，所以只能阻塞該用戶(hù)。

　　b）當需要實(shí)現視頻業(yè)務(wù)的用戶(hù)來(lái)申請所需帶寬時(shí)，它可以對已接入的其它用戶(hù)進(jìn)行QoS降級服務(wù)，但簽于它的優(yōu)先級，它只能對實(shí)現數據業(yè)務(wù)的那類(lèi)用戶(hù)進(jìn)行QoS降級服務(wù)，從而為需要實(shí)現視頻業(yè)務(wù)的用戶(hù)騰出足夠的帶寬，否則阻塞該用戶(hù)。

　　 c）當需要實(shí)現語(yǔ)音業(yè)務(wù)的用戶(hù)來(lái)申請所需帶寬時(shí)（語(yǔ)音業(yè)務(wù)的優(yōu)先級是最高的），可用兩種方案來(lái)實(shí)現：第一，對實(shí)現數據業(yè)務(wù)的那類(lèi)用戶(hù)進(jìn)行QoS降級服務(wù)；第二，對實(shí)現視頻業(yè)務(wù)的那類(lèi)用戶(hù)進(jìn)行QoS降級服務(wù)。通過(guò)這兩種方法（考慮到數據業(yè)務(wù)和視頻業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，第一種方案則是先執行的。只有當第一種方案不能實(shí)現的情況下，才執行第二種方案），都可以為實(shí)現語(yǔ)音業(yè)務(wù)的用戶(hù)騰出足夠的帶寬，否則阻塞該用戶(hù)。

　　 2）流媒體用戶(hù)速率跳轉事件。RM對已接入的視頻流用戶(hù)的速率進(jìn)行周期性檢測，當檢測到Rn＞Rs時(shí)，將該視頻流用戶(hù)帶寬追加個(gè)單位，同時(shí)更新剩余帶寬，則更新后的剩余帶寬W_now=當檢測到Rn=Rs時(shí)，不作調整；當檢測到Rn＜Rs時(shí)，將發(fā)現視頻流用戶(hù)的帶寬自動(dòng)釋放個(gè)單位，同時(shí)更新剩余帶寬，則更新后的剩余帶寬。當帶寬資源用盡時(shí)，判斷新用戶(hù)的優(yōu)先級，選擇接入，即高優(yōu)先級用戶(hù)可依次剝奪若干低優(yōu)先級用戶(hù)的帶寬，讓其接受降級服務(wù)，從而保證高優(yōu)先級用戶(hù)的低阻塞率。

　　 3）用戶(hù)離開(kāi)事件。若用戶(hù)呼叫結束，則釋放帶寬。若Ds＞0，將W_a分配給隨機選擇的一個(gè)最高級的接受降級服務(wù)的流媒體用戶(hù)，令其升級（升一級或若干級），同時(shí)更新剩余帶寬；若仍有剩余帶寬且Dd＞0，再隨機分配W_a給最高級的接受降級服務(wù)的數據用戶(hù)（包括在緩沖區內排隊等待的數據用戶(hù)），如此循環(huán)，直到系統內沒(méi)有接受降級服務(wù)的流媒體用戶(hù)或數據用戶(hù)為止，從而保證該系統中的所有流媒體用戶(hù)都能享受到服務(wù)。

　　 無(wú)線(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)的可升降級QoS動(dòng)態(tài)帶寬分配與優(yōu)化策略為語(yǔ)音業(yè)務(wù)賦予最高的優(yōu)先級，因此能夠為其QoS提供保障。該策略還解決了VBR業(yè)務(wù)的帶寬分配問(wèn)題，流媒體在W_unused≥W1時(shí)，QoS也能得到保障，只有在W_unused＜W1時(shí)可能會(huì )受到較低程度的損失。該策略為數據業(yè)務(wù)提供的依然是盡力而為的服務(wù)。

　　 無(wú)線(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)的可升降級QoS動(dòng)態(tài)帶寬分配與優(yōu)化策略的顯著(zhù)特點(diǎn)和優(yōu)勢主要是：不需要預留資源，通過(guò)設置優(yōu)先級的高低來(lái)完成對資源的不同享用級別，避免了預留資源造成的資源浪費。大大提高了系統容量；同時(shí)，還降低了每種業(yè)務(wù)的阻塞率。其中，語(yǔ)音業(yè)務(wù)的優(yōu)先級最高，它的阻塞率也是降低幅度最大的，流媒體業(yè)務(wù)次之，數據業(yè)務(wù)改善最小。所以，該策略既實(shí)現了帶寬控制，又提供了低丟失、低延遲、低抖動(dòng)以及確定的帶寬服務(wù)，可以很好地滿(mǎn)足多媒體業(yè)務(wù)的QoS要求。

4、結束語(yǔ)

　　 本文分析了影響無(wú)線(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)QoS性能的幾個(gè)主要因素，提出采用可升降級QoS動(dòng)態(tài)帶寬分配與優(yōu)化策略來(lái)保障用戶(hù)的QoS和提高帶寬資源的利用率，討論并解決了動(dòng)態(tài)帶寬的分配與優(yōu)化問(wèn)題。但是，如何更好地保證無(wú)線(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，很多問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻

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