無(wú)線多媒體網(wǎng)絡(luò)的QoS傳輸控制模型仿真

蔣雪峰，齊瑞紅

(1. 北京聯(lián)合大學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)中心，北京 100101 2. 北京聯(lián)合大學(xué)，北京 100101)

1 引言

面向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的多媒體技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)綜合處理聲音、動(dòng)畫、圖像、數(shù)據(jù)以及文字等信息，令使用者能夠根據(jù)自身的器官和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。它具有方便性、互動(dòng)性、實(shí)時(shí)性、控制性、集成性；方便性，可根據(jù)用戶自身認(rèn)知、喜好、要求、興趣等應(yīng)用信息，任意獲取聲、文、圖等表現(xiàn)形式信息；互動(dòng)性，可以實(shí)現(xiàn)人和機(jī)器、人和人以及機(jī)器的互動(dòng)，使其存在身臨其境的操作環(huán)境場(chǎng)景。根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)控制，這是因?yàn)槿藱C(jī)互相交流是多媒體的最大優(yōu)點(diǎn)；實(shí)時(shí)性，在用戶發(fā)出操作指令時(shí)，對(duì)應(yīng)的多媒體信息可以獲得實(shí)時(shí)控制；非線性，該項(xiàng)技術(shù)改變了傳統(tǒng)讀寫模式。傳統(tǒng)的媒體僅可以被動(dòng)、單向傳播信息，多媒體則能夠令人主動(dòng)控制以及選擇；控制性，該項(xiàng)技術(shù)主要是以計(jì)算機(jī)作為中心，通過(guò)綜合控制以及處理多媒體信息，且按照使用需求通過(guò)多媒體的形式表現(xiàn)出來(lái)，與人體器官交互；集成性，可以利用多通道合成、組織、存儲(chǔ)以及獲取信息。因其具有上述特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

而隨著設(shè)備不斷地升級(jí)，各種移動(dòng)設(shè)備逐漸成為未來(lái)社會(huì)科技的發(fā)展方向，采用移動(dòng)終端來(lái)獲取多媒體資源的人數(shù)越來(lái)越多，導(dǎo)致無(wú)線網(wǎng)絡(luò)受到巨大壓力。對(duì)此，在進(jìn)行多媒體傳輸時(shí)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)、傳輸速率等問(wèn)題，致使實(shí)際傳輸過(guò)程中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包，甚至無(wú)法傳輸?shù)那闆r發(fā)生，為此提出面向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多媒體傳輸?shù)腝oS控制模型方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M可以看出，吞吐量的分布較為規(guī)律，丟包問(wèn)題在可接受的范圍之內(nèi)，同時(shí)與有線和實(shí)際應(yīng)用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多媒體傳輸對(duì)比，所提方法要比實(shí)際應(yīng)用的傳輸速率快，雖然還是不如有線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快，不過(guò)十分接近。

2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的多媒體傳輸資源分析

2.1 Lyapunov優(yōu)化時(shí)隙序列

先利用Lyapunov漂移把時(shí)間均值優(yōu)化進(jìn)行轉(zhuǎn)化，變成最小化方式，再對(duì)其實(shí)施分解，變成相應(yīng)的無(wú)線資源分配以及多媒體層數(shù)選擇，隨后求解從而獲得傳輸路徑的調(diào)度。

在Lyapunov內(nèi)，一般把存在時(shí)間平均約束的條件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而變成隊(duì)列穩(wěn)定性的問(wèn)題，然后再將原問(wèn)題進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成瞬時(shí)優(yōu)化的問(wèn)題。這樣就可以通過(guò)構(gòu)建的虛擬隊(duì)列

H

(

t

)把時(shí)間的平均約束轉(zhuǎn)變成隊(duì)列的穩(wěn)定性約束，具體

H

(

t

)的公式為

H

(

t

+1)=[

H

(

t

)+

r

(

t

)-

c

(

t

)]

(1)

式中：

r

代表平均時(shí)間多媒體的觀看速度，

c

代表平均時(shí)間多媒體的傳輸速度，如果虛擬列隊(duì)為穩(wěn)定的平均速率，那么在

t

時(shí)隙下的具體公式為

(2)

式中：

E

代表系統(tǒng)的平均效用。

通過(guò)虛擬列隊(duì)能夠看出，如果多媒體的應(yīng)用比特率比其傳輸?shù)乃俾蚀?，這時(shí)虛擬列隊(duì)會(huì)增加，相反，則會(huì)降低，具體Lyapunov函數(shù)公式為

(3)

Δ(

t

)=

E

[

L

(

t

+

T

)-

L

(

t

)|

H

(

t

)]

(4)

2.2 多媒體虛擬隊(duì)列選取

多媒體層數(shù)最佳的選擇能夠最大化優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對(duì)于多媒體傳輸模型，其中，用戶之間是互相獨(dú)立的，所以，

t

=

kT

(

k

=0，1，2，…)時(shí)隙時(shí)，用戶

u

最佳多媒體層數(shù)的決策解的具體公式為

(5)

l

(

t

)∈{1，2，…，

L

}，

u

∈

U

(6)

虛擬隊(duì)列的長(zhǎng)度能夠作為多媒體比特率的權(quán)重，在長(zhǎng)度比較小時(shí)，那么比特率的權(quán)重相對(duì)較低，這時(shí)要增加多媒體的層數(shù)，以此對(duì)用戶的體驗(yàn)質(zhì)量

q

(

t

)進(jìn)行提升，保證式(5)可以獲得最小值，反之，在虛擬列隊(duì)比較大時(shí)，要用更多的代價(jià)來(lái)提高多媒體層數(shù)，這時(shí)就能夠以減少多媒體層數(shù)的方法，確保式(5)可以獲得最低值，以常數(shù)值

V

作為用戶質(zhì)量

q

(

t

)的體驗(yàn)權(quán)重，主要目的是系統(tǒng)平衡效應(yīng)以及穩(wěn)定隊(duì)列，其中，較大的

V

能夠有助于算法獲得偏向系統(tǒng)提升效應(yīng)的策略，而較小的

V

能夠幫助算法得到穩(wěn)定性隊(duì)列。

2.3 無(wú)線資源分配

對(duì)最大優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，求出最佳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源分配策略，將

t

∈[

kT

，(

k

+1)

T

-1]，

k

=0，1，2，…，代入最大優(yōu)化問(wèn)題，可以獲得公式為

(7)

a

，(

t

)∈[0，1]，?

t

∈[

kT

，(

k

+1)

T

-1]

(8)

(9)

式中：

G

，代表簡(jiǎn)化公式引入，具體公式為

(10)

在利用小基站

s

決策時(shí)，能夠輕松獲取

H

(

kT

)，

G

，(

t

)能夠采用上一個(gè)時(shí)隙用戶的

CQI

反饋獲得，所以，式(8)、(9)、(10)的優(yōu)化問(wèn)題是經(jīng)典離散的線性規(guī)劃問(wèn)題，另外，參數(shù)

H

(

kT

)以及

G

，(

t

)所有小基站都能夠獨(dú)立獲得，且小基站間決策也可以互相獨(dú)立，所以，每一個(gè)小基站能夠通過(guò)目前得到的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立決策最佳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源，具體公式為

(11)

相對(duì)小基站

s

來(lái)說(shuō)，式(11)非常容易求解，只需要把全部無(wú)線資源分配至

H

(

kT

)

G

，(

t

)比較大用戶就行，以此能夠完成整體系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源最佳分配。不過(guò)，小基站每一個(gè)時(shí)隙均能夠決策無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源的分配情況，因此，使用戶和小基站間無(wú)線連接發(fā)生不斷地變化。

2.4 多媒體傳輸路徑

通過(guò)Lyapunov方法，可以確保

H

(

t

)的平均穩(wěn)定速率，以此能夠在小基站內(nèi)緩存多媒體的長(zhǎng)度，并不會(huì)占據(jù)較大的存儲(chǔ)空間。

(12)

規(guī)劃多媒體流路徑時(shí)，其中，單個(gè)多媒體流傳輸?shù)倪^(guò)程內(nèi)，僅利用一條路徑轉(zhuǎn)發(fā)，這是由于多路徑的轉(zhuǎn)發(fā)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包亂序到達(dá)，以此生成額外解碼開銷。另外，基層數(shù)據(jù)也十分重要，在增強(qiáng)層解碼的同時(shí)，會(huì)依賴于基層以及更低的增強(qiáng)層數(shù)據(jù)，所以，規(guī)劃路徑時(shí)，是為比較低的多媒體層設(shè)定更高優(yōu)先級(jí)。因此，在進(jìn)行多媒體傳輸?shù)穆窂秸{(diào)度時(shí)，要先利用式(12)計(jì)算出所有多媒體需要的無(wú)線帶寬，接著，通過(guò)所有多媒體流優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線帶寬的分配。

3 QoS控制模型構(gòu)建

由于傳輸前需要計(jì)算出全部的多媒體流層，這就導(dǎo)致所需要計(jì)算的量特別大，并且很難實(shí)現(xiàn)，所以通過(guò)引入QoS(Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量)自適應(yīng)控制模型，改善這一問(wèn)題，主要是因?yàn)樵摽刂颇Ｐ?，擁有較好的傳輸性能以及策略性能的參數(shù)體系，且和具體的自適應(yīng)算法聯(lián)系緊密。

該控制模型主要由4部分構(gòu)成，它們分別為：控制回路、常規(guī)的反饋控制器、被控對(duì)象以及參考模型。它們之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，具體如圖1所示。

圖1 參考模型的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)觀察圖1能夠看出，輸出響應(yīng)

y

(

t

)代表模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。參考輸入

r

(

t

)添加至系統(tǒng)以及模型的入口，系統(tǒng)輸出響應(yīng)

y

(

t

)和模型輸出響應(yīng)

y

(

t

)會(huì)生成偏差信號(hào)

e

(

t

)。當(dāng)偏差信號(hào)

e

(

t

)進(jìn)入調(diào)整回路內(nèi)，通過(guò)規(guī)則對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而直接改變控制器的參數(shù)或者生成等效附加控制作用，此時(shí)，需要保證

y

(

t

)=

y

(

t

)。在偏差信號(hào)

e

(

t

)=0時(shí)，調(diào)整的過(guò)程就會(huì)停止，而控制器的參數(shù)也將自動(dòng)整定結(jié)束，而外界一旦給予擾動(dòng)，那么系統(tǒng)的輸出就會(huì)偏離標(biāo)準(zhǔn)的輸出，這樣系統(tǒng)就將重新進(jìn)入調(diào)整過(guò)程。將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多媒體傳輸?shù)目刂朴成渲磷赃m應(yīng)

QoS

模型中，具體如圖2所示。

圖2 QoS控制模型結(jié)構(gòu)

在QoS控制模型中系統(tǒng)會(huì)發(fā)送連續(xù)媒體，將其作為輸入，在接收方接收到媒體后，將其作為輸出，而模型狀態(tài)能夠采用系統(tǒng)資源對(duì)其進(jìn)行表述。

用戶的QoS需求模塊可以通過(guò)參考模型獲得，就是在給定媒體流后，希望得到多媒體服務(wù)輸出。系統(tǒng)內(nèi)的被控對(duì)象模塊與傳輸質(zhì)量的好壞、路由器的緩沖、帶寬情況存在密切關(guān)系。系統(tǒng)控制器能夠控制被控對(duì)象，從而獲得理想的結(jié)果。系統(tǒng)自適應(yīng)規(guī)則，能夠利用期望的質(zhì)量以及輸出質(zhì)量之間的誤差，調(diào)整控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)整體網(wǎng)絡(luò)的最大化傳輸，維持系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行。

在系統(tǒng)處于單一的情況，多媒體的傳輸控制，能夠使系統(tǒng)輸出滿足用戶所設(shè)定的QoS要求，而處于比較復(fù)雜狀況時(shí)，很多應(yīng)用都會(huì)擁有各種要求，對(duì)共享資源進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)于系統(tǒng)的參數(shù)輸出情況，是用戶QoS所要求的向量組，在向量組內(nèi)，所有的向量元素都與QoS的要求相對(duì)應(yīng)。即輸出以及輸入也是以向量組進(jìn)行對(duì)應(yīng)的，那么這時(shí)的自適應(yīng)控制需求，會(huì)整合所有系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的資源，從而對(duì)其進(jìn)行分配，滿足QoS需求，使資源的利用率達(dá)到最佳效果。

4 實(shí)驗(yàn)證明

4.1 實(shí)驗(yàn)一

為了驗(yàn)證本文構(gòu)建的QoS控制是否能夠有效模擬無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多媒體傳輸應(yīng)用，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)置樣本數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)為1000條，時(shí)間設(shè)置為100分鐘，中間間隔為20秒。在使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)多媒體進(jìn)行傳輸時(shí)，其中絕大部分是利用有線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，僅最后的一跳是采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖像

通過(guò)觀察圖3能夠看出：R至發(fā)送節(jié)點(diǎn)的位置是有線鏈路，它的帶寬均是20Mbit/s，延時(shí)時(shí)間為1ms，全部流會(huì)共享R至R有線的瓶頸鏈路，而鏈路的延時(shí)以及帶寬是通過(guò)發(fā)送端數(shù)據(jù)數(shù)量所確認(rèn)的。每一個(gè)接收點(diǎn)至R間全都是無(wú)線鏈路，設(shè)置帶寬是200kbit/s，8ms延時(shí)。

然后通過(guò)人為的方式對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)置外界進(jìn)行干擾，使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)波動(dòng)，然后采用本文的控制方法，對(duì)存在干擾的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，觀察其丟包率的情況，觀察處于干擾的情況下，傳輸過(guò)程中的吞吐率的變化情況，具體如圖4所示。

圖4 多媒體傳輸控制圖

通過(guò)觀察圖4能夠看出：①經(jīng)過(guò)外界干擾的吞吐量變化，分布規(guī)律出現(xiàn)嚴(yán)重的波動(dòng)，時(shí)而高、時(shí)而低，丟包率明顯，在接收端所接收到的信息，出現(xiàn)嚴(yán)重的丟失情況，而采用了本文的QoS控制方法以后，②雖然隨著時(shí)間變化不斷地抖動(dòng)，不過(guò)分布情況較為規(guī)律，而在接收端所接收到的數(shù)據(jù)，雖然同樣出現(xiàn)丟失的情況。不過(guò)該情況不足1%。

4.2 實(shí)驗(yàn)二

為了驗(yàn)證本文方法是否能夠有效地控制無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸情況，通過(guò)在計(jì)算機(jī)上對(duì)本文方法進(jìn)行模擬，同時(shí)將本文方法與有線網(wǎng)絡(luò)、實(shí)際的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多媒體傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，觀察三者的傳輸情況。實(shí)驗(yàn)環(huán)境與上述相同，不過(guò)為了能夠便于觀察，將樣本數(shù)據(jù)從1000條增加至100000條，時(shí)間設(shè)置仍然為100分鐘，目的是得出傳輸速率快慢情況，具體對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 多媒體傳輸速率對(duì)比

通過(guò)觀察圖5能夠看出：有線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率最快，這是因?yàn)橛芯€網(wǎng)絡(luò)采用的是光信號(hào)在光纖中傳播，受到的外界干擾小，因此傳輸?shù)乃俣瓤臁?shí)際中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，采用的無(wú)線電波作為信號(hào)傳輸媒介，容易受到周圍的大氣、磁場(chǎng)等影響，所以傳輸效果最差。而本文的控制方法通過(guò)引入QoS控制方法，不僅能夠提升抗干擾，還能夠有效提升傳輸速率，使其盡可能地接近有線傳輸速率。雖然不如有線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快，但是十分接近。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的面向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多媒體傳輸?shù)腝oS控制模型，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整控制參數(shù)，令多媒體傳輸滿足用戶所設(shè)定QoS要求，從而使其利用率達(dá)到最大化。不過(guò)由于科技每天都在更新，所以未來(lái)本文要進(jìn)一步提升實(shí)時(shí)運(yùn)算速度，以此保證多媒體傳輸?shù)男矢影踩?、可靠?/p>