無線多媒體業(yè)務QoS性能優(yōu)化

張琰 2008/07/02

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


2. 無線信道的特性與終端的地理位置分布相關，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)務要達到相同的QoS必須付出不同的代價。


3. 在無線多媒體網(wǎng)絡中，終端允許移動。移動帶來了漫游和切換問題，這是有線網(wǎng)絡中沒有的。此外，終端移動導致信道特性變化，使得無線鏈路的QoS隨之變化，必須采取適當?shù)拇胧﹣砭S持鏈路性能。


4. 在無線多媒體網(wǎng)絡中，系統(tǒng)容量并不是常數(shù)。系統(tǒng)容量與業(yè)務速率、誤碼率、時延、抖動、丟包等QoS性能參數(shù)密切相關。為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定、保證己存在業(yè)務的QoS，必須采取適當?shù)臒o線資源測量方法，然后對無線資源實施相應的控制。

1. 會話式業(yè)務：這是一類典型的實時業(yè)務，要求端到端延遲和抖動小。此類業(yè)務有電話、IP電話、視頻會議等。


2. 流媒體業(yè)務：這一類業(yè)務數(shù)據(jù)流單向傳輸，也是實時業(yè)務，但對延遲要求較寬松。此類業(yè)務有視頻點播、網(wǎng)絡實況廣播等。


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


4. 背景業(yè)務：這類業(yè)務通常對傳輸延遲沒有限制。典型業(yè)務如E-mail，或者后臺的FTP下載等。

1. 三類業(yè)務的到達服從泊松分布，平均到達率為λv，λs和λd，服務時間服從指數(shù)分布，平均服務時間依次為μv，μs和μd，不同類型業(yè)務之間的用戶的到達是相互獨立的。


2. 2）對于語音業(yè)務，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)務一直是我們關注的難點，為簡化分析，本文將視頻流媒體業(yè)務僅局限于視頻會議和視頻電話業(yè)務。我們可以把視頻流媒體業(yè)務看成是離散狀態(tài)的連續(xù)時間的Markovchain，則可以把視頻流媒體業(yè)務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)務模型

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

　　對于數(shù)據(jù)業(yè)務，為提高系統(tǒng)資源的利用率，認為它是可用比特率業(yè)務VBR（可變比特率），即利用系統(tǒng)剩余可用資源進行傳輸，初始化傳輸速率為Rdbit/s。

3.2無線多媒體業(yè)務QoS優(yōu)化方法

　　無線多媒體業(yè)務的可升降級QoS動態(tài)帶寬分配與優(yōu)化策略主要有三類事件：用戶到達事件、流媒體用戶速率跳轉(zhuǎn)事件和用戶離開事件。我們假設視頻流媒體業(yè)務量被劃分為8個等級，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(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分別為當前和下一時刻視頻流媒體用戶的速率，且定義|Rs-Rn|為W_re；3類用戶實時要求的帶寬分別為Wv、Ws、Wd；接入系統(tǒng)的3種業(yè)務的用戶數(shù)分別為Nv、Ns、Nd；兩種VBR業(yè)務（視頻業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務）接受降級服務的用戶數(shù)分別是Ds和Dd，其中仍能接受降級服務的用戶數(shù)分別為Es和Ed；3種業(yè)務被阻塞掉的用戶數(shù)分別為Bv、Bs、Bd。下面是針對三類事件所提出的對無線多媒體業(yè)務QoS的優(yōu)化方法：

　　1）用戶到達事件。當帶寬資源充裕時，各類用戶到達不論優(yōu)先級高低，均可按需分配得到帶寬。當帶寬資源不能滿足接入需求帶寬時，則按照優(yōu)先級順序從低到高對已接入的用戶進行QoS降級服務（降一級或若干級），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)無線多媒體業(yè)務劃分的3種優(yōu)先級，則有三種情況：

　　a）當需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務的用戶來申請所需帶寬時，因為數(shù)據(jù)業(yè)務的優(yōu)先級是最底的，不能對已接入的其它用戶進行QoS降級服務，所以只能阻塞該用戶。

　　b）當需要實現(xiàn)視頻業(yè)務的用戶來申請所需帶寬時，它可以對已接入的其它用戶進行QoS降級服務，但簽于它的優(yōu)先級，它只能對實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務的那類用戶進行QoS降級服務，從而為需要實現(xiàn)視頻業(yè)務的用戶騰出足夠的帶寬，否則阻塞該用戶。

　　 c）當需要實現(xiàn)語音業(yè)務的用戶來申請所需帶寬時（語音業(yè)務的優(yōu)先級是最高的），可用兩種方案來實現(xiàn)：第一，對實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務的那類用戶進行QoS降級服務；第二，對實現(xiàn)視頻業(yè)務的那類用戶進行QoS降級服務。通過這兩種方法（考慮到數(shù)據(jù)業(yè)務和視頻業(yè)務的優(yōu)先級，第一種方案則是先執(zhí)行的。只有當?shù)谝环N方案不能實現(xiàn)的情況下，才執(zhí)行第二種方案），都可以為實現(xiàn)語音業(yè)務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對已接入的視頻流用戶的速率進行周期性檢測，當檢測到Rn＞Rs時，將該視頻流用戶帶寬追加個單位，同時更新剩余帶寬，則更新后的剩余帶寬W_now=當檢測到Rn=Rs時，不作調(diào)整；當檢測到Rn＜Rs時，將發(fā)現(xiàn)視頻流用戶的帶寬自動釋放個單位，同時更新剩余帶寬，則更新后的剩余帶寬。當帶寬資源用盡時，判斷新用戶的優(yōu)先級，選擇接入，即高優(yōu)先級用戶可依次剝奪若干低優(yōu)先級用戶的帶寬，讓其接受降級服務，從而保證高優(yōu)先級用戶的低阻塞率。

　　 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分配給隨機選擇的一個最高級的接受降級服務的流媒體用戶，令其升級（升一級或若干級），同時更新剩余帶寬；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的數(shù)據(jù)用戶（包括在緩沖區(qū)內(nèi)排隊等待的數(shù)據(jù)用戶），如此循環(huán)，直到系統(tǒng)內(nèi)沒有接受降級服務的流媒體用戶或數(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。

　　 無線多媒體業(yè)務的可升降級QoS動態(tài)帶寬分配與優(yōu)化策略為語音業(yè)務賦予最高的優(yōu)先級，因此能夠為其QoS提供保障。該策略還解決了VBR業(yè)務的帶寬分配問題，流媒體在W_unused≥W1時，QoS也能得到保障，只有在W_unused＜W1時可能會受到較低程度的損失。該策略為數(shù)據(jù)業(yè)務提供的依然是盡力而為的服務。

　　 無線多媒體業(yè)務的可升降級QoS動態(tài)帶寬分配與優(yōu)化策略的顯著特點和優(yōu)勢主要是：不需要預留資源，通過設置優(yōu)先級的高低來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(tǒng)容量；同時，還降低了每種業(yè)務的阻塞率。其中，語音業(yè)務的優(yōu)先級最高，它的阻塞率也是降低幅度最大的，流媒體業(yè)務次之，數(shù)據(jù)業(yè)務改善最小。所以，該策略既實現(xiàn)了帶寬控制，又提供了低丟失、低延遲、低抖動以及確定的帶寬服務，可以很好地滿足多媒體業(yè)務的QoS要求。

4、結(jié)束語

　　 本文分析了影響無線多媒體業(yè)務QoS性能的幾個主要因素，提出采用可升降級QoS動態(tài)帶寬分配與優(yōu)化策略來保障用戶的QoS和提高帶寬資源的利用率，討論并解決了動態(tài)帶寬的分配與優(yōu)化問題。但是，如何更好地保證無線多媒體業(yè)務的服務質(zhì)量，很多問題還有待進一步研究。

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