無線鏈路保障QoS垂直映射技術(shù)

唐日照 ，房曙光

1.吉林大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130012

2.無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 無錫 214153

3.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，南京 210003

4.無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院，江蘇 無錫 214153

1 背景及研究動機(jī)

無線信道所具有的可靠性低和容量可變特點(diǎn)使得無線網(wǎng)絡(luò)通信QoS保障成為一個極具挑戰(zhàn)性的問題。而在現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)中QoS保障是一個重要的指標(biāo)，第三代和第四代無線網(wǎng)絡(luò)都需要網(wǎng)絡(luò)支持多種QoS需求和業(yè)務(wù)流特性[1-2]。在網(wǎng)絡(luò)QoS性能保障中，協(xié)議棧每一層承擔(dān)不同角色并與其相鄰協(xié)議棧相互作用，這種交互作用可以分為兩種不同的操作：一種稱為水平QoS映射；一種稱為垂直QoS映射[3]。本文僅討論垂直QoS映射問題，該技術(shù)是指網(wǎng)絡(luò)QoS性能依賴于網(wǎng)絡(luò)中每一協(xié)議層所能提供QoS性能并且基于相鄰協(xié)議層相互作用。如網(wǎng)絡(luò)層有效QoS保障需要數(shù)據(jù)鏈路層能夠確保對網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)，否則網(wǎng)絡(luò)層QoS保障機(jī)制將是無效的，即網(wǎng)絡(luò)QoS需求業(yè)務(wù)流在協(xié)議棧中垂直流動并且必須能夠被所有協(xié)議層接受、理解和滿足。而在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，不同協(xié)議層QoS需求分別以不同參數(shù)集所表征，并且不易被相互理解，如體驗(yàn)質(zhì)量為客戶角度所理解的服務(wù)質(zhì)量，以客戶主觀滿意程度的表征量參數(shù)集作為判斷標(biāo)準(zhǔn)[4]。應(yīng)用層質(zhì)量是以應(yīng)用層參數(shù)集表征的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量；網(wǎng)絡(luò)層質(zhì)量是以網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)集表征的服務(wù)質(zhì)量，大部分是IP依賴參數(shù)；數(shù)據(jù)鏈路層質(zhì)量是以數(shù)據(jù)鏈路層參數(shù)集所表征的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，主要描述信道的隊(duì)列特性；物理層質(zhì)量是以物理層參數(shù)集所表征的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，如比特差錯率等。這就要求采用某種機(jī)制以實(shí)現(xiàn)相鄰協(xié)議層次QoS指標(biāo)參數(shù)集的相互理解和接受。

無線網(wǎng)絡(luò)通信中信道性能對網(wǎng)絡(luò)QoS保障是十分關(guān)鍵的[5]，上層（如網(wǎng)絡(luò)層）產(chǎn)生的具有QoS要求數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)到物理接口并通過該物理接口沿著能夠?yàn)樯蠈犹峁┢谕鸔oS水平的信道傳輸信息，網(wǎng)絡(luò)上層QoS性能的保障最終將依賴于信道的可靠性和有效性。在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧中關(guān)于信道的功能層是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。近年來涌現(xiàn)了大量物理層革新技術(shù)以克服無線衰落信道影響并實(shí)現(xiàn)對異質(zhì)移動用戶QoS需求多樣性的支持[6]，如多重編碼調(diào)制技術(shù)（Multiple Coding and Modulation Schemes）、高級天線技術(shù)、多輸入多輸出技術(shù)（Multiple Input Multiple Output，MIMO）、正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing technologies，OFDM）以及超寬帶（UWB）技術(shù)等。這些技術(shù)可以集成于同一設(shè)備實(shí)現(xiàn)，如對于一個Wi-Media UWB設(shè)備，UWB基于MB-OFDM技術(shù)，多速率技術(shù)是通過多重編碼和調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)，鏈路吞吐量通過MIMO技術(shù)獲得提高等[7]。物理層先進(jìn)技術(shù)的采用使得鏈路延遲、吞吐量以及丟包率等性能獲得很大提高，然而物理層本身無法適應(yīng)性調(diào)整其相關(guān)技術(shù)以提高鏈路延遲、吞吐量以及丟包率等性能[8]，實(shí)際上這些性能指標(biāo)是表征數(shù)據(jù)鏈路層QoS性能的參數(shù)，直接自物理層模型對其刻畫是十分困難的。物理層模型提供了對物理層QoS指標(biāo)參數(shù)的快速估計(jì)方法，如自物理層模型可得到數(shù)據(jù)傳輸速率，比特差錯率BER（Bit Error Rate）與信噪比SNR（Signal-Noise Rate）的關(guān)系等；鏈路延遲、吞吐量以及丟包率等性能指標(biāo)是數(shù)據(jù)鏈路層QoS性能參數(shù)，涉及隊(duì)列分析相關(guān)技術(shù)，自數(shù)據(jù)鏈路層角度所刻畫的表征隊(duì)列特性的信道模型才能夠?qū)@些指標(biāo)予以刻畫。這就需要研究物理層和數(shù)據(jù)鏈路層QoS指標(biāo)集的映射技術(shù)以實(shí)現(xiàn)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層交互從而為網(wǎng)絡(luò)提供可靠有效通信鏈路。由于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的相鄰，無線網(wǎng)絡(luò)MAC層較低部分和物理層基帶往往集成于同一網(wǎng)卡設(shè)備甚至同一集成芯片，為該兩層技術(shù)實(shí)時交互提供了便利和技術(shù)上的可行性[9]。基于以上分析，本文提出了一個物理層和數(shù)據(jù)鏈路層QoS指標(biāo)垂直映射結(jié)構(gòu)，并采用等效容量的數(shù)據(jù)鏈路層模型實(shí)現(xiàn)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層QoS指標(biāo)參數(shù)映射，通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了其有效性。

2 映射模型與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)鏈路層與物理層QoS垂直映射模型

通信鏈路的有效性和可靠性依賴于數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)和物理層技術(shù)。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層分別采用不同QoS性能指標(biāo)表征其QoS性能，數(shù)據(jù)鏈路層QoS指標(biāo)包括數(shù)據(jù)速率、最大延遲、延遲偏離概率、最大緩存尺寸、緩存溢出概率等，其依賴于數(shù)據(jù)鏈路層復(fù)雜的隊(duì)列行為[10]。物理層QoS性能指標(biāo)包含比特差錯率、數(shù)據(jù)速率等，依賴于物理層調(diào)制技術(shù)、帶寬、信噪比、多普勒頻率等【11】。物理層QoS指標(biāo)往往不能被數(shù)據(jù)鏈路層所直接理解，同樣數(shù)據(jù)鏈路層QoS指標(biāo)也不易能被物理層所理解。而物理層所采用技術(shù)對數(shù)據(jù)鏈路層QoS性能形成制約作用，數(shù)據(jù)鏈路層QoS保障需要物理層提供相應(yīng)的技術(shù)支持【12】。這就需要有效的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層QoS指標(biāo)映射機(jī)制，物理層QoS指標(biāo)通過該機(jī)制能夠映射為數(shù)據(jù)鏈路層QoS指標(biāo)。基于此，提出一種數(shù)據(jù)鏈路層與物理層QoS指標(biāo)垂直映射模型（如圖1所示），該模型包含三個基本構(gòu)成要素：協(xié)議層模型；協(xié)議層QoS指標(biāo)集；協(xié)議層參數(shù)集[13]。

圖1 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層QoS垂直映射模型圖

（1）協(xié)議層QoS指標(biāo)集：表征該協(xié)議層所能提供QoS性能，該指標(biāo)集與對應(yīng)協(xié)議層特征相聯(lián)系，不同協(xié)議層具有不同的QoS指標(biāo)集。如物理層QoS指標(biāo)集以符號差錯率、數(shù)據(jù)速率等表征；數(shù)據(jù)鏈路層QoS指標(biāo)集以數(shù)據(jù)速率、最大延遲、延遲偏離概率、最大緩存尺寸、緩存溢出概率表征。

（2）協(xié)議層模型：協(xié)議層模型為表征該協(xié)議層特征的數(shù)學(xué)模型。物理層信道模型一般表征信號波動特性，像瑞利信道模型、一維或多維馬爾科夫模型等，表征物理層角度所獲得信道特征；數(shù)據(jù)鏈路層模型表征鏈路連接的隊(duì)列特性，如等效容量模型，自數(shù)據(jù)鏈路層角度描述信道特征。

（3）協(xié)議層參數(shù)：此處的協(xié)議層參數(shù)是指自協(xié)議層模型所抽象出的能夠構(gòu)成層間映射的參數(shù)。該參數(shù)能通過相關(guān)技術(shù)映射到相鄰協(xié)議層參數(shù)，QoS垂直映射通過它實(shí)現(xiàn)。

2.2 基于等效容量模型的QoS垂直映射技術(shù)

基于圖1所示QoS垂直映射模型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層QoS垂直映射，需要對協(xié)議層QoS指標(biāo)集、協(xié)議層模型以及協(xié)議層參數(shù)予以定義。物理層信道模型通常直接描述無線信號增益波動性特征，采用低信噪比狀態(tài)下瑞利平坦衰減信道模型，它提供了物理層QoS參數(shù)集估計(jì)方法，如符號差錯率與信噪比關(guān)系等[14-15]。數(shù)據(jù)鏈路層模型體現(xiàn)連接的隊(duì)列特性，采用文獻(xiàn)[3]提出的無線信道數(shù)據(jù)鏈路層等效容量（EC，Effective Capacity）模型，該模型能夠有效獲得數(shù)據(jù)鏈路層QoS性能。

2.2.1 模型中數(shù)據(jù)鏈路層定義

實(shí)際上該假設(shè)是有效的，例如，對于統(tǒng)計(jì)馬爾可夫過程，則r(t)的等效容量定義為：

其所表征的物理含義為自數(shù)據(jù)鏈路層角度，信道以偏離概率ε支持?jǐn)?shù)據(jù)速率α(c)(u)。在等效容量α(c)(u)獲得后，可獲得以概率保障的數(shù)據(jù)鏈路層QoS指標(biāo)。

假定數(shù)據(jù)鏈路層最大緩存尺寸為Qmax，對數(shù)據(jù)流的最大延遲限制為Dmax，則由恒定數(shù)據(jù)速率μ數(shù)據(jù)源所產(chǎn)生業(yè)務(wù)流送入該數(shù)據(jù)鏈路層后，由該數(shù)據(jù)鏈路層所產(chǎn)生的延遲偏離概率可表征為公式（3）：

由該數(shù)據(jù)鏈路層所產(chǎn)生的隊(duì)列長度Q超過Qmax的概率，即緩存溢出概率可表征為公式（4）：

對于給定的源數(shù)據(jù)速率μ，式（3）、（4）中的γ(c)(μ)=Pr{Q(t)≥0}，表征了在隨機(jī)選擇的時刻t數(shù)據(jù)鏈路層緩存非空概率；而θ(c)(μ)=μα-1(μ)，此處的α-1(μ)是α(c)(u)的反函數(shù)，稱之為鏈路的QoS指數(shù)。這樣函數(shù)對{γ(c)(r),θ(c)(r)}構(gòu)建了數(shù)據(jù)鏈路層模型，它們表征了鏈路層所具有的隊(duì)列行為特性。

根據(jù)以上分析，圖1所示QoS垂直映射結(jié)構(gòu)鏈路層信道模型定義為等效容量模型EC：{γ(c)(r)，θ(c)(r)}，數(shù)據(jù)鏈路層參數(shù)集定義為信道等效容量{α(c)(u)}，數(shù)據(jù)鏈路層QoS指標(biāo)集以概率形式表征，包含數(shù)據(jù)速率R，最大延遲Dmax，延遲偏離概率εD，最大緩存Qmax，緩存溢出概率εQ，即為{R，Dmax，εD，Qmax，εQ}。在以上定義基礎(chǔ)上，根據(jù)式（3）、（4），獲得QoS指標(biāo)的延遲背離概率εD以及緩存溢出概率εQ分別為：

數(shù)據(jù)速率R即為信道等效容量，由數(shù)據(jù)鏈路層模型和數(shù)據(jù)鏈路層參數(shù)集中參數(shù)獲得，即以概率滿足以下速率：

2.2.2 模型中物理層定義

物理層模型采用低信噪比狀態(tài)下瑞利衰減平坦信道模型，該模型可通過AR（p）模型仿真獲得[10]。根據(jù)該模型可獲得物理層QoS性能參數(shù)如BER與SNR關(guān)系，信號傳輸速率則可通過香農(nóng)定理獲得。根據(jù)圖1模型結(jié)構(gòu)要求，物理層參數(shù)需能夠與數(shù)據(jù)鏈路層參數(shù)形成映射，而在數(shù)據(jù)鏈路層中定義其參數(shù)為等效容量與連接QoS指數(shù)關(guān)系式α(c)(u)。在此定義物理層參數(shù)為功率譜密度PSD（Power Spectral Density）。文獻(xiàn)[9]提供了在低信噪比瑞利平坦衰減信道通過功率譜密度估計(jì)獲得α(c)(u)與QoS指數(shù)u關(guān)系的方法：

通過該方法可實(shí)現(xiàn)物理層參數(shù)與數(shù)據(jù)鏈路層參數(shù)的映射關(guān)系，該算法包含以下步驟：

（1）在時間間隔為δ，持續(xù)時間[0，t]內(nèi)獲得Nf個信道增益測量值，將其表示為X=[x(0)，x(1)，…，x(Nf-1)]T，此處x(n)(n=0，1，…，Nf-1)代表復(fù)值信道增益。

（2）在給定信道增益測量值 X情況下，通過如周期圖法、Burg最大熵法【9-11】等估計(jì)方法可獲得功率譜密度{)，i=1，2，…，Nf}。

（3）以式（12）估計(jì)信道容量α(c)(u)。

這樣圖1所示QoS垂直映射模型中，物理層部分QoS指標(biāo)包含符號差錯率、數(shù)據(jù)速率等；物理層模型采用瑞利平衰減信道模型；物理層參數(shù)集為信道功率譜密度S(fi)。

3 仿真環(huán)境與結(jié)果

對圖2所示離散時間隊(duì)列系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證圖1所示QoS垂直映射模型有效性。

圖2 用于仿真的隊(duì)列模型圖

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)源（Data Source）以數(shù)據(jù)速率Rn產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包首先送入發(fā)送器（Transmitter）隊(duì)列予以緩存，所支持最大隊(duì)列長度為Qmax，實(shí)時隊(duì)列長度Qn代表時刻n時隊(duì)列長度，當(dāng)Qn＞Qmax時，所收到的數(shù)據(jù)將被丟棄；隊(duì)列中緩存數(shù)據(jù)包以數(shù)據(jù)速率rn在瑞利平坦衰減信道（Fading Channel）中傳輸，由接收器（Receiver）接收。

仿真中設(shè)定數(shù)據(jù)包尺寸極其微小，可予以忽略，同時物理層采用QPSK調(diào)制技術(shù)，瑞利平衰減信道樣本點(diǎn)x[n]使用一階自回歸AR（1）模型產(chǎn)生：

其中，w[n]是具有不相關(guān)實(shí)部和虛部的復(fù)高斯白噪聲過程，k表示濾波器系數(shù)[10]。假定發(fā)送器在每一采樣間隔能夠準(zhǔn)確獲得信道信噪比SNR，則可獲得數(shù)據(jù)速率rn：

此處Bc表示信道帶寬，SNRavg為平均信噪比，即E|xn|2。仿真參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 仿真參數(shù)設(shè)定

在仿真環(huán)境中，取樣間隔設(shè)置為1 ms。該假設(shè)是合理的，實(shí)際的3G WCDMA數(shù)據(jù)采樣數(shù)量級為10 ms，增強(qiáng)HSPA系統(tǒng)，采樣數(shù)量級為2 ms[9]。每次仿真運(yùn)行1 000 s，由于信道采樣速率為1 000樣本/s，則對每次仿真可獲得1 000 000個瑞利平坦衰落樣本。

圖3、圖4和圖5顯示了當(dāng)多普勒頻率不同時，物理層QoS參數(shù)比特差錯率與數(shù)據(jù)鏈路層QoS參數(shù)最大延遲偏離概率的對應(yīng)關(guān)系。從圖3、圖4和圖5曲線可得出以下三點(diǎn)結(jié)論：

（1）物理層QoS參數(shù)誤比特率BER隨著物理層信噪比SNR增大而下降。這是由于隨著信噪比增大，信道正確傳輸數(shù)據(jù)概率增加，從而減少了數(shù)據(jù)傳輸錯誤的概率。

圖3 延遲偏離概率與比特差錯率映射關(guān)系(fm=5 Hz)

圖4 延遲偏離概率與比特差錯率映射關(guān)系(fm=10 Hz)

圖5 延遲偏離概率與比特差錯率映射關(guān)系(fm=15 Hz)

（2）對于固定的數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)速率R，隨著物理層信噪比增大和誤比特率減小，數(shù)據(jù)鏈路層最大延遲偏離概率呈現(xiàn)下降趨勢。根據(jù)香農(nóng)定理，對于固定信道帶寬，隨著信噪比增大，信道傳輸速率會增大，從而使得數(shù)據(jù)鏈路層延遲偏離概率減小。

（3）在相同多普勒頻率、信道信噪比情況下，隨著數(shù)據(jù)鏈路層速率R增大，延遲偏離概率會呈現(xiàn)增大趨勢。在相同多普勒頻率和信道信噪比情況下，物理層傳輸速率固定，而此時增大數(shù)據(jù)鏈路層速率R會導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)丟包率增加，由于數(shù)據(jù)恢復(fù)機(jī)制的作用，使得正確傳輸數(shù)據(jù)延時增大，從而使延遲偏離概率呈現(xiàn)增大趨勢。

針對QoS垂直映射技術(shù)的研究是近年的熱點(diǎn)問題。典型的如文獻(xiàn)[4]基于協(xié)議層的技術(shù)依賴層和非技術(shù)依賴層劃分，采用隊(duì)列和仿真技術(shù)對QoS垂直映射進(jìn)行研究，但未對無線鏈路中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層QoS指標(biāo)映射技術(shù)做研究；文獻(xiàn)[7]通過對物理層和數(shù)據(jù)鏈路層所采用具體技術(shù)的分析獲得物理層與數(shù)據(jù)鏈路層QoS指標(biāo)映射關(guān)系，但文獻(xiàn)所提供方法是對數(shù)據(jù)鏈路層時延的具體求解，其求解只能通過仿真方法獲得。而本文研究無線網(wǎng)絡(luò)依賴層中物理層與數(shù)據(jù)鏈路層QoS映射技術(shù)以對網(wǎng)絡(luò)上層提供可靠有效信道，物理層與數(shù)據(jù)鏈路層映射基于等效容量技術(shù)給出了具體的數(shù)值算法，可通過簡潔的數(shù)值計(jì)算獲得物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的QoS指標(biāo)映射。但是，由于本文模型對數(shù)據(jù)鏈路層QoS指標(biāo)時延的分析是以最大延遲偏離概率為分析指標(biāo)的，而文獻(xiàn)[7]中是以具體的延遲時間為分析指標(biāo)，故無法在仿真結(jié)果中予以具體對比。

4 結(jié)論

可靠有效鏈路技術(shù)是無線網(wǎng)絡(luò)QoS保障關(guān)鍵技術(shù)之一，與鏈路保障相關(guān)的協(xié)議層是數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。為實(shí)現(xiàn)有效鏈路保障，提出一種物理層QoS指標(biāo)與數(shù)據(jù)鏈路層QoS指標(biāo)垂直映射模型，在該模型中以物理層功率譜密度和數(shù)據(jù)鏈路層等效容量形成映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)物理層QoS指標(biāo)與數(shù)據(jù)鏈路層QoS指標(biāo)映射，本文通過仿真驗(yàn)證了該映射結(jié)構(gòu)的有效性。

本文模型可用于通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路層QoS保障分析，為數(shù)據(jù)鏈路層QoS保障分析提供了一種數(shù)值分析方法。由于該方面研究比較少，因此本文缺乏與相應(yīng)模型仿真結(jié)果的對比，分析其優(yōu)越性；同時，在該模型基礎(chǔ)上如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層QoS保障分析的研究，將是下一步主要工作內(nèi)容之一。

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