針對(duì)移動(dòng)視頻流介于UMTS和WiMAX網(wǎng)絡(luò)間的切換方案*

陶 靜，許藝瀚

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210037)

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針對(duì)移動(dòng)視頻流介于UMTS和WiMAX網(wǎng)絡(luò)間的切換方案*

陶 靜，許藝瀚

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210037)

下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(NGMN)傾向于融合多個(gè)無(wú)線接入技術(shù)(RATs)來(lái)為用戶提供無(wú)處不在的訪問(wèn)服務(wù)。而作為一個(gè)無(wú)處不在系統(tǒng),能夠有一個(gè)解決方案來(lái)支持日益流行的視頻應(yīng)用程序也是至關(guān)重要的。由于移動(dòng)視頻應(yīng)用程序的高帶寬要求和對(duì)延遲敏感的特點(diǎn)，如何讓移動(dòng)視頻應(yīng)用程序在不同的RATs之間進(jìn)行無(wú)縫切換并保證服務(wù)質(zhì)量(QoS)是我們面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。為了加快實(shí)現(xiàn)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中提供無(wú)縫視頻流服務(wù)，通過(guò)運(yùn)用IEEE 802.21規(guī)定的媒體獨(dú)立信息服務(wù)的服務(wù)器提出了一種移動(dòng)端發(fā)起-網(wǎng)絡(luò)端控制的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)切換方案。仿真結(jié)果表明,該方案在丟包率、延遲和峰值信噪比等方面提高了性能。

IEEE 802.21；獨(dú)立媒體信息服務(wù)(MIIS)；視頻流；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

我們可以預(yù)料到移動(dòng)視頻流的需求在目前的軟件應(yīng)用程序市場(chǎng)上不斷增加。然而移動(dòng)視頻流在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的高成本難以滿足用戶對(duì)更高的性價(jià)比的需求。因此，融合多個(gè)不同特點(diǎn)的RATs已經(jīng)成為提供無(wú)線移動(dòng)視頻流服務(wù)的趨勢(shì)。盡管聚合多種RATs給用戶帶來(lái)了多方面的好處，它也引入了一個(gè)新的挑戰(zhàn)，即如何保證視頻流在移動(dòng)跨越邊界時(shí)對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是透明的。在這種情況下，一個(gè)有效的無(wú)縫切換方案是至關(guān)重要的[1]。IEEE 802.21已經(jīng)初次嘗試制定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)處理不同的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)之間切換的相關(guān)問(wèn)題[2]。本文專(zhuān)注于MIIS服務(wù)器的功能并指出如何促進(jìn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的切換技術(shù)使得無(wú)縫地傳輸視頻。基于NS2的仿真結(jié)果表明，文中提出的方案提高了移動(dòng)視頻流在丟包率、延遲和峰值性噪比(PSNR)等方面的切換性能。

1 IEEE 802.21媒體獨(dú)立切換(MIH)

本節(jié)概述了MIH的體系結(jié)構(gòu)。在2004年，IEEE 802.21工作組成立來(lái)解決媒體獨(dú)立切換(MIH)標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)問(wèn)題。MIH的總體想法是在網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層中引入介紹MIH層來(lái)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的操作和管理從而優(yōu)化切換。MIH層不需要知道下層之間的差異。圖1給出了指定IEEE 802.21指定的MIH架構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)選擇和執(zhí)行切換過(guò)程中，媒體獨(dú)立切換功能(MIHF)使用服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)來(lái)連接鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層提供同步和非同步服務(wù)包括事件服務(wù),指令服務(wù)和信息服務(wù)。

圖1 MIH的體系結(jié)構(gòu)

2 提出方案

盡管IEEE 802.21標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)定義了MIIS。但是它的基礎(chǔ)架構(gòu)并沒(méi)有完全定義。在本節(jié)中,將提出的MIIS的功能以及用操作流程來(lái)解釋它如何加速視頻流的無(wú)縫切換。為了描述提出的方案，文中做了幾個(gè)假設(shè)。首先，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(MN)可以用一些定位技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)地測(cè)量其位置。其次，MIIS服務(wù)器在一定的地理區(qū)域記錄接入點(diǎn)(PoAs)的示意圖，并且當(dāng)有一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)被部署時(shí)進(jìn)行更新。第三，假設(shè)總是可用的PoAs數(shù)量是有限的。

起初，每個(gè)MN在覆蓋范圍內(nèi)從周?chē)捎玫慕尤朦c(diǎn)(PoAs)和接入網(wǎng)絡(luò)中測(cè)量其位置并監(jiān)控連接狀態(tài)，然后將檢測(cè)到的信息通知給服務(wù)器。通過(guò)收集這些信息，MIIS構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)。整個(gè)切換過(guò)程可分為三個(gè)階段：鄰居網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)選擇和切換執(zhí)行。在這個(gè)過(guò)程中，MIIS服務(wù)器的作用是提高網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)選擇的進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)在切換時(shí)無(wú)縫地傳輸視頻。文中提出的基于MIIS服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)從UMTS網(wǎng)絡(luò)到WiMAX網(wǎng)絡(luò)切換的詳細(xì)過(guò)程如圖2所示。與此同時(shí)，需要切換時(shí)，MIIS服務(wù)器會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)選擇算法的饋送信息來(lái)選擇最好的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)工作中所使用的算法是基于負(fù)載感知的算法[3](在以前的工作提出)。

圖2 所提出的鄰居網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)過(guò)程的信令流程圖

3 仿真和結(jié)果

在本文中，用由NIST[4]和EvalVid[5]開(kāi)發(fā)的ns2(版本2.31)[6]的MIH模塊來(lái)進(jìn)行仿真研究。該視頻流是從通信設(shè)備(CN)到MN。這個(gè)拓?fù)浒?個(gè)UMTS網(wǎng)格覆蓋于7個(gè)WiMAX網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。UMTS網(wǎng)格的覆蓋半徑為3 km由節(jié)點(diǎn)NB標(biāo)出，而WiMAX網(wǎng)絡(luò)的覆蓋半徑為2 km由BS標(biāo)出。CN連接到數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mb/s和鏈接延遲為30 ms的主干網(wǎng)。所有的NB連接到接入路由器，所有的BSs都連接到另一個(gè)有著100 Mb/s數(shù)據(jù)傳輸速率和30 ms的鏈接延遲的路由器。兩個(gè)接入路由器都經(jīng)過(guò)一個(gè)鏈接延遲為30 ms的路由器與CN通訊。此外，MIIS服務(wù)器連接到數(shù)據(jù)傳輸速度為10 Mb/s的路由器。這里分別設(shè)置MN的數(shù)量為20、40、60和80，將其隨機(jī)地定位于在拓?fù)渲行拈L(zhǎng)為6 km寬為5.5 km的矩形區(qū)域內(nèi)并且在自由移動(dòng)速度為3～30 m/s之間互相通信。本仿真中，我們將對(duì)基礎(chǔ)的MIH方案來(lái)和現(xiàn)提出的方案作對(duì)比。

圖3 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4給出了部署不同數(shù)量MN的平均丟包率的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看到，提出的方案平均丟包率為0.58%而基礎(chǔ)方案為1.8%，相較而言，現(xiàn)提出的方案在丟包率這一性能上更好。根據(jù)IEEE 802.20工作組的建議[7]，視頻在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的丟包率在1%之內(nèi)是可以接受的。

圖4 丟包率

圖5是提出的方案和基礎(chǔ)方案在切換延遲上的比較。從IEEE 802.20工作組的建議[7]可知，對(duì)于非交互視頻而言，280 ms切換延遲是可以接受的。對(duì)于交互視頻,根據(jù)ITU-T的建議Y.1541[8],對(duì)于class 0，切換延遲100 ms是可以接受的；對(duì)于class 1，切換延遲400 ms是可以接受的。因此可以看到，提出的方案完全滿足了要求。

圖5 切換延遲

圖6給出了部署不同數(shù)量的MN所得到的不同的PSNR。很明顯，隨著MN的數(shù)量的增加，兩個(gè)方案的峰值性噪比都在下降。然而,我們也可以看到，現(xiàn)提出的方案在PSNR上顯示了更好的性能。因此，這進(jìn)一步表明，現(xiàn)提出的方案能加速視頻在執(zhí)行切換期間進(jìn)行無(wú)縫傳輸。

圖6 峰值性噪比(PSNR)

4 結(jié) 語(yǔ)

在本文中，我們提出了一種新穎的MIIS服務(wù)器來(lái)解決移動(dòng)視頻流在異構(gòu)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換這一挑戰(zhàn)。通過(guò)大量的仿真,結(jié)果表明，該方案提高了在丟包率、延遲和PSNR等方面的性能，并進(jìn)一步表明我們的方案可以滿足各種服務(wù)需求而不僅僅是在視頻應(yīng)用程序上。未來(lái)，我們的工作可能會(huì)專(zhuān)注于研究視頻流在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中更高效的算法以及不同的網(wǎng)絡(luò)模型。

[1] 周建民.無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的垂直切換[J].通信技術(shù)，2011，44(05)：97-99，102. ZHOU Jian-ming. Vertical Handoff of Wireless Heterogeneous Network[J]. Communications Technology，2011，44(05)：97-99，102.

[2] IEEE Standard P802.21/D11.00.2012.Draft standard for local and metropolitan area networks: Media independent handover services [S].1-90. http://ieeexplore.ieee.org/servlet/opac?punumber=6178219.

[3] Xu Yi-Han, Chow Chee-Onn, Choong Khong-Neng ,et al. Media independent handover (MIH) scheme with QoS provision across UMTS and WiMAX networks [J]. China Communications，2012,9(07)：55-70.

[4] Seamless and Secure Mobility[S].2009. http://www.nist.gov/itl/antd/emntg/ssm seamlessandsecure.cfm,2009.

[5] Klaue J, Rathke B,Wolis A. EvalVid: A framework for video transmission and quality valuation[C]//The 13th International Conference on Modelling Techniques and Tools for Computer Performance Evaluation, Urbana, IL, USA:IEEE, 2003:pp.255-272.

[6] The Network Simulator-ns2, http://www.isi.edu/nsnam/三ns/.

[7] IEEE 802.20 Working Group.2006. Mobile Broadband Wireless Access (MBWA)[S]. http://www.ieee802.org/20/.

[8] ITU-T recommendation Y.1541.2006.Network Performance Objective for IP-Based Services[S]. http://www.itu.int/rec/T-REC-Y.1541/en.

A Novel Handover Scheme for Mobile Video Streaming Between UMTS and WiMAX Networks

TAO Jing, XU Yi-han

(College of Information Science and Technology, Nanjing Forestry University, Nanjing Jiangsu 210037,China)

NGMN (Next Generation Mobile Network) trends to integrate multiple RATs (Radio Access Technologies) to provide ubiquitous access service to users. In such network, it is of great significance to find a solution to support increasingly popular video application programs. With the features of higher bandwidth requirement and delay-sensitivity of mobile video application programs, seamless handover for mobile video application between different RATs with a guaranteed QoS (quality of service) is one of the challenges. In order to accelerate the seamless video streaming over heterogeneous networks, a mobile-initialed network-controlled handover scheme is proposed through implementing IEEE 802.21 specified MIIS (Media Independent Information Service) server. Simulation results show that the proposed scheme could improve the performance in terms of packet-loss rate, delay and PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio).

IEEE 802.21; MIIS; video streaming; heterogeneous networks

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.014

2014-12-25；

2015-03-28 Received date:2014-12-25；Revised date：2015-03-28

TN91

A

1002-0802(2015)05-0579-03

陶 靜(1994—)，女，學(xué)士，主要研究方向?yàn)槎嗝襟w通信、下一代移動(dòng)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等；

許藝瀚(1985—)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槎嗝襟w通信、確定性優(yōu)化算法、下一代移動(dòng)通信技術(shù)等。