無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)QoS性能優(yōu)化

張琰 2008/07/02

1. 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的頻譜和功率資源嚴(yán)格受限，所能達(dá)到的帶寬遠(yuǎn)低于有線網(wǎng)絡(luò)。因此，高效地利用無(wú)線資源、減小開銷、提高系統(tǒng)容量，是無(wú)線多媒體網(wǎng)絡(luò)面臨的主要問(wèn)題之一。


2. 無(wú)線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(yuǎn)的終端信道題條件差，遠(yuǎn)近終端的業(yè)務(wù)要達(dá)到相同的QoS必須付出不同的代價(jià)。


3. 在無(wú)線多媒體網(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，這是有線網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有的。此外，終端移動(dòng)導(dǎo)致信道特性變化，使得無(wú)線鏈路的QoS隨之變化，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)維持鏈路性能。


4. 在無(wú)線多媒體網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)容量并不是常數(shù)。系統(tǒng)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(shù)密切相關(guān)。為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定、保證己存在業(yè)務(wù)的QoS，必須采取適當(dāng)?shù)臒o(wú)線資源測(cè)量方法，然后對(duì)無(wú)線資源實(shí)施相應(yīng)的控制。

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


2. 流媒體業(yè)務(wù)：這一類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流單向傳輸，也是實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，但對(duì)延遲要求較寬松。此類業(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)：這類業(yè)務(wù)的特點(diǎn)是請(qǐng)求－響應(yīng)模式，對(duì)延遲幾乎沒(méi)有要求。此類業(yè)務(wù)的典型代表是Web瀏覽。


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

1. 三類業(yè)務(wù)的到達(dá)服從泊松分布，平均到達(dá)率為λv，λs和λd，服務(wù)時(shí)間服從指數(shù)分布，平均服務(wù)時(shí)間依次為μv，μs和μd，不同類型業(yè)務(wù)之間的用戶的到達(dá)是相互獨(dú)立的。


2. 2）對(duì)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(xù)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(zhuǎn)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(shù)，M為視頻流業(yè)務(wù)量化的級(jí)別數(shù)。本文假設(shè)N＝1，M＝8。處于jA狀態(tài)的流業(yè)務(wù)用戶的傳輸速率為jRbbit/s[5]，其中j∈（0，1，…，M）。

　　對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，為提高系統(tǒng)資源的利用率，認(rèn)為它是可用比特率業(yè)務(wù)VBR（可變比特率），即利用系統(tǒng)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)線多媒體業(yè)務(wù)QoS優(yōu)化方法

　　無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)的可升降級(jí)QoS動(dòng)態(tài)帶寬分配與優(yōu)化策略主要有三類事件：用戶到達(dá)事件、流媒體用戶速率跳轉(zhuǎn)事件和用戶離開事件。我們假設(shè)視頻流媒體業(yè)務(wù)量被劃分為8個(gè)等級(jí)，各等級(jí)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(shè)W_unused為系統(tǒng)剩余帶寬，W_now為更新系統(tǒng)剩余帶寬后的帶寬，W_a為用戶服務(wù)結(jié)束釋放的帶寬，W_m為系統(tǒng)最小可分配帶寬單位；Rs和Rn分別為當(dāng)前和下一時(shí)刻視頻流媒體用戶的速率，且定義|Rs-Rn|為W_re；3類用戶實(shí)時(shí)要求的帶寬分別為Wv、Ws、Wd；接入系統(tǒng)的3種業(yè)務(wù)的用戶數(shù)分別為Nv、Ns、Nd；兩種VBR業(yè)務(wù)（視頻業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)）接受降級(jí)服務(wù)的用戶數(shù)分別是Ds和Dd，其中仍能接受降級(jí)服務(wù)的用戶數(shù)分別為Es和Ed；3種業(yè)務(wù)被阻塞掉的用戶數(shù)分別為Bv、Bs、Bd。下面是針對(duì)三類事件所提出的對(duì)無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)QoS的優(yōu)化方法：

　　1）用戶到達(dá)事件。當(dāng)帶寬資源充裕時(shí)，各類用戶到達(dá)不論優(yōu)先級(jí)高低，均可按需分配得到帶寬。當(dāng)帶寬資源不能滿足接入需求帶寬時(shí)，則按照優(yōu)先級(jí)順序從低到高對(duì)已接入的用戶進(jìn)行QoS降級(jí)服務(wù)（降一級(jí)或若干級(jí)），直到能夠騰出足夠的帶寬滿足新用戶的需求，否則阻塞該用戶，具體流程如圖2所示。

圖2 用戶到達(dá)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，不同類型用戶是如何分配到其所需帶寬的。根據(jù)無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)劃分的3種優(yōu)先級(jí)，則有三種情況：

　　a）當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的用戶來(lái)申請(qǐng)所需帶寬時(shí)，因?yàn)閿?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)是最底的，不能對(duì)已接入的其它用戶進(jìn)行QoS降級(jí)服務(wù)，所以只能阻塞該用戶。

　　b）當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)視頻業(yè)務(wù)的用戶來(lái)申請(qǐng)所需帶寬時(shí)，它可以對(duì)已接入的其它用戶進(jìn)行QoS降級(jí)服務(wù)，但簽于它的優(yōu)先級(jí)，它只能對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的那類用戶進(jìn)行QoS降級(jí)服務(wù)，從而為需要實(shí)現(xiàn)視頻業(yè)務(wù)的用戶騰出足夠的帶寬，否則阻塞該用戶。

　　 c）當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的用戶來(lái)申請(qǐng)所需帶寬時(shí)（語(yǔ)音業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)是最高的），可用兩種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：第一，對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的那類用戶進(jìn)行QoS降級(jí)服務(wù)；第二，對(duì)實(shí)現(xiàn)視頻業(yè)務(wù)的那類用戶進(jìn)行QoS降級(jí)服務(wù)。通過(guò)這兩種方法（考慮到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和視頻業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)，第一種方案則是先執(zhí)行的。只有當(dāng)?shù)谝环N方案不能實(shí)現(xiàn)的情況下，才執(zhí)行第二種方案），都可以為實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的用戶騰出足夠的帶寬，否則阻塞該用戶。

　　 2）流媒體用戶速率跳轉(zhuǎn)事件。RM對(duì)已接入的視頻流用戶的速率進(jìn)行周期性檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到Rn＞Rs時(shí)，將該視頻流用戶帶寬追加個(gè)單位，同時(shí)更新剩余帶寬，則更新后的剩余帶寬W_now=當(dāng)檢測(cè)到Rn=Rs時(shí)，不作調(diào)整；當(dāng)檢測(cè)到Rn＜Rs時(shí)，將發(fā)現(xiàn)視頻流用戶的帶寬自動(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(dāng)帶寬資源用盡時(shí)，判斷新用戶的優(yōu)先級(jí)，選擇接入，即高優(yōu)先級(jí)用戶可依次剝奪若干低優(yōu)先級(jí)用戶的帶寬，讓其接受降級(jí)服務(wù)，從而保證高優(yōu)先級(jí)用戶的低阻塞率。

　　 3）用戶離開事件。若用戶呼叫結(jié)束，則釋放帶寬。若Ds＞0，將W_a分配給隨機(jī)選擇的一個(gè)最高級(jí)的接受降級(jí)服務(wù)的流媒體用戶，令其升級(jí)（升一級(jí)或若干級(jí)），同時(shí)更新剩余帶寬；若仍有剩余帶寬且Dd＞0，再隨機(jī)分配W_a給最高級(jí)的接受降級(jí)服務(wù)的數(shù)據(jù)用戶（包括在緩沖區(qū)內(nèi)排隊(duì)等待的數(shù)據(jù)用戶），如此循環(huán)，直到系統(tǒng)內(nèi)沒(méi)有接受降級(jí)服務(wù)的流媒體用戶或數(shù)據(jù)用戶為止，從而保證該系統(tǒng)中的所有流媒體用戶都能享受到服務(wù)。

　　 無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)的可升降級(jí)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(jí)，因此能夠?yàn)槠銺oS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(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供的依然是盡力而為的服務(wù)。

　　 無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)的可升降級(jí)QoS動(dòng)態(tài)帶寬分配與優(yōu)化策略的顯著特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)主要是：不需要預(yù)留資源，通過(guò)設(shè)置優(yōu)先級(jí)的高低來(lái)完成對(duì)資源的不同享用級(jí)別，避免了預(yù)留資源造成的資源浪費(fèi)。大大提高了系統(tǒng)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(jí)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(shù)據(jù)業(yè)務(wù)改善最小。所以，該策略既實(shí)現(xiàn)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)，可以很好地滿足多媒體業(yè)務(wù)的QoS要求。

4、結(jié)束語(yǔ)

　　 本文分析了影響無(wú)線多媒體業(yè)務(wù)QoS性能的幾個(gè)主要因素，提出采用可升降級(jí)QoS動(dòng)態(tài)帶寬分配與優(yōu)化策略來(lái)保障用戶的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(xiàn)

　　 1 Huang Lei，KumarS，KuoC C Jay.Adaptive resource allocation for multimedia QoS management in wireless network[J].IEEE Trans.on Vehicularv technology，2004，53(2)：547～558.

　　 2 Ling Xu,ShenX，MarkJ W.Fair resource allocation with statistical QoS support for multimedia traffic in a wideband CDMA cellular network[J].WCNC 2004 IEEE Wireless Communications and Networking Conference，Atlanta，Georgia USA，2004(3)：1335～1340.

　　 3 Chou Chunting，ShinKG..Analysis of adaptive bandwidth allocation in wireless networks with multilevel degradable quality of service[J].IEEE Trans.On Mobile Computing，2004，3(1)：5～17.

　　 4 3GPP：TechnicalSpecificationTS23.1 07，V.4.0.0[S]，QoS，Concept and Architecture，2000(12).

　　 5 SoJW.Adaptive traffic prediction based access control in wireless CDMA systems supporting integrated Voice/Data/Video services[J].IEEE Communications Letters.2004，8(12)：703～705.

泰爾網(wǎng)