（通信与信息系统专业论文）基于毫米波传输的光纤无线融合系统qoe评估方法研究.pdf

摘要 摘要 近年来，光纤无线融合技术的进步推动了i p t v 、v o i p 、视频会议等宽带无 线通信业务的迅猛发展。随着各种多媒体业务的普及，无线通信频谱资源利用 的问题日益严重。针对这个问题，国内外许多研究机构进行了一定的研究，均 取得了一定的研究成果，比较有代表性的就是将载波频率向高频毫米波( 如3 0 3 0 0 g h z ) 扩展。 如何从用户的角度对正在研究的融合网络业务承载能力进行准确、有效的 评价，受到业界越来越多的关注。一直以来，人们习惯于用服务质量( q o s ， q u a l i t yo f s e r v i c e ) 来衡量网络的业务承载能力，但是q o s 代表的是网络性能质 量，并不能反映用户的体验质量( q o e ，q u a l i t yo f e x p e f i e n c e ) 。目前，对q o e 的研究还不成熟，虽然对于单一业务的q o e 评估有了一定的研究进展，但是， 这对于传输并发混合多业务的融合网络来说是远远不够的。因此，有必要对混 合多业务q o e 评估方法进行深入研究。 本文首先介绍了毫米波产生方法以及光纤无线融合网络架构现状，提出基 于毫米波传输的新型网络融合架构，并针对毫米波传输的光纤无线融合系统业 务质量评估方法进行了分析。其次，总结了网络性能质量的评估参数，介绍了 q o s 、q o e 的各种指标，阐述了现有的语音、视频质量评估方法。然后，介绍 了融合网络的典型业务( v o i p 、i p t v 、h 1 v r p 以及f t p 业务) 的业务流程及其 敏感的指标。接着在单一业务基础之上，探索传输并发混合多业务的融合网络 q o e 评估方法，建立并发混合多业务q o e 与q o s 损伤之间的数学模型，阐述 具体的评估算法。最后，利用相关测试设备和软件获取相关参数，搭建实验平 台对所提的混合多业务q o e 评估方法进行验证。实验结果表明，改进公式计算 得到的q o e 与实际测试得到的结果基本吻合。该方法从用户体验的角度可以准 确、实时的监测网络性能质量，可为运营商和研究机构网络性能评估提供一种 参考方案。 关键词：融合网络；服务质量；体验质量；多业务；评估方法。 a b s t r a c t r e c e n t l y , 谢t l lt h et e c h n o l o g yo fo p t i c a la n dw i r e l e s sc o n v e r g e n c ei m p r o v e d ， b r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt r a f f i c s ，s u c ha sm t vv o l pa n dv i d e o c o n f e r e n c e ，h a v ear a p i dp r o g r e s s a sk i n d so fm u l t i m e d i as e r v i c e sp o p u l a r i z e dt h e p r o b l e mo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns p e c t r a lr e s o u r c e sb e c o m em o r ea n dm o r e s e r i o u s t ot h i sq u e s t i o n ，m a n yo r g a n i z a t i o n sh a v ea l r e a d ym a d es o m ea c h i e v e m e n t s ， s u c ha sm o v i n gt h ec a r r i e rf r e q u e n c yt oh i g hf r e q u e n c ym i l l i m e t e r - w a v e s ( e g 3 0 3 0 0 g h z ) h o wt oe x a c t l ya n de f f e c t i v e l ya s s e s st h er e s e a r c h i n gc o n v e r g e n c en e t w o r k s b u s i n e s sc a r r y i n gc a p a c i t yf r o mu s e rp e r s p e c t i v eb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r q o sh a sb e e na l w a y su s e dt om e a s u r et h eb u s i n e s sc a r r y i n gc a p a c i t y h o w e v e r , q o s i sr e p r e s e n t a t i v eo fn e t w o r kp e r f o r m a n c eq u a l i t y , w h i c hc o u l dn o ts t a n df o rt h e u s e r sq u a l i t yo fe x p e r i e n c e ( q o e ) c u r r e n t l y , t h er e s e a r c hf o rq o eh a sn o tb e e n m a t u r e c e r t a i np r o g r e s si nq o ef o rs i n g l es e r v i c eh a v eb e e nm a d e ，w h i c hi s i n s u f f i c i e n tf o rm u l t i - s e r v i c eq o em e a s u r e m e n t a sar e s u l t ，i ti sn e c e s s a r yt om a k e a ni n t e n s i v es t u d yo ft h em e t h o df o rm u l t i s e r v i c eq o em e a s u r e m e n t ，w h i c hi sa l s o t h er e s e a r c he m p h a s i so ft h i st h e s i s i nt h i st h e s i s ，m i l l i m e t e r - w a v eg e n e r a t i o nt e c h n o l o g i e sa n da r c h i t e c t u r e so f w i r e l e s so p t i c a lc o n v e r g e n c es t a t u sa r eg i v e nf i r s t an o v e ld e s i g no ft h ew i r e l e s s o p t i c a l n e t w o r ka r c h i t e c t u r e u s i n gm i l l i m e t e r - w a v et r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y i s p r o p o s e d f u r t h e r m o r e ，s e r v i c eq u a l i t y m e a s u r e m e n tf o rw i r e l e s s o p t i c a l c o n v e r g e n c en e t w o r kb a s e do nm i l l i m e t e r - w a v e si sa n a l y z e d t h e n ，k e yq o s ，q o e m e t r i c sa n dt h ee x i t i n gv i d e oq u a l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d sa l ed i s c u s s e d w h a ti sm o r e ， t h eb u s i n e s sp r o c e s sa n dk e ym e t r i c sf o rt h ec o n v e r g e n c en e t w o r k st y p i c a ls e r v i c e s s u c ha sv o l p , i p t v , h t t pa n df 他a r ea n a l y z e d o nt h eb a s i so fs i n g l es e r v i c e ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nq o ea n dq o sd i s t u r b a n c ef o r m u l t i s e r v i c ei sp r o p o s e d a tl a s t ，c e r t a i np a r a m e t e r sa r eo b t a i n e db yt e s te q u i p m e n t s a n dt h es o f t w a r e m e a n w h i l e ，s i m u l a t i o n sa r ec o n d u c t e dv e r i f i e dt h ep r o p o s e d m e t h o d sa c c u r a c y a c c u r a t er e a l t i m es e r v i c eq u a l i t yc o u l db eo b t a i n e db yt h e p r o p o s e dm e t h o d ，w h i c hm a y s e r v ef o rn e t w o r ko p e r a t o r sa n dr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n s i nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：c o n v e r g e n c en e t w o r k ；q o s ；q o e ；m u l t i s e r v i c e ；a s s e s sm e t h o d 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着无线通信技术的不断成熟，网络电视( i p t v ) 、视频点播( v o d ) 等数字 多媒体技术迅猛发展，同时对动态、基于口的业务，如远程医疗、视频监控以 及数据中心保护等需求也正日益增长，而所有这些业务都要求很高的服务质量， 但是当前的无线通信技术和网络显然无法满足用户同益增长的业务和速率需 求，高速的宽带接入技术的重要性越来越突出。众所周知，基于光纤的光网络 可以提供很高的带宽，但是直接将光纤接入每个家庭，不仅费用高，也很麻烦。 而无线接入有很强的移动性，用户也可以在接入范围内随意移动。所以，光纤 与无线系统的融合技术出现了，也就是光载无线通信( r a d i oo v e rf i b e r ，r o f ) 技术，它融合了光纤和无线两大通信技术的优点，可以实现吉比特业务的无线 传输，在未来的高速宽带无线通信网络中将发挥重要的作用。 但是无线接入需要占用无线频段，而无线通信频谱资源利用的问题越来越 突出，频谱需求和供应之间的矛盾也日益突出。考虑到3 0 - - 一3 0 0 g l - l z 的毫米波 可用带宽极宽、未被大量使用而且可以免授权使用。另外，毫米波信息容量大， 可以很大程度上克服多径传输所导致的干扰缺陷。利用毫米波传输的光纤无线 融合技术可以充分利用现有光纤的带宽高、损耗低等优势，同时又可以发挥无 线通信的灵活性。因此，基于毫米波传输的光纤无线融合系统可以为目前日益 增多的光纤宽带业务用户接入瓶颈提供低成本高可靠性的解决方案。 对于服务供应商而言，关注更多的是新系统的业务承载能力。如何衡量在 研系统的业务承载能力呢? 一直以来，人们习惯于用q o s 参数来衡量，例如带 宽、时延、丢包等单个的指标。但是，从现有的网络可以发现，高带宽并不代 表系统就可以提供高质量的服务。而且对于光纤无线融合网络而言，更适于传 输高速率、大宽带、实时、高清、双向视频无线宽带通信业务，抖动、时延等 许多网络损伤因素都会影响业务的性能，进而影响整个网络的业务性能质量。 然而，每种业务所敏感的指标是不同的，比如，对于语音业务，敏感的指标有 时延、抖动、丢包，而对于文件传输等数据类业务对吞吐量和时延比较敏感。 基于毫米波传输的光纤无线融合系统q o e 评估方法研究 所以，单一的q o s 指标无法准确全面的反应网络的业务承载能力。另一方面， 从用户角度来说，用户所关心的不是丢包数多少、时延多长，而是通话是否清 晰、图片是否出现马赛克、视频播放是否流畅。这种情形下，用户体验质量q o e 的评估方法应运而生。 用户体验好坏不仅影响业务的普及，也关系着运营商的市场竞争能力，更 是理论研究能否向实践应用成功转型的重要因素。另外，探索在研的融合网络 q o e 评估方法可以方便运营商实时、准确的监测网络性能，提高用户体验质量， 将理论研究应用于实践，实现新技术产业化。因此，研究光纤无线融合网络架 构，深入分析融合系统q o e 的评估方法，如何准确评估在研的基于毫米波传输 的光纤无线通信系统的业务性能，是对整个光纤无线融合系统乃至三网融合有 重大的现实意义和应用价值的课题。 因此，本文提出了基于毫米波传输的光纤无线融合系统业务质量评估算法。 主要介绍基于毫米波传输的光纤无线融合网络架构，以及融合网络传输的典型 业务，并针对适于融合网络所传输的混合多业务并发的视频业务的q o e 评估方 法进行探索。 1 2 融合网络发展现状 近年来，光纤无线融合问题已经成为国内外许多研究机构的热点研究内容 之一。 在网络融合架构方面，目前主要有三种光纤无线融合技术方案心l 。 一种是基于直放站的多体制共用无线室内覆盖方案，一种是拉远基站加宏 基站的方式，将基带拉远单元和无线拉远单元相结合，另一种是采用光载无线 多体制接入方式。 为了解决频谱需求和供应之间矛盾同益突出的问题，毫米波也成为众多机 构的研究热点之一。近年来，国内外研究毫米波的产生方案有许多，主要可以 分为三种，即直接调制技术、外调制技术和光外差技术。 直接调制方案是最简单的产生毫米波的方法，它利用半导体激光器或发光 二极管。不过，激光器和发光二极管受频率的限制，所以，一般只适用于低频 系统。 外调制技术产生毫米波有许多种实现方法，比如利用强度调制器、相位调 2 第一章绪论 制器，电吸收调制器等。 光外差技术有三类3 1 ，即光注入锁定法，光学锁相环法以及光注入锁相环 法。光注入锁相环结合了上述两种方法的优点，实现原理如图1 1 所示。 图1 1 光注入锁相环法 f i g 1 1o p t i c a li n j e c t i o nl o c k e d 从本质上来说，光纤链路中毫米波的产生和传输可通过三种光强度调制方 式实现，即双边带方案【4 】、单边带方案1 5 1 以及光载波抑制方案i 争7 1 。调节马赫曾 德尔调制器两臂射频信号的相位差和直流偏置电压就可以实现这三种不同的频 谱结构1 8 j 。 国际上，承载宽带混合多业务的光纤无线融合系统也越来越受到各研究机 构的重视。众多欧盟科研机构合作的g a n d a l f 计划，其主要目标就是“研究 多业务的光载无线通信系统，实现有线与无线融合网络的吉比特传输”。加拿大 r y e r s o n 大学从上个世纪就开始探索光载无线通信系统，研究光载无线通信的多 业务接入网络。在国内，光纤无线通信方面的研究得到了许多学校和科研机构 的重视。北京大学采用混频的方法产生了5 0 g h z 的毫米波，设计并实现了 q a m r o f 系统的仿真平台【9 1 们。上海交通大学对光载无线通信和无源光网络技 术相融合的多业务传输系统进行了研究，并取得了一定的研究成果，利用相关 技术产生并传输了基带信号、微波以及毫米波【l l 】。 1 3 网络性能q o e 评估方法现状 近年来，各国际性组织和研究机构对网络性能q o e 评估方法均有研究f 1 2 - 1 6 。 i t u te 8 6 1 提出了感知语音通话质量的p s q m ( p e r c e p t u a ls p e e c hq u a l i t y m e a s u r e ) 方法，英国电信提出了感知分析p a m s ( p e r c e p t u a la n a l y s i s 基于毫米波传输的光纤无线融合系统q o e 评估方法研究 m e a s u r e m e n ts y s t e m ) 、p e s q 以及e m o d e l 等方法。 i t u t 最初对i p t v 业务的q o e 做出了定义，i t u tt p 1 0 g 1 0 0 1 17 】定义q o e 为“终端用户对其使用的业务的总体主观感受和满意度”。其中，第1 2 研究组 成立了“多媒体q o s q o e 性能评估方法 的子课题。i t u t 目前正在研究参数 化模型评价视频质量，并已经发布了i t ug 1 0 7 0 模型i l8 j 如图1 2 所示。该模型 指出了五分制m o s 值体验质量的评估方法。 图1 2g 1 0 7 0 模型框图 f i g 1 2b l o c kd i a g r a m o fg 10 7 0m o d e l 3 g p pr 6 规范中在实时流媒体协议的一些扩展字段前添加了q o e 头字段来 确保q o e 参数的端到端协商【1 9 】。 a t i s 0 8 0 0 0 0 4 ( a l l i a n c ef o rt e l e c o m m u n i c a t i o n si n d u s t r ys o l u t i o n s ) 1 2 0 1 将 i p t vq o e 的影响因素进行了归类。将q o e 影响因素分为客观q o e 评估和主观 q o e 评估，客观q o e 对应于服务供应商相关的因素，可以理解为i p t vq o s ； 而主观q o e 对应于用户相关的因素。i p t vq o s 参数分为两层：应用层q o s 和 网络层q o s 。应用层q o s 代表应用层的性能质量，网络层q o s 代表网络传输质 量。根据应用层q o s 的性能特征进一步划分为三个子层：传输质量、内容质量、 多媒体流质量。 数字用户线路论坛( d s lf o r u m ) 将i p t vq o e 直接划分为三层：业务层、应 用层和传输层【2 l 】。 业务层指标包括可用性、可靠性、健壮性。 应用层包括控制层面和数据层面。其中，控制层面包括的指标有一定负载 4 第一章绪论 下频道的改变速率和伸缩性、用户应用界面响应时间：数据层面包括比特率、 应用层视频编解码质量、预处理、速率匹配等指标。 传输层也包括控制面和数据面，控制面包括i g m p ( t h ei n t e r a c tg r o u p m a n a g e m e n tp r o t o c o l ，因特网组管理协议) 处理时间、交叉流程时间；数据面 指标包括时延、丢包、抖动等。 许多文献也致力于q o e 的研究。在文献【2 2 】中用e m o d e l 方法分析了v o l p 业务的语音质量，指出了影响语音质量的主要因素：丢包率、时延以及时延抖 动。并指出对于v o l p 系统，时延最好不超过1 5 0 m s ，时延抖动在5 0 m s 以内， 丢包率要尽量小于1 。 文献【2 3 】中，m t vq o e 的影响因素包括三个部分：用户感知的q o e 、业务 供应商能够监测到的性能质量的和网络供应商提供的网络性能质量。 1 4 本文主要研究工作 本文具体研究工作包括以下几个方面： ( 1 )介绍现有的毫米波产生方法和语音视频质量评估方法，总结每种算法的 适用范围及优缺点。 ( 2 )调研已有的光纤无线融合网络架构，提出利用毫米波进行传输的新型网 络融合架构。分析基于毫米波传输的光纤无线融合系统业务质量评估方法。 ( 3 ) 探索混合多业务的q o e 评估方法，在单一业务基础之上，结合模糊层 次分析法，改进了用户体验质量q o e 与q o s 参数之间的数学模型关系，提高 了评估准确性，通过实验获取相关参数，并搭建实验平台进行验证。 1 5 本文组织结构 第一章：主要论述研究背景及意义，概括了国内外光纤无线融合系统及业 务质量评估方法的研究进展状况。 第二章：介绍了q o e 相关概念以及现有的光纤无线融合方案，提出了基于 毫米波传输的光纤无线融合网络架构，并对基于毫米波传输的光纤无线融合系 统业务质量评估方法进行了分析。 第三章：概括了q o s 、q o e 的相关指标参数，介绍了融合网络的典型业务 基于毫米波传输的光纤无线融合系统q o e 评估方法研究 ( 包括v o l p 、i p t v 、h t t p 以及f t p 等业务) ，指出其敏感指标，并总结了现 有的语音、视频质量评估算法。本章最后，在单一业务的q o e 评估方法基础上， 考虑了业务优先级和敏感指标等因素，结合模糊层析分析法研究系统q o e 与每 种业务的q o s 损伤的数学关系，建立了混合多业务q o e 评估模型，可以准确、 全面、实时的评估多业务流的整体q o e 。 第四章：构建测试平台，利用网络损伤仪真实的模拟现网中的网络损伤， 用相关测试设备和软件评估多媒体业务的q o e 值，对融合系统下传输混合多业 务的q o e 评估模型进行验证与分析。 第五章：对论文进行总结和展望。 6 第二章相关内容介绍 2 1q o e 概述 第二章相关内容介绍 随着互联网的迅速发展，多媒体业务逐渐丰富，人们对互联网业务的需求 不是简单的网页冲浪和查看新闻，而是提出了多样化的需求。同时，人们对业 务质量的要求也更加严格，仅仅考虑了网络质量的传统评估方法已不能完全反 应业务的质量。传统的q o s 一般是以一些离散的指标和参数来反应网络的质量， 例如丢包、延迟、抖动、带宽等等。但是这些参数不是单独的、互不相关的， 而是相互影响的。例如，当丢包超过一定的阈值后，抖动就会成倍的增加【2 4 1 。 这些单一的q o s 指标和参数已经不足以准确的评估网络性能质量。而且，对于 q o s 的某些参数，比如丢包，如果丢的包不是很关键，就不会影响视频的传输。 从用户角度来说，用户关心的不是丢包而是有没有对视频质量产生影响。所以， 服务供应商逐渐将兴趣转移到用户体验质量方面。面对这种趋势，q o e 的概念 应运而生。 各种组织机构和文献对q o e 的定义不尽统一。例如，在i t u tp e 1 0 g 1 0 0 中，q o e 定义为终端用户对使用的业务的主观整体满意程度【2 5 1 。它与终端用户 的感体验联系密切，包括整体的网络端到端的系统性能。文献【2 6 】中，q o e 被 描述为用户对应用层的体验，其中，应用层体验类似于用户前端界面接口的个 人服务质量总体结果。文献【2 7 】中q o e 被定义为“用户与周围环境交互时的体 验感受的特征。这些体验特征可以包括愉快的或者沮丧的甚至令人发火的。文 献【2 8 】中，q o e 是指“从用户的角度评价整个系统的性能质量 ，q o e 是从端到 端的性能层次来测量用户的感受，它暗示着用户对系统的满意度。 而狭义的q o s 通常指底层的数据传输性能指标，包括丢包率、时延、时延 抖动、带宽、误码等等。q o s 站在网络的角度，而q o e 是站在终端用户角度来 体验q o s 。所有的q o e 定义都表明，q o e 比狭义的q o s 概念站在更高的层次， 如果想获得更好的q o e ，就必须提供良好的q o s 。因此，从某种意义上说，q o e 可以看作狭义q o s 定义在终端用户体验角度上的延伸和扩展【2 引。 基于毫米波传输的光纤无线融合系统o o e 评估方法研究 一一一= 。：= 、i 卜用户层一一：；一一一一7 i ； 至 r 肺 l 三 瞄层面 臣翌|i i一i 图2 1q o e 与q o s 的分层模型 f i f ，1n n f ，r 、n 1 口，p r 恤一m n d p 1 q o e 与q o s 之间的关系可以用图2 1 来表示，q o e 的定义在用户层面，是 用户实际感受到的q o s ，而q o s 与应用层和传输网络层密切相关，从用户和业 务层面来说，q o s 是一种需求，为了满足这种需求，网络层采取相应的机制。 2 2 基于毫米波传输的光纤无线融合网络架构3 i 现有的光纤无线融合网络一般可以分为三种。第一种是基于直放站的多体 制共用无线室内覆盖系统方式，如图2 2 所示。 耦合器 图2 2 基于直放站的室内覆盖系统 f i g 2 2i n d o o rc o v e r a g es y s t e mb a s e do nr e p e a t e r 第二种是拉远基站加宏基站的方式实现信号盲区的覆盖，采用b b u 第二章相关内容介绍 ( b u i l d i n gb a s e b a n du n i t e ，基带拉远单元) 和r r u ( r a d i or e m o t eu n i t e ，无 线拉远单元) 相结合的方式如图2 3 所示。 图2 3 b b u 和r r u 相结合的方案 f i g 2 3c o m b i n a t i o no fb b ua n dr r us c h e m e 直放站 第三种方案如图2 4 所示，是利用光载无线多体制接入( r o f m a ) 的方式， 在b b u 和r r u 之间，增加多体制复用与解复用器、拉远网络单元( r o f n u ) 和拉远线路终端( r o f l t ) ，实现多体制多用户的复用以节省成本，通过b b u 和 r r u 以减少干扰，r r u 与b b u 之间通过光纤接入网相连。 用户终端 图2 4 光载无线多体制接入( r o f m a ) 方案 f i g 2 4r o f m a s c h e m e 对于第一种方案，无线覆盖方式结构简单，成本相对较低，但该方案中的 天线接收基站信号在室内放大和分配，容易导致室内和室外基站信号干扰。第 9 基于毫米波传输的光纤无线融合系统q o e 评估方法研究 二种方案r r u 是宏基站的一部分，也就不存在其他的干扰。不过，此方案的结 构复杂，成本相对较高。第三种方案，没有干扰，单位成本也比较低，不过， 结构仍然很复杂。 图2 5 是一种利用毫米波进行传输的新型网络融合架构，接入侧的光纤无 线融合接入设备提供各种制式的光网络的接入，同时，通过高速数据传输与基 于毫米波r f 的无线系统的b s ( b a s es t a t i o n ，基站) 连接，完成高清i p t v 、视频 会议等大容量视频业务的双向传输。 该方案中，使用基于双电极m z 调制器和梳状光谱发生器的高次光波边模 差拍光学倍频法，在基站b s 生成已调毫米波和纯净毫米波本振。利用光学方法 在基站将光波转换为毫米波，就避免了在光纤中直接传输毫米波所难以对付的 光纤色散损伤，又避免了先在光纤中传输中频( 低频微波) 信号，再在基站把 中频上变频为毫米波所必需的毫米波振荡器或中频倍频链，确保简单的、低价 的基站和稳定的毫米波生成。可以为构造稳定性好、成本低的双向r o f 系统打 下基础。 该融合架构结合了现有的资源，使用r o f 技术，实现n g n ( n e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k ，下一代网络) 在垂直方向自上往下依次包括业务层、控制层、媒体传 输层、接入层，水平方向包括核心网和接入网以及用户驻地网的融合。 演示视频流 数据流 c s ：控制嚣，光收发器b s ：基站，o p t i c r f r f o p t i c 转换 b g w ：缭舍接八董网关设备w t ：用户终端，r f o 发机( 耵) 图2 5 毫米波传输在光纤无线融合中的应用架构 f i g 2 5t h ef i b e r w i r e l e s sn e t w o r ka p p l i c a t i o na r c h i t e c t u r eu s i n gm m w a v e l o 第二章相关内容介绍 2 3 基于毫米波传输的r o f 系统业务质量评估分析 应对日益增长的光纤网至用户的宽带多媒体业务接入需求，结合光纤的高 数据传输率和抗电磁干扰能力，以及毫米波的频谱宽和设备尺寸小的特点，光 纤与毫米波无线网络的融合势在必行，也越来越多的受到人们的关注【3 0 捌】。 无线数据和视频接入“最后一公里 乃至“最后一米 的带宽需求正以惊 人的速度增长，基于毫米波传输的光纤无线融合系统可以利用集中简化的基站 进行低损耗传输无处不在的吉比特业务，有效地解决不断增长的系统容量、带 宽和移动性。另一方面，近年来，随着新型多媒体技术的不断涌现，传统的单 一业务已经不能满足用户对业务的需求。而光纤无线融合系统在提供高带宽、 大容量的业务方面比其他网络更具优势，可以支持实时多路并发高清i p t v 、高 清视频会议、视频点播、v 0 口语音通信，网络浏览，f t p 数据下载等多种应用 业务，满足用户的各种需求。 然而，对于运营商和用户来说，他们关心的是该融合网络的业务承载能力。 众所周知，传统的衡量网络性能的方法是通过测量q o s 指标，比如，丢包率、 时延、时延抖动、吞吐量、链路利用率等单个的指标。但是，随着网络技术的 进步，运营商之间的竞争越来越激烈，促使他们更注重业务质量和用户对业务 的满意度。而仅仅测量q o s 的单一指标并不能代表用户的体验质量，针对这种 需求，q o e 的概念产生了，成为各国际性组织和研究机构的研究热点之一【3 5 。9 1 。 目前，i p t v 业务的q o e 研究逐渐成熟，但是关于q o e 的研究很多只针对 一种业务。对于可以传输多种并发视频流业务的光纤无线融合网络的性能评估 来说，这是远远不够的。 一方面，很多文献对q o e 参数进行了具体的研究，指出了详细的q o e 指 标，但是，考虑到人力物力，不可能测量出所有的指标。事实上，只要测量出 关键指标即可表明q o e 的状况。 另一方面，由表2 1 可知，每种业务流所敏感的指标不同。对于光纤无线 融合网络这种传输多种业务并发的视频流来说，在评估总体的q o e 时不能一概 而论。而且，每种业务的优先级别不同，相应地，每种业务的q o e 值对整个系 统的q o e 影响也不同。然而目前对这种混合多业务并发的光纤无线融合网络 基于毫米波传输的光纤无线融合系统q o e 评估方法研究 q o e 评估的研究还很少。 表2 13 g p p 规范规定的3 g 业务q o s 要求 t a b l e2 1q o sr e q u i r e m e n t so f3 gb u s i n e s sp r o v i d e db y3 g p p 性能特征、会话类流媒体类交互类背景类 3 g 业务分类 抖动 要求很高要求比较高要求低无要求 延时 要求高要求高要求低无要求 上下行 上行、下行下行远一般下行有些业务下行大于上 速率对比基本对称大于上行大于上行 行，有些基本对称 误码率允许一定允许一定要求很高要求很高 的误码率的误码率 重传空口不用重传 空口不用重传空口要重传空口要重传 本文针对传输并发的混合多业务网络q o e 评估方法进行研究。主要分析多 种业务并发的情形，考虑了业务优先级和敏感指标等因素，建立了系统q o e 与 每种业务的q o s 参数的数学关系，提出混合多业务q o e 评估模型，可以准确、 全面、实时的评估当前多种业务流的整体q o e 。 2 4 本章小结 介绍了q o e 的相关概念以及光纤无线融合网络架构的现状，提出了基于毫 米波传输的新型网络融合架构。并针对毫米波传输的光纤无线融合系统业务质 量评估方法进行了分析。 1 2 第三章混合多业务q o e 评估模型分析 第三章混合多业务q o e 评估模型分析 3 1 性能指标 3 1 1q o s 参数 各国际组织对q o s 的定义不尽相同。c c i t t ( 国际电报与电话顾问委员会) 最初规定q o s 通过描述一个服务的特点来衡量服务的满意度，这罩q o s 是一 个综合指标。而根据r f c2 3 8 6 中的描述，q o s 指网络在数据传输中要求满足 的一系列服务请求，量化为具体的指标就是丢包率、延迟、延迟抖动、带宽、 吞吐量以及可用性等。这罩的服务是指端到端的服务。 i s o ，i t u 和i e t f 等国际组织对q o s 的参数均有规定。综合之，主要包括 以下指标： ( 1 ) 连接建立延迟：用户发出连接请求到请求得到确认之间的时间间隔； ( 2 ) 连接建立失败率：最大连接建立延迟内连接失败的可能性； ( 3 ) 传输失败率：传输失败的信息占所有信息的百分比； ( 4 ) 释放连接延迟：一方发出释放请求到对方开始执行释放的时间间隔； ( 5 ) 释放连接失败率：即连接释放失败的百分比； ( 6 )峰值信元速率：即用户所允许发送信元的最大瞬间速率，单位为信元每 秒； ( 7 ) 信元丢失率：网络中丢失的信元占所有信元的比率； ( 8 )信元传输延迟：信元从进入网络到离开网络所用的延迟； ( 9 ) 信元延迟变化范围：即测量信元传输延迟变化范围的参数； ( 1 0 ) 最小信元速率：即信元的最小速率； ( 1 1 )丢包率：一定负载下，转发失败的包占所有应该转发的数据包的百分比。 通过丢包率可以看出被测设备的承受负载能力。 ( 1 2 ) 背对背：以所能够产生的最大的速率，发送一定长度的数据包，并不断 改变一次发送的数据包数目，直到被测设备能够完全转发所有发送的数 据包，这个包数就是此设备的背对背值。 基于毫米波传输的光纤无线融合系统q o e 评估方法研究 ( 1 3 ) 瓶颈带宽：指一条路径没有其他背景流量的情况下，网络所能提供的最 大吞吐量； 其中，( 1 ) 到( 5 ) 是i s o 定义的部分q o s 参数，它主要是从系统的角度， 针对传输层上的数据传输过程进行定义，没有考虑延迟抖动等实时应用业务所 特有的参数；( 6 ) 到( 1 0 ) 是1 1 u 在a t m 网络中定义的部分q o s 参数，主要 针对数据链路层和物理层的数据传输定义，反应出交换的特征，但是忽略了安 全性和可靠性等因素；( 1 1 ) 到( 1 3 ) 是t f 定义的部分i p q o s ，是指网络层 的q o s 。 3 1 2q o e 参数 接入网络 源端 编码 传输 | 解码l 演示屏 p i 必j 、口f 图3 1q o e 与q o s 关系图 f i g 3 1t h er e l a t i o n s h i po f q o ea n dq o s 一般情况下，我们一直用q o s 体现网络性能，主要包括时延、抖动、丢包 率以及吞吐量等。但随着多媒体技术的发展，下载视频、使用视频会议、上传 图片或视频的用户日益增加，这就要求服务供应商更注重服务质量，仅仅从供 应商的角度测试网络性能是不够的，需要从用户的角度对各种多媒体业务进行 评估。也就是所谓的q o e ，它体现终端用户的满意度。q o e 与q o s 的关系如图 3 1 所示。 q o s 通常由网络的性能来衡量，这些指标包括： 单向延迟：对于实时交互型业务可能只要几毫秒，但对于视频点播业务就 1 4 叠 r 陡髓 日 第三章混合多业务q o e 评估模型分析 可能需要几分钟。 丢包：它是导致差的q o s 和q o e 的首要原因。 抖动：除了丢包，抖动是导致业务质量下降的第二个原因。如果抖动严重， 操作就会超时，从而导致通信过程中的丢包。通过抖动缓冲器可以缓解一定的 抖动，但是增加了时延。 以上指标忽略了用户的体验质量评估，q o e 弥补了这个缺陷。q o e 的影响 因素包括两部分，如表3 1 【删所示： 表3 1 影响q o e 的因素 t a b l e3 1i n f l u e n c ef a c t o r so fq o e 影响q o e 的技术因素影响q o e 的非技术因素 端剑端的q o s 保证机制 用户主观行为和运营服务质量 端到端的业务质量业务的便利性和快捷性 网络接通与传输能力服务内容 网络月艮务覆盖能力价格 终端功能性能客服支撑能力服务 其中，技术因素量化为具体的指标可以分为语音质量和视频质量的指标。 影响声音质量的因素主要包括压缩、时延、抖动、丢包、回声以及背景噪声等 世 守。 压缩主要是指语音在压缩编码过程中将原始语音数据中的一些信息丢失对 语音所造成的损伤。通常情况下，语音压缩的越厉害，丢失的语音信息越多， 对语音质量的影响也越严重。在实际应用中，可以利用优质的编码器来丢弃无 关的信息，从而获得较高的压缩率，同时，也尽量降低压缩所带来的语音损伤。 时延主要由于编码、打包、数据传输以及抖动缓冲器所产生。根据调研结 果显示，时延为2 5 0 m s 时，用户可以感觉到有时延的现象；当大于5 0 0 m s 时， 用户体验很差。 抖动是因为语音传输过程中每个包的时延不同，语音对抖动非常敏感。通 常可以用抖动缓冲器来减少抖动，但是超出抖动缓冲器能力之外的包会被丢弃， 同时，抖动缓冲器也会增加时延。 丢包对于语音质量也是很敏感的指标。少量的丢包不会影响语音质量，但 基于毫米波传输的光纤无线融合系统q o e 评估方法研究 是超过一定的极限就会严重降低语音质量。 影响视频质量的因素包括视频内容和网络传输质量两个方面，对于视频内 容方面有以下指标： ( 1 )j e r k i n e s s ：主要由于网络损伤以及较低的抽样频率所造成的损伤； ( 2 )b l u f f n e s s ：主要由于信源编码压缩产生的较低分辨率而造成的损伤； ( 3 )b l o c k i n e s s ：一般是由于较低的码流速率和源端低质量的视频编码导致 的损伤。 对于网络传输质量方面主要有下面四个指标： ( 1 )跳帧：主要由于网络过载产生的视频停滞或者视频数据的丢失造成的损 伤； ( 2 )噪音：由于传输过程中的随机噪声导致的损伤； ( 3 )丢包：指某个节点产生了一个包，但是由于网络的问题在接收端没有收 到。一般大量的丢包会导致视频质量的明显恶化； ( 4 ) 抖动：也就是包抖动p d v ( p a c k e td e l a yv a r i a t i o n ) ，主要由于发送端和接 收端的数据包乱序产生的乱序或误传导致的损伤。 对于多媒体视频业务，可以从另一个角度分析q o e 指标，将其分为两类： 直接的和问接的。直接指标反应了用户对多媒体业务好坏的直接感受，从各种 类型的数据可以得到，比如网络性能相关的延时、丢包率，以及应用层决定的 编解码器信息。直接指标主要包括p s n r ( p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o ) 、 s s i m ( s t r u c t u r a ls i m i l a r i t y ) 、v q m ( v i d e oq u a l i t ym e t r i c ) 、m o s 等。 p s n r 采用f r ( f u l lr e f e r e n c e ) 算法计算原始图像和接收图像像素的均方误 差，用分贝来表示。相似度高的图像会得到较高的p s n r 。 s s i m 也是采用f r ( f u l lr e f e r e n c e ) 算法，它综合了原始图像和接收图像的 亮度、对比度以及图像结构的相似度，弥补了p s n r 的不足。 v q m 仍采用f r 算法，比上述两方法有所提高。 m o s 包括时延、应用层上的抖动、通信过程中编解码器信息以及应用层上 的丢包率。 间接指标不会直接影响多媒体内容，但与多媒体体验密切相关，相关指标 如下： 1 6 第三章混合多业务q o e 评估模型分析 开始时问：用户开始查询一个具体的节目或内容到接收该信息的时间。 响应时间：从用户发出执行命令到系统响应并且应答用户的时间。在视频 会议中，该项指标代表了互动程度。 同步传输：要求用户使用某种服务时，所有参与者收到的信息是相同时刻 的。这对于在线赌博之类的业务要求很严格。 刷新度：节目( 内容) 产生到用户接收的时间。对于实时的视频流，用户 可以尽快的了解内容。p 2 p t v 对该项指标要求很高。 拥塞：与直接指标密切相关。 不同的业务种类对指标的要求时不同的。多媒体业务分为以下三种：实时 互动性业务( r e a l t i m ei n t e r a c t i v e ，r t i ) ，v o d ，和实时信息流( l i v es t r e a m i n g ， l s ) 。例如，在线赌博和视频会议属于r t i ，通常的视频流应用属于v o d ，而类 似于实时运动会的流媒体应用则属于l s 。每项指标对各种业务的影响程度如表 3 2 所示。 t 表3 2 各项指标对不同业务的影响 指标 r t iv o dl s 直接指标高中等高 开始