无线多媒体业务QoS性能优化

　　摘要：首先简要介绍无线多媒体网络中的语音业务、流媒体业务、交互类业务和背景类业务4种，接着对影响无线多媒体业务QoS性能的三个主要因素（时延、抖动和丢包）进行分析，最后提出利用无线多媒体业务的可升降级QoS动态带宽分配与优化策略来保障用户的QoS、提高带宽资源的利用率。

　　0、引言

　　目前，无线网络提供的服务已从过去单一的语音业务，经过语音/数据综合业务阶段，发展到现在的语音/流媒体/数据的多媒体业务。随着用户需求的变化和服务提供商提供业务种类的增加，3G系统等多媒体网络对业务模型进行了新的划分。文献[1，2]通过不同的连接准入控制（CAC）策略和资源预留机制来完成资源的动态分配。然而，先前多媒体业务的动态资源分配，仅限于区分实时和非实时业务的特性，并未考虑到其中某些业务的变比特率特征。

　　本文采用3GPP定义的4种业务模型作为业务源模型，为满足各类型用户的QoS需求，同时减少不必要的资源占用，提出了一种可升降级QoS动态带宽分配与优化策略。即在带宽资源完全被占用的情况下，根据各业务类型的QoS等级，按照一定的升降级准则令某些用户接受降级服务，以保证有新的带宽资源分配给更多的用户[3]。

　　1、无线多媒体网络

　　1.1无线网络与有线网络的区别

　　随着无线通信技术的发展，无线网络己经具备了承载多媒体业务的能力。3G系统在准静止条件下能够达到2Mbit/s的速率，即使是在高速运动的列车上，传输速率也可以达到144kbit/s，能够支持音频或者低速率视频等多媒体业务。而无线局域网可以达到甚至超过54Mbit/s的信道传输速率，完全可以向准静止终端提供宽带的视频多媒体业务。但是，无线网络与有线网络相比，系统存在诸多特殊性，使得其QoS控制机制和有线网络的QoS控制机制存在较大差别。具体来说，网络特性的差别表现在以下几个主要方面：

　　1）无线网络的频谱和功率资源严格受限，所能达到的带宽远低于有线网络。因此，高效地利用无线资源、减小开销、提高系统容量，是无线多媒体网络面临的主要问题之一。

　　2）无线信道的特性与终端的地理位置分布相关，信道特性相差很大。通常距离基站近的终端信道条件好，距离基站远的终端信道题条件差，远近终端的业务要达到相同的QoS必须付出不同的代价。

　　3）在无线多媒体网络中，终端允许移动。移动带来了漫游和切换问题，这是有线网络中没有的。此外，终端移动导致信道特性变化，使得无线链路的QoS随之变化，必须采取适当的措施来维持链路性能。

　　4）在无线多媒体网络中，系统容量并不是常数。系统容量与业务速率、误码率、时延、抖动、丢包等QoS性能参数密切相关。为了维持系统的稳定、保证己存在业务的QoS，必须采取适当的无线资源测量方法，然后对无线资源实施相应的控制。

　　1.2无线多媒体业务分类

　　全球无线通信系统将业务分成四大类[4]，基本上是按照时延要求来划分的：

　　1）会话式业务：这是一类典型的实时业务，要求端到端延迟和抖动小。此类业务有电话、IP电话、视频会议等。

　　2）流媒体业务：这一类业务数据流单向传输，也是实时业务，但对延迟要求较宽松。此类业务有视频点播、网络实况广播等。

　　3）交互式业务：这类业务的特点是请求－响应模式，对延迟几乎没有要求。此类业务的典型代表是Web浏览。

　　4）背景业务：这类业务通常对传输延迟没有限制。典型业务如E-mail，或者后台的FTP下载等。

　　2、无线多媒体业务QoS性能分析

　　2.1时延

　　在无线网络中，端到端时延是由应用时延和传输时延组成的，是系统传输信息和处理信息所需的时间。应用时延是在两个传输终端上处理信息所需要的时间，它包括音频和视频的编解码时延。传输时延是通过空中接口和无线网络传输信息所需的时间，它包括信道编码/解码、交织和传播时延等。在用户数据平面，空中单向时延小于5ms；在控制平面，用户从空闲状态到连接状态的时延小于100ms。

　　2.2抖动

　　抖动是指由于各种时延的变化导致网络中数据分组到达速率的变化，也可以认为是信道时延变动的度量值。它主要由以下几个因素引起的：分组的排队时延、可变的分组大小、中间链路等。补偿抖动的常用方法是在接收端设备（手机、掌上电脑等）上进行缓冲处理，虽然这与减小时延的目标相悖，但对消除抖动带来的影响是必要的。

　　2.3丢包

　　无线网络中有两个主要的原因会导致丢包：第一，载波监听多点接入（CSMA）域中流量过大，有冲突的包就会被丢弃；第二，时延变化过大，因为包到达缓冲器过晚或过早而被丢弃。对于语音业务来讲，它具有时实性的特点，所以就没有时间重新发送丢失的包。这些丢失的包会使语音通信产生间断，进而产生静音，如果丢失发生频繁，那么通话就变得毫无意义。

　　3、无线多媒体业务QoS性能优化

　　3.1系统模型

　　假设我们讨论的系统为无线多媒体通信系统，基站资源管理器（RM）同时负责接入控制和带宽分配。基站按一定的周期T对接入用户的传输速率进行检测。假定系统总带宽W一定，带宽分配的基本单位为Wb，它是可以满足基本传输速率为Rb的带宽。

　　针对未来无线多媒体通信网络的需求，以3GPP定义为标准，本文将无线网络中的多媒体业务分为以下3种优先级：语音业务的优先级最高，设为PRIV=3；视频流媒体业务次之，设为PRIs=2；交互式业务与背景业务对时延的要求有所不同，本文将这两种业务合并为一种数据业务，优先级最低，PRId=1；我们再假设：

　　1）三类业务的到达服从泊松分布，平均到达率为λv，λs和λd，服务时间服从指数分布，平均服务时间依次为μv，μs和μd，不同类型业务之间的用户的到达是相互独立的。

　　2）对于语音业务，采用MarkovON/OFF模型。在激活期，传输速率为RVbit/s，

　　RV=Rb[5]；在休眠期，传输速率为0。

　　3）视频流媒体业务一直是我们关注的难点，为简化分析，本文将视频流媒体业务仅局限于视频会议和视频电话业务。我们可以把视频流媒体业务看成是离散状态的连续时间的Markovchain，则可以把视频流媒体业务量化成有限的离散状态（0，A，…，MA），状态的转移速率用α和β表示，α=3.9-β和β=3.9/（1+5.04458N/M）。如图1所示。

　　图1 视频流媒体业务模型

　　其中，N为视频流业务源的集合数，M为视频流业务量化的级别数。本文假设N＝1，M＝8。处于jA状态的流业务用户的传输速率为jRbbit/s[5]，其中j∈（0，1，…，M）。

　　4）对于数据业务，为提高系统资源的利用率，认为它是可用比特率业务VBR（可变比特率），即利用系统剩余可用资源进行传输，初始化传输速率为Rdbit/s。

　　3.2无线多媒体业务QoS优化方法

　　无线多媒体业务的可升降级QoS动态带宽分配与优化策略主要有三类事件：用户到达事件、流媒体用户速率跳转事件和用户离开事件。我们假设视频流媒体业务量被划分为8个等级，各等级带宽从高到底依次为W1、W2、…、W8，其中Wi=（8-I+1）Wb，I=1、2、…、8。此外，假设W_unused为系统剩余带宽，W_now为更新系统剩余带宽后的带宽，W_a为用户服务结束释放的带宽，W_m为系统最小可分配带宽单位；Rs和Rn分别为当前和下一时刻视频流媒体用户的速率，且定义|Rs-Rn|为W_re；3类用户实时要求的带宽分别为Wv、Ws、Wd；接入系统的3种业务的用户数分别为Nv、Ns、Nd；两种VBR业务（视频业务和数据业务）接受降级服务的用户数分别是Ds和Dd，其中仍能接受降级服务的用户数分别为Es和Ed；3种业务被阻塞掉的用户数分别为Bv、Bs、Bd。下面是针对三类事件所提出的对无线多媒体业务QoS的优化方法：

　　1）用户到达事件。当带宽资源充裕时，各类用户到达不论优先级高低，均可按需分配得到带宽。当带宽资源不能满足接入需求带宽时，则按照优先级顺序从低到高对已接入的用户进行QoS降级服务（降一级或若干级），直到能够腾出足够的带宽满足新用户的需求，否则阻塞该用户，具体流程如图2所示。

图2 用户到达事件的处理流程

　　从图2我们可以得出，在带宽资源不足的情况下，不同类型用户是如何分配到其所需带宽的。根据无线多媒体业务划分的3种优先级，则有三种情况：

　　a）当需要实现数据业务的用户来申请所需带宽时，因为数据业务的优先级是最底的，不能对已接入的其它用户进行QoS降级服务，所以只能阻塞该用户。

　　b）当需要实现视频业务的用户来申请所需带宽时，它可以对已接入的其它用户进行QoS降级服务，但签于它的优先级，它只能对实现数据业务的那类用户进行QoS降级服务，从而为需要实现视频业务的用户腾出足够的带宽，否则阻塞该用户。

　　c）当需要实现语音业务的用户来申请所需带宽时（语音业务的优先级是最高的），可用两种方案来实现：第一，对实现数据业务的那类用户进行QoS降级服务；第二，对实现视频业务的那类用户进行QoS降级服务。通过这两种方法（考虑到数据业务和视频业务的优先级，第一种方案则是先执行的。只有当第一种方案不能实现的情况下，才执行第二种方案），都可以为实现语音业务的用户腾出足够的带宽，否则阻塞该用户。

　　2）流媒体用户速率跳转事件。RM对已接入的视频流用户的速率进行周期性检测，当检测到Rn＞Rs时，将该视频流用户带宽追加个单位，同时更新剩余带宽，则更新后的剩余带宽W_now=当检测到Rn=Rs时，不作调整；当检测到Rn＜Rs时，将发现视频流用户的带宽自动释放个单位，同时更新剩余带宽，则更新后的剩余带宽。当带宽资源用尽时，判断新用户的优先级，选择接入，即高优先级用户可依次剥夺若干低优先级用户的带宽，让其接受降级服务，从而保证高优先级用户的低阻塞率。

　　3）用户离开事件。若用户呼叫结束，则释放带宽。若Ds＞0，将W_a分配给随机选择的一个最高级的接受降级服务的流媒体用户，令其升级（升一级或若干级），同时更新剩余带宽；若仍有剩余带宽且Dd＞0，再随机分配W_a给最高级的接受降级服务的数据用户（包括在缓冲区内排队等待的数据用户），如此循环，直到系统内没有接受降级服务的流媒体用户或数据用户为止，从而保证该系统中的所有流媒体用户都能享受到服务。

　　无线多媒体业务的可升降级QoS动态带宽分配与优化策略为语音业务赋予最高的优先级，因此能够为其QoS提供保障。该策略还解决了VBR业务的带宽分配问题，流媒体在W_unused≥W1时，QoS也能得到保障，只有在W_unused＜W1时可能会受到较低程度的损失。该策略为数据业务提供的依然是尽力而为的服务。

　　无线多媒体业务的可升降级QoS动态带宽分配与优化策略的显著特点和优势主要是：不需要预留资源，通过设置优先级的高低来完成对资源的不同享用级别，避免了预留资源造成的资源浪费。大大提高了系统容量；同时，还降低了每种业务的阻塞率。其中，语音业务的优先级最高，它的阻塞率也是降低幅度最大的，流媒体业务次之，数据业务改善最小。所以，该策略既实现了带宽控制，又提供了低丢失、低延迟、低抖动以及确定的带宽服务，可以很好地满足多媒体业务的QoS要求。

　　4、结束语

　　本文分析了影响无线多媒体业务QoS性能的几个主要因素，提出采用可升降级QoS动态带宽分配与优化策略来保障用户的QoS和提高带宽资源的利用率，讨论并解决了动态带宽的分配与优化问题。但是，如何更好地保证无线多媒体业务的服务质量，很多问题还有待进一步研究。

　　参考文献

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　　2 Ling Xu,ShenX，MarkJ W.Fair resource allocation with statistical QoS support for multimedia traffic in a wideband CDMAcellular 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.