支持多媒體業(yè)務(wù)的隨機接入技術(shù)研究進(jìn)展

楊 柳，郝 莉

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610031）

0 引 言

面向數(shù)據(jù)、提供無縫集成高質(zhì)量多媒體業(yè)務(wù)的寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是下一代移動通信系統(tǒng)的研究中心。隨著未來移動通信系統(tǒng)中承載的多媒體業(yè)務(wù)種類日益豐富，用戶數(shù)量不斷增加，如何保障不同多媒體業(yè)務(wù)在移動過程中的通信QoS（服務(wù)質(zhì)量）已經(jīng)成為一項熱點研究問題。積極的應(yīng)對方案是對各種用戶的多媒體業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級的劃分，提高無線資源的利用率，采用合理的隨機接入機制和重發(fā)退避算法，為不同類型的業(yè)務(wù)和終端，提供不同的QoS保障的隨機接入方式。

1 隨機接入?yún)f(xié)議介紹

多址接入?yún)f(xié)議可以從通信資源的分配機制、實施分配算法的控制方式以及算法協(xié)議對變化需求的適應(yīng)程度等方面描述，可以分為固定分配技術(shù)、隨機接入技術(shù)、接入控制技術(shù)、分布式動態(tài)分配技術(shù)以及自適應(yīng)策略與混合模式［1］。

在各種接入?yún)f(xié)議的研究中，以基于爭用的隨機接入技術(shù)和無爭用的接入控制技術(shù)的討論最為熱烈。

在隨機接入的方式中，各用戶終端以相互獨立的方式接入信道，不需要控制中心的參與，因此隨機接入?yún)f(xié)議實現(xiàn)的復(fù)雜程度大大降低，簡單易行，但不能為時延敏感業(yè)務(wù)提供可靠和可控的時延保障。在負(fù)載較輕時，具有很好的效果，但在負(fù)載較大時，彼此之間的相互碰撞會比較嚴(yán)重，吞吐量、傳輸時延等隨機接入失敗會惡化，甚至完全擁塞［2－4］。在所有的移動通信系統(tǒng)中，上行傳送數(shù)據(jù)的流程均包含隨機接入的過程，可以用于用戶終端的初始注冊、資源帶寬的申請以及數(shù)據(jù)的發(fā)送，所以隨機接入技術(shù)在移動通信系統(tǒng)中非常重要，對于移動通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，有著直接和重要的影響。比較典型的隨機接入?yún)f(xié)議有：ALOHA／Slotted ALOHA［5］、CSMA／CD／CA［6］、RTS／CTS［6］等。

2 多媒體業(yè)務(wù)類型的設(shè)計

針對不同業(yè)務(wù)提供不同QoS首先要對業(yè)務(wù)進(jìn)行分類，沒有對應(yīng)的業(yè)務(wù)分類，網(wǎng)絡(luò)就不能確定對哪些業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行對應(yīng)的優(yōu)先保障處理。結(jié)合不同業(yè)務(wù)對時延、帶寬的要求，多媒體業(yè)務(wù)的分類在各種文獻(xiàn)中有多種描述，其中有3種主要的分類方法：

（1）實時業(yè)務(wù)和非實時業(yè)務(wù)

實時 （real－time）業(yè)務(wù)只能容忍很小的時延和時延抖動，大部分交互式音／視頻應(yīng)用，例如語音業(yè)務(wù)、在線視頻、視頻會議、可視電話等都對時延敏感，屬于實時業(yè)務(wù)。非實時 （non－real－time）業(yè)務(wù)能夠容忍相對較大的時延和時延抖動，大部分傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如網(wǎng)頁瀏覽、FTP、Email等都屬于非實時業(yè)務(wù)，允許的時延有一個較大的變動范圍，從很小的時延如網(wǎng)頁瀏覽，到中等時延如FTP，到很大的時延如Email［3］。另外，實時業(yè)務(wù)一般能夠容忍一定程度的數(shù)據(jù)丟失和錯誤，但信息質(zhì)量等級會有所降低。而非實時業(yè)務(wù)通常不能容忍任何的數(shù)據(jù)丟失和錯誤。

（2）3GPP提出的業(yè)務(wù)類型

3GPP將業(yè)務(wù)分為4種類別，通話類 （conversational）、流類 （streaming）、交互式應(yīng)用類 （interactive）和后臺類（background）［4］。其中通話類是指雙向?qū)崟r業(yè)務(wù)，如語音業(yè)務(wù)、可視電話等，對時延要求最高；流類指單向?qū)崟r業(yè)務(wù)，如在線音頻、在線視頻等，這類業(yè)務(wù)比通話類能忍受高一些的時延，但對丟包敏感；交互式應(yīng)用類指網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、網(wǎng)頁瀏覽等業(yè)務(wù)，最關(guān)心數(shù)據(jù)包的往返時延；后臺類主要指文件傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)，對時延要求較低，但會占據(jù)較大帶寬。此種業(yè)務(wù)類型的劃分相比實時業(yè)務(wù)和非實時業(yè)務(wù)更為細(xì)致，在仿真和實踐中可以選擇和調(diào)整更精細(xì)的參數(shù)，主要在UMTS和LTE中應(yīng)用。

（3）WiMAX提出的業(yè)務(wù)類型

在802.16中，定義了4種類型的業(yè)務(wù)［7］：UGS（unsolicited grant service）：主動受權(quán)業(yè)務(wù)；rtPS （real－time polling service）：實時輪詢業(yè)務(wù)；nrtPS （non－real－time polling service）：非實時輪詢業(yè)務(wù)；BE （best effort）：盡力而為業(yè)務(wù)。在802.16e中增加了一種稱為擴(kuò)展實時可變速率ertPS（extended real－time polling service）的新業(yè)務(wù)。

3 支持多媒體業(yè)務(wù)的隨機接入?yún)f(xié)議研究

在支持多媒體業(yè)務(wù)的隨機接入?yún)f(xié)議研究中，首先對各種用戶業(yè)務(wù)進(jìn)行多媒體業(yè)務(wù)類型的劃分，其次針對各種業(yè)務(wù)類型進(jìn)行接入策略的設(shè)計，該接入策略可能在信道負(fù)載重時執(zhí)行，也可能無論信道負(fù)載處在何種情況均執(zhí)行。

支持多媒體業(yè)務(wù)的隨機接入?yún)f(xié)議的設(shè)計重點是通過采用不同的接入策略，減少隨機接入信道中的數(shù)據(jù)包數(shù)量，使數(shù)據(jù)包競爭時的碰撞概率降低，保障高優(yōu)先級用戶業(yè)務(wù)的QoS［8］，若信道負(fù)載過重時，甚至可以拒絕低優(yōu)先級用戶的服務(wù)，因此對通信系統(tǒng)的指標(biāo)有一定的改善。

按照不同的接入策略，可以將支持多媒體業(yè)務(wù)的隨機接入?yún)f(xié)議分為基于接入門限的多媒體隨機接入?yún)f(xié)議和基于重發(fā)退避的多媒體隨機接入?yún)f(xié)議。

3.1 基于接入門限的多媒體隨機接入?yún)f(xié)議

在基于接入門限的多媒體隨機接入?yún)f(xié)議的設(shè)計中，通常采用3種方式提高低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的接入門限，使低優(yōu)先級業(yè)務(wù)更難接入。

（1）降低低優(yōu)先級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的發(fā)送功率。對碰撞之后的數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢測和捕獲是提高系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性的一項重要舉措，使用較高功率發(fā)送的數(shù)據(jù)包更容易使用功率捕獲方法捕獲成功，因此使用不同的發(fā)送功率可以達(dá)到針對不同業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)別服務(wù)的目的。

（2）降低低優(yōu)先級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的發(fā)送頻率，從而限制低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的隨機接入數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

（3）限制低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的隨機接入時隙或隨機接入信道的數(shù)量，從而使得低優(yōu)先級的信道資源減少，接入概率降低。

1998年，王映民等人在文獻(xiàn) ［9］中提到對ALOHA協(xié)議進(jìn)行優(yōu)先級的改動，在確定分組是否發(fā)送成功之前，高優(yōu)先級用戶會以隨機時間進(jìn)行主動重發(fā)，而低優(yōu)先級用戶只有一次發(fā)送機會，相當(dāng)于基本的ALOHA協(xié)議。

2006年，顧雪琳等人在文獻(xiàn) ［10］中提出了一種隨機接入方案。在該方案中，網(wǎng)絡(luò)終端利用特有的優(yōu)先隨機接入信道 （FRRACH）對不同時延特性的業(yè)務(wù)采用不同的隨機接入機制，實時業(yè)務(wù)的隨機接入數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間間隔明顯小于非實時業(yè)務(wù)的時間間隔，有效避免了分組碰撞，保障了實時業(yè)務(wù)的QoS需求。

2007年，Khoshnevis在文獻(xiàn) ［11］中提出了一種優(yōu)化的功率水平選擇方案，應(yīng)用在使用指數(shù)退避算法的ALOHA協(xié)議中。方案中功率水平集合為 ｛1，R，R2，...，RL－1｝，根據(jù)當(dāng)前節(jié)點發(fā)生碰撞的概率在功率水平集合中選擇合適的功率水平進(jìn)行發(fā)送。使用高功率水平發(fā)送數(shù)據(jù)包的用戶吞吐量得到了顯著提高。

2009年，Y.Abdel－Hamid等人在文獻(xiàn) ［12］中提出高優(yōu)先級用戶可以接入到信道中任何一個時隙，低優(yōu)先級用戶只能接入到所有時隙的某一部分子集，從而保證高優(yōu)先級用戶的QoS。

2010年，Hsu在文獻(xiàn) ［13］中提出了在基于多級發(fā)送功率的時隙ALOHA協(xié)議中，采用防止被騙的接入控制方式，防止作弊節(jié)點選擇更高的發(fā)送功率來獲得更高的吞吐量。

2011年，Jen－Po Cheng在文獻(xiàn) ［14］中提出了在LTE－A系統(tǒng)中通過預(yù)分配隨機接入信道 （random access channel，RACH）以及不同的退避過程來為每種業(yè)務(wù)提供服務(wù)保障。

2012年，Man Hon Cheung等人在文獻(xiàn) ［15］中提出的方案是在隨機接入時，各節(jié)點在AP注冊，根據(jù)業(yè)務(wù)類型分配不同的傳輸概率，通過傳輸概率的不同來達(dá)到區(qū)別服務(wù)的目的。

3.2 基于重發(fā)退避的多媒體隨機接入?yún)f(xié)議

在移動通信系統(tǒng)中，當(dāng)用戶終端需要發(fā)送或者重發(fā)數(shù)據(jù)包時，為了避免發(fā)生沖突，常常采用退避的方式，避讓一段時間后根據(jù)重發(fā)概率再決定是否進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送，決定避讓的方式和時間的算法就是退避算法。經(jīng)典的退避算法有均勻退避算法 （UB）、二進(jìn)制指數(shù)退避算法 （BEB）、倍數(shù)增加線性減少退避算法 （MILD）等。退避算法在減少數(shù)據(jù)包碰撞、提高發(fā)送成功率和提高系統(tǒng)性能方面都起到了有效的推進(jìn)作用。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，退避算法呈現(xiàn)出結(jié)合多優(yōu)先級和動態(tài)調(diào)整的特性進(jìn)行優(yōu)化的趨勢。

基于重發(fā)退避的多媒體隨機接入?yún)f(xié)議的設(shè)計目前呈現(xiàn)兩個發(fā)展態(tài)勢：

（1）使用一種退避算法，但給予不同優(yōu)先級的多媒體業(yè)務(wù)以不同的算法參數(shù)，例如不同的重傳概率、退避窗口的長度等；

（2）使用多種退避算法混合，不同優(yōu)先級的多媒體業(yè)務(wù)采用不同的退避算法，可根據(jù)需要選擇特定的退避算法，以增加或者減少各優(yōu)先級之間的差異。

在3GPP的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了3G移動通信系統(tǒng)中采用的基于優(yōu)先級的隨機接入方案［8，16］。由基站廣播一系列的重傳概率Pi，對應(yīng)于一系列不同優(yōu)先級，級別越高，重傳概率越大。如果用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)包發(fā)送失敗，則退避后等待重發(fā)。在重發(fā)前，用戶終端在0到1之間產(chǎn)生一個隨機數(shù)，如果隨機數(shù)小于當(dāng)前優(yōu)先級的重傳概率，則選擇重發(fā)，反之則繼續(xù)退避等待重發(fā)。這種方法控制了不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)的重發(fā)機會，級別越高的業(yè)務(wù)的重發(fā)機會越大，級別越低的業(yè)務(wù)重發(fā)機會則小，從而將不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)區(qū)分開來。

2005年，K.Sakakibara等人在文獻(xiàn) ［17］中針對Slotted ALOHA協(xié)議提出了一種退避算法，根據(jù)退避的次數(shù)利用概率分布來調(diào)整退避的時隙數(shù)。如果仔細(xì)選擇相應(yīng)的概率分布，該算法表現(xiàn)出長期的接入公平性和較小的延遲抖動。

2005年，Rivero－Angeles等人在文獻(xiàn) ［18］中在3種經(jīng)典的退避算法UB、BEB以及GB中引入了多優(yōu)先級的因素，并分別討論了該退避算法對吞吐量敏感和對時延敏感用戶的影響，以及系統(tǒng)分級和不分級的性能。

2009年，Mario E.Rivero－ángeles等人在文獻(xiàn) ［19］中針對不同優(yōu)先級的多媒體業(yè)務(wù)類型設(shè)置不同的重傳概率。該退避算法和以前的很多已有研究結(jié)果不同，考慮的是接入用戶無上限的情況、每個節(jié)點都保持有數(shù)據(jù)要接入、接入隊列始終不為空的網(wǎng)絡(luò)重載狀態(tài)。

2009年，Dehbi，Y.等人在文獻(xiàn) ［20］中提出了一種混合的退避機制，在該機制中，不同優(yōu)先級的用戶使用不同的退避機制，在發(fā)生碰撞時，用戶采用不同的機制退避，隨著碰撞次數(shù)的增加，優(yōu)先級高的用戶的競爭窗口幾何減少，而優(yōu)先級低的用戶線性增長，通過該機制可達(dá)到減少碰撞，提高高優(yōu)先級用戶接入概率的目的。

2012年，盧憲祺等人在文獻(xiàn) ［21］中給出的退避算法是結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的忙閑狀態(tài)來進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整的，當(dāng)發(fā)生碰撞時，先判斷網(wǎng)絡(luò)目前的業(yè)務(wù)狀況，如果忙，則退避，如果不忙，則不退避。退避的時候不同優(yōu)先級用戶的退避窗口有所區(qū)別。

2012年，蔣青等人在文獻(xiàn) ［22］給出TD－SCDMA系統(tǒng)的退避算法中，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的退避時間最短，中等級用戶次之，低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的退避時間最長，級別越高的用戶重發(fā)的時間間隔越短，因此接入的概率就越高。此外，優(yōu)先級越高，能夠分配到的上行同步碼越多，因此該算法為不同的業(yè)務(wù)提供了不同級別的接入。

4 支持多媒體業(yè)務(wù)的隨機接入技術(shù)的未來研究方向

結(jié)合支持多媒體業(yè)務(wù)的隨機接入技術(shù)的研究進(jìn)展和深入分析，支持多媒體業(yè)務(wù)的隨機接入技術(shù)的進(jìn)一步工作應(yīng)包括以下幾個方面：

（1）在多媒體業(yè)務(wù)的建模工作中，著力于結(jié)合真實場景進(jìn)行分類和建模。

目前有各種多媒體業(yè)務(wù)的分類工作，但大多數(shù)多媒體業(yè)務(wù)的建模都非常簡單，例如簡單地將多媒體業(yè)務(wù)分為實時和非實時業(yè)務(wù)，或者分為語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等等，這些簡單的業(yè)務(wù)建模都難以描述實際場景下各種多媒體業(yè)務(wù)的實際特性。多媒體業(yè)務(wù)的建模工作是這個方向的研究基礎(chǔ)，因此，應(yīng)該首先分析和研究各種多媒體業(yè)務(wù)的分類和建模工作，并通過各種業(yè)務(wù)的特性確定接入的優(yōu)先級。

（2）支持多媒體業(yè)務(wù)的隨機接入?yún)f(xié)議的研究中，著力于減少隨機接入時延。

在支持多媒體業(yè)務(wù)的隨機接入?yún)f(xié)議的研究中，隨機接入的要求主要是在時延這一技術(shù)指標(biāo)上。例如，在LTE系統(tǒng)中，從空閑狀態(tài)到激活狀態(tài)的時延要求小于100ms［23］。雖然總的時延受到很多因素的影響，但是隨機接入的時延是其中最主要的一項，在所有時延中所占的比重最大。因此，在支持多媒體業(yè)務(wù)的隨機接入?yún)f(xié)議的研究中要著重考慮減少隨機接入時延的問題。

（3）支持多媒體業(yè)務(wù)的接入?yún)f(xié)議的設(shè)計中，要著力構(gòu)建接入?yún)f(xié)議的評價體系。

支持多媒體業(yè)務(wù)的隨機接入?yún)f(xié)議為不同類型的業(yè)務(wù)和終端，提供不同的QoS保障。事實上QoS并不能創(chuàng)造通信資源，只是通過合理的接入?yún)f(xié)議來管理通信資源。也就是說，高優(yōu)先級用戶掠奪了低優(yōu)先級用戶的通信資源。傳統(tǒng)的接入?yún)f(xié)議的設(shè)計中，評價指標(biāo)通常包括吞吐量、時延、接入概率、業(yè)務(wù)阻塞率等。這些評價指標(biāo)在支持多媒體的接入?yún)f(xié)議設(shè)計中同樣適用，目前的大多數(shù)研究成果中都仍然使用傳統(tǒng)的評價指標(biāo)，只是針對各種多媒體業(yè)務(wù)所處優(yōu)先級進(jìn)行分級顯示。實際上，在區(qū)別服務(wù)的情況下，各優(yōu)先級用戶的滿意程度是非常重要的，文獻(xiàn) ［24］就提出了滿意度這個評價指標(biāo)。而基于優(yōu)先級的分組集可調(diào)度性也是多媒體網(wǎng)絡(luò)中實時QoS研究的重要性能指標(biāo)［25］。除此之外，公平度對支持多媒體業(yè)務(wù)的隨機接入?yún)f(xié)議而言，也是非常重要的評價指標(biāo)。只有構(gòu)建起完善的評價體系，才能公平地評估設(shè)計出的接入?yún)f(xié)議，因此，在這方面，還有很多工作要做。

（4）支持多媒體業(yè)務(wù)的隨機接入?yún)f(xié)議設(shè)計中，著力于關(guān)注如何使用接入門限和重發(fā)退避算法達(dá)到區(qū)別服務(wù)的目的。

在不同的接入門限中，如何選擇接入門限以及接入門限的變化參數(shù)是設(shè)計的重點，常見的接入門限包括發(fā)送功率、發(fā)送頻率以及信道資源等，常用的接入門限的變化參數(shù)包括信道負(fù)載、時延、碰撞次數(shù)等。對各種業(yè)務(wù)采用不同的接入門限和變化參數(shù)來保障高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的QoS。在后期的研究中，重點應(yīng)放在選擇與實際情況相符的接入門限和門限變化參數(shù)上。

在退避算法中，如何控制退避的隨機時間是算法的重點。在前期退避算法的研究中，研究重點多集中于如何減少數(shù)據(jù)包的碰撞，而很少討論如何使用退避算法達(dá)到區(qū)別服務(wù)的目的，相關(guān)文獻(xiàn)也很少。因此，可以設(shè)計支持多媒體業(yè)務(wù)的重發(fā)退避算法，用于發(fā)生碰撞之后進(jìn)行區(qū)別服務(wù)。

5 結(jié)束語

隨機接入技術(shù)在移動通信系統(tǒng)中占據(jù)重要的地位。如何保障不同多媒體業(yè)務(wù)在移動過程中的通信QoS（服務(wù)質(zhì)量）是目前隨機接入技術(shù)中一項熱點研究問題。在多媒體業(yè)務(wù)隨機接入?yún)f(xié)議中，首先要針對多媒體業(yè)務(wù)進(jìn)行分類，目前有3種主要的分類方式：實時業(yè)務(wù)和非實時業(yè)務(wù)、3GPP提出的4種業(yè)務(wù)類型以及WiMAX提出的4種業(yè)務(wù)類型。按照不同的接入策略，可以將支持多媒體業(yè)務(wù)的隨機接入?yún)f(xié)議分為基于接入門限的多媒體隨機接入?yún)f(xié)議和基于重發(fā)退避的多媒體隨機接入?yún)f(xié)議?；诙嗝襟w隨機接入?yún)f(xié)議的設(shè)計思想，該研究方向未來的研究進(jìn)展在多媒體業(yè)務(wù)建模、隨機接入?yún)f(xié)議設(shè)計以及隨機接入?yún)f(xié)議評估等方面都有很多值得深入研究的問題，等待進(jìn)一步的探索。

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