（通信与信息系统专业论文）基于多媒体业务的无线网络跨层优化.pdf

中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 王童： 纠年月b 目 基于多媒体业务的无线网络跨层优化摘要 摘要 无线信道的时变衰落特性以及应用层业务对q o s 的大范围动态要求已成为未来移动通 信面临的巨大挑战。传统的无线网络分层设计由于采用固定的网络协议结构和参数设置，将 会导致低的系统性能和资源利用率。近来跨层优化设计作为一种有力补充已成为广泛的研究 热点。多媒体业务将成为未来移动通信的主要业务之一，由于应用层的业务特性与用户最接 近，最能直观反映用户的主观感受，本文从应用层出发，充分分析和利用多媒体业务的固有 特性，联合传输层，媒体接入层以及物理层，研究完整的跨层优化设计。 本文首先分析了跨层优化的必要性，在挖掘多媒体视频业务的应用层特性的基础上，建 立了一个基于等价类的跨层优化参数模型。该参数模型从理论上给出了一套基于各层特征参 数抽取的跨层优化方法，实验结果也表明该模型非常合理 基于上述参数模型和业务特性，文中以h 2 6 4 标准编码的视频业务为例，同时在应用层， 媒体接入层和物理层进行跨层特征参数抽取，分析连接这三层的跨层信道模型，结合优化准 则的选取，通过自适应优化设计应用层业务速率以及底层的资源分配和调度，达到了很好的 跨层优化性能。此外，本文还提出了两个新的能同时保证用户问公平性和系统吞吐量的跨层 优化准则，仿真结果表明基于这两个优化准则的跨层优化性能相比现有设计有巨大的改善。 本文进一步讨论了基于应用层业务特性的跨层优化如何应用到设计系统中，包括与 o f d m 系统中的资源分配和调度的有效结合，对多媒体业务的跨层分等级差错保护以及基 于优先级的自动重传等机制。文中最后分析和总结了需要进一步解决的跨层优化带来的实现 代价问题，以推动跨层优化能更有效地应用于实际系统中。 关键词：跨层，应用层，多媒体业务，参数模型，公平性，资源分配 中国科学技术大学硕士学位论文 第5 页共5 8 页 基于多媒体业务的无线网络跨层优化 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et i m e - v a r y i n ga n df a d i n gn a t u r a lo ft h ew i r e l e s sc h a n n e la n dt h eu s e r s d y n a m i cq o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) r e q u i r e m e n t sa r et w oh u g ec h a l l e n g e st 0t h ed e v e l o p i n go f w i r e l e s sc o m m u n i c a f i o g t h et r a d i t i o n a ll a y e r e dn e t w o r kd e s i g nc a n ta d a p tt ot h i ss c n a r i ob e c a u s ei tw i l ll e a dt op o o r s y s t e mp e r f i fu s i n gf i x e dl a y e r e ds t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r s a sar e s u l t ，c r o s s - l a y e r o p t i m i z a t i o nh a sb e c o m eaw i d e l yr e s e a r c ht o p i ca sas 仃o n gc o m p l e m e n tt ot h eu a d i t i o n a l l a y e r e dd e s i g n m u l t i m e d i as e r v i c ew i l lb eo n eo ft h em a j o rs e r v i c ei nf u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e r v i c e so na p p l i c a t i o nl a y e ra r ec l o s et o u l sa n dr e l a t e dt ou s e r s r s u b j e c t i v es e i l t h i sp a p e rp r o p o s e sac o m p l e t ec r o s s - l a y e ro p t i m i z a t i o nw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c s o fm u l t i m e d i as e r v i c ef r o ma p p l i c a t i o nl a y e r t h ea p p r o a c hi sb a s e do nj o i n to p t i m i z a t i o no ft h e a p p l i c a t i o nl a y e r , t h em a cl a y e ra n dt h ep h y s i c a ll a y e r w ef i r s ta n a l y z e dt h en e c e s s i t yo f c r o s s l a y e rd e s i g n ，t h e ne x p l o r et h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i m e d i as e r v i c ea n de s t a b l i s ha c r o s s l a y e rl a y e r e d - p a r a m e t e rm o d e lb a s e do ne q u i v a l e n c ec l a s s e s t h i sm o d e lg i v e su saw a yo f o p t i m i z a t i o nb a s e do i ll a y e r - s p e c i f i cp a r a m e t e r se x t r a c t i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta l s os h o w st h e c o r r e c t n e s so f t h i sm o d e l b a s e do l lt h ea b o v ep a r a m e t e rm o d e la n dh 2 6 4v i d e os e w i c e w ee x t r a c tl a y e r - s p e c i f i c p a r a m e t e r sf r o mt h ea p p l i c a t i o nl a y e r , t h em a cl a y e ra n dt h ep h y s i c a ll a y e r , a n do p t i m i z et h e s e r v i c er a t eo na p p l i c a t i o nl a y e ra n dt h em a c h n i s mo fr p g m o r c ea l l o c a t i o no nl o wl a y e r sw i t ha c r o s s - l a y e rc h a n n e lm o d e l b e s i d e st h e s e , w ep r o p o s ot w oc r i t e r i o n so fo p t i m i z a t i o nw h i c hc a l l g u a r a n t e et h ef a i r n e s sa m o n ga l lu s e r sa n dm a i t a i nt h es y s t e mp e l _ f o r m a c ea tt h es a m et i m e t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u ra p p r o a c hc a nl e a dt ob e t t e r p e r f o r m a n c et h a no t h e ro n e s w ea l s or e s e a r c ht h ep r o b l e mo fh o wt oa p p l yt h i sc r o s s - l a y e ra p p r o a c ht op r a c t i c a ls y s t e m , i n c l u d i n gt h ec o m b i n a t i o nw i t ht h er e s o u r c ea l l c o t i o na n dm u l t i u s e rs c h e d u l ei no f d ms y s t e m , t h ee r o s s l a y e ru n e q u a lp r o t e c t i o nf o rm u t l i m e d i as e r v i c ea n dp r i o r i t y - b a s e da r qm e c h n i s ma n d 0 1 1 t h ec o s to fc r o s s l a y e rd e s i g ni sd i s c u s s e da tt h ee n do ft h i sp a p a ra so r eo ft h em o s t i m p o r t a n tf a c t sw h i c he f f e c tt h ei m p l e m e n t a t i o no f c r o s s l a y e rd e s i g ni np r a c t i c a ls y s t e m k e yw o r d ：c r o s s l a y e r , a p p l i c a t i o nl a y e r , m u l t i m e d i as e r v i c e 。p a r a m e t e r - m o d e l ，f a i m e s s ， r c s o l l r c ea l l o c a t i o n 中国科学技术大学硕士学位论文第6 页共5 8 页 基于多媒体业务的无线网络跨层优化 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线通信的发展与挑战 移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分，它是指通信双方至少有一方在运动状 态中进行信息传输。自从1 8 9 7 年马可尼首次实现长距离无线通信开创新纪元以来，人们一 直努力向提供全球性优质服务，真正实现在任何时间、任何地点、向任何人提供通信服务这 一移动通信的最高目标迈进。尤其在过去的几十年里，通信技术得以迅猛发展和广泛应用， 极大的推动了社会经济发展，改变着人们的生活方式。据权威调查机构e m c 公司的2 0 0 2 年 报告，全球蜂窝移动通信用户在2 0 0 2 年4 月的第一个星期突破了1 0 亿大关自1 9 7 9 年启 动世界上第一个蜂窝系统以来，全球移动通信网络经过2 3 年的发展已达到l o 亿用户的规模。 5 亿用户大关是在2 0 0 0 年2 月突破的，共用了2 1 年时间；而第二个5 亿户的增长则只用了 2 5 个月。著名的市场调研机构i n s t a t 在2 0 0 5 年发布的第二季度全球移动用户预测报告中指 出到2 0 0 9 年全世界的移动通信用户将超过2 3 亿。 美国贝尔实验室于上世纪七十年代提出了无线通信蜂窝概念，大大增加了频谱的复用 率，增加了系统容量。在过去的2 0 年里，移动通信已经历了从第一代模拟通信到第二代数 字通信再到第三代多媒体通信的几个阶段。特别是近年来，移动用户需求迅猛增长，i n t e m e t 、 电子商务、高速数据、活动视频和视频点播等数据多媒体业务的需求也不断增加，微电子技 术、大规模集成电路技术、微处理器技术、计算机技术等得到长足发展。以上这些因素大力 推动了移动通信技术的发展，第三代( 3 0 ) 移动通信系统的研究开发和商业化进程正在如火 如荼的展开。然而3 g 系统也还有其局限性，比如3 g 所采用的语音交换架构仍承袭了第二代 的电路交换，而不是纯讲分组交换方式：由于受到多用户干扰，c d m a 难以达到很高的通 信速率，从理论上说，3 g 手机的传输速度能达到3 8 4 k b s 或更高( 静止时达到2 m b $ ) ， 但手机的速度将受到通信系统容量的限制，难以达到理论速度。为高速业务和多媒体业务而 设计的3 g 系统在通信容量与质量等方面将远不能满足要求。人们对于未来无线通信系统的 需求仍然在不断增长，其中明显的趋势总结如下： 宽带化：更高的数据速率和更低的数据传输成本。专家预估，对于大范围高速移动 用户( 2 5 0 k r n 彻，下一代移动通信系统数据速率为2 1 协p s ；对于中速移动用户 ( 6 0 k n v h ) ，数据速率为2 0 m b p s ：对于低速移动用户( 室内或步行者) ，数据速率为 1 0 0 m b p s ，其容量至少是3 g 系统容量的l o 倍以上； 基于口的网络：完全的m 分组交换，在切换和分组传输中更小的时延，无缝连接； 业务集成：支持多种应用，包括更多的多媒体业务，而且希望有无处不在且根据个 人需求进行定制的新的应用和服务； 中国科学技术大学硕士学位论文第7 页共5 8 页 基于多媒体业务的无线网络跨层优化第一章绪论 智能化：具有高度自治、自适应的网络，具有良好的重构性、可伸缩性、自组织性 等，用以满足不同环境、不同用户的通信需求。 未来若干年里移动通信技术将以更快的速度发展，无论研究活动还是经济活动，都蕴涵 着无限的机会。但是实现这些要求在技术上将面临更大的挑战，这些挑战根源于移动通信本 身的特点： 电波传播条件复杂：移动体可能在各种环境中运动，电磁波在传播时会产生反射、 折射、绕射、多普勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟和展宽等效应； 无线媒质的开放性：无线通信受到噪声和干扰的影响，如在城市环境中的汽车火花 噪声、各种工业噪声，移动用户之间的互调干扰、邻道干扰，同频干扰等； 频带资源有限：无线电频率是一种宝贵资源，随着移动通信的飞速发展，频谱资源 有限和移动用户急剧增加的矛盾越来越尖锐，出现了“频率严重短缺”的现象。解决 频率拥挤问题的出路是采用各种频率有效利用技术和开发新频段； 信号发射功率受限：从延长移动用户设备的电池寿命角度，或者绿色环保角度。或 者设备成本角度，一般发射机的功率都受到限制，这就要求具有高功率效率的技术； 成本方面的约束：从经济角度，系统不能接受高度复杂的技术。 1 2 无线通信的应用业务类型 传统移动通信只提供单一的语音会话业务。而随着多媒体等技术和应用业务类型的兴 起，在移动通信网络上承载的业务种类将越来越多，进入了所谓的“后语音”时代。同时无线 通信终端的形态也变得多种多样，如手提电脑、p d a 、手机和其他手持终端( 如音乐播放器、 游戏控制台、邮件收发设备) 等。由于不同终端资源限制的差异性，它们各自所能提供的应 用类型也有较大的差别。总结未来无线通信所能承载的业务类型主要有：传统语音( v o i c e ) 、 短信( s m s ) 、多媒体短信( m m s ) 、音频( a u d i o ) 、视频( v i d e o ) 、v o i p 、交互在线游戏、i n t e m e t 网页浏览、e m a i l 服务和f t p 等。随着用户对个性化需求的不断提高和新的业务类型不断出 现，可以预见未来业务多样化的趋势将越来越明显。选取一些代表性业务为例，从图1 1 可 以直观地看出它们的业务统计特性的不同。考虑到不同业务所具有的差异性业务特征和服务 质量要求( q o s ) ，如何满足这些业务各自不同的服务质量要求，是现有移动通信系统的一个 巨大技术挑战。传统的i n t e r n e t 传输技术和无线接入技术大都不区分业务类型( 统一当成尽 力服务类型) ，也不能提供q o s 保证机制。m e e8 0 2 1 6 标准【1 1 宣称能提供q o s 保证，却没 有进一步给出具体的实现机制。 中国科学技术大学硕士学位论文第8 页共5 s 页 基于多媒体业务的无线网络跨层优化第一章绪论 速率 时问 图1 1 不同业务类型的统计业务特性示意 本文进一步给出一些代表性应用的业务统计模型。举例来说，比如语音以及v o l p 类业 务，一个会话过程( s e s s i o n ) 中，用户的数据产生过程在时间上可以用o n o f f 两个状态来 分别表示数据产生期和静默期状态【2 】。描述该类业务的主要参数有会话持续时间( d u r a t i o n ) 、 数据b u r s t 产生模型和相关时间长度分布。业务产生期和静默期的长度分别用? k 和z m 。 表示，业务到达率1 r ，f 为采样问隔( 如对g s m 的声码器，f = 2 0m s ) ，以及一个s e s s i o n 的持续时间z ：。h 等，列表如下： 表1 1 语音及v o l p 类业务的相关统计模型 参数分布统计特性分布特性 正= a e - a z , x 0 7 k 指数分布均值：3 5 2 m s 力= 5 x 1 0 - 。 正= 知，工o z m 指数分布均值：6 5 0 m s 旯= 5 1 0 8 。 n 九均值：5 分钟n ，a w e b 浏览类业务将在未来宽带无线接入系统承载的业务中占有较大的比重。可以借鉴有 线网络中的 n 1 p 业务模型 3 1 1 4 1 ，并基于这些业务模型的修正来相应设计无线系统中的参 数和措施，以适应该类业务的无线接入。描述该类业务的主要参数有：网页中主要对象的大 小s 。，网页中嵌入对象的大小s ，网页中嵌入对象的数目j ，用户阅读页面时间( 静默) d 。，以及页面解析时间l 等。它们的相关参数列表如下： 表1 2h t t p 业务的相关统计模型 中国科学技术大学硕士学位论文第9 页共5 9 页 基于多媒体业务的无线网络跨层优化第一章绪论 参数分布统计特性分布特性 均值：1 0 7 1 0b y t e s 标准差：2 5 0 3 2b y t e s 正= 丽1e 坤 专竽 砧。 s m 对数正态 最小值：1 0 0b y t e s 最大值：2 mb y t e s 盯= 1 3 7 ，= 8 3 5 均值：7 7 5 8b y t e s 标准差：1 2 6 1 6 8b y t e s 正= 忐唧 掣卜 se 对数正态 最小值：5 0b y t e s 最大值：2 mb y t e s 盯= 2 3 6 ，= 6 1 7 均值：5 6 4 六= 筹胚工 非实时业务( 应用) 类型 该类业务通常没有严格的时延要求，包括h t t p 、f t p 、e m a i l 等业务。如 时下风行美国的由r i m 公司提供的b l a c k b e r r y 系列无线e m a i l 收发终端设备产 品。由于满足了许多移动办公人士的及时电子邮件收发需求，在该领域占领了 中田科学技术大学硕士学位论文第l o 页共5 8 页 基于多媒体业务的无线网络跨层优化第一章绪论 大片的市场份额。目前仅美国就有超过4 3 0 万的用户依靠b l a c k b e r r y 来处理日 常的电子邮件收发，且这个数目每天都在继续快速增长。 实时业务( 应用) 类型 该类业务通常有较严格的时延要求，包括语音，v o 球、手机电视、视频直播等 业务类型，能承受的时延约为4 0 0 m s 。如在i n t e z n e t 上流行的s k y p c 语音电话， 由于收费低廉却能提供质量较好的v o i p 服务，赢得了许多用户的青睐，且该 类业务也逐步在向无线市场渗透。无线通信系统需要为该类业务设定较高的服 务优先级，或采用预留系统资源等方法，保证该类业务的服务质量要求。 流媒体业务( 应用) 类型 该类业务在服务期间具有较为稳定的速率要求，包括如视频电话会议过程中的 音频流和视频流、网络音频视频片断以及多媒体点播f v o d ) 月务等。还有一些 如i p o d 音乐播放器具有的音乐下载、在线播放等功能，也可归于此种类型。 实时交互业务( 应用) 类型 该类业务满足了人与人之间实时交互沟通的需求，主要包括在线游戏、在线聊 天等业务类型。前者流行的表现。如全球三大在线游戏设备提供商( 微软 ( m i c r o s o f t ) 的) ( b o x 系列、索尼( s o n y ) 的p l a ys t a t i o n 系列和任天堂 ( n i n t c n d o ) 的r e v o l u t i o n 系列) 的产品的热销。而当今在线聊天软件( i n s t a n t m e s s a g i n g ) 更是“百花齐放”，如微软的m s n 、腾讯的q q 、g o o g l e 的g t a l k 等 都吸引的大批的热衷使用者。当这些应用从有线扩展到无线领域时，就使未来 无线通信系统的q o s 保证机制显得尤为重要。 总结归纳不同应用业务的服务质量要求( 速率、时延、误码率等) 如以下表格所示： 表1 4 各类不同业务的统计特性和q o s 要求参数 主要q o s 要求参数 载体应用单双向数据速率 时延误码率 单向时延要求 方差要求 1 5 0 m s 音频语音对话双向 4 1 3 k b p s i m s 3 f e r 4 0 0 m s 实 1 0 01 1 1 8 3 2 3 8 4 时 视频可视电话双向 1 5 0 i n s n a 1 f e r 类 k b p s 4 0 0 m s 业 数据远程遥控双向 2 8 8k b p s 2 5 0 i n sn a 0 务 数据交互游戏双向 1k b 2 5 0 i i i sn a o 中田科学技术大学硕士学位论文第1 1 页共5 8 页 基于多媒体业务的无线网络跨层优化第一章绪论 数据 r e i n e t 双向 lk b 2 5 0 m sn a 0 ls ( 回放) 音频语音信息双向 4 1 3k b p s l 傩 3 f e r 2s ( 录音) 交 数据网页浏览双向n a 4s p a g e n a 0 互 类 电子结算 数据双向n a 2 5 0 m sn a o 业 无线支付 务 数据交互游戏双向 n a 2 5 0 i n sn a o 高质量3 2 1 2 8 音频单向 1 0s l m s 1 f e r 音频流 k b p s 流 视频 高质量 3 2 3 8 4 单向 1 0sn a 1 f e r 媒 视频流 k b p s 体 数据m 传输单向 n a 1 0sn a o 类 业 数据静态图片单向 n a 1 0s n a o 务 数据遥感测量单向 1 ，那么我们就可以获得了跨层优化的自由度，我们可以自由选择r 嚣中任何 特定的元素作为o p e r a t i n gp o i n t 为了最终确定一个合适的选择，我们可以把其中每个元素 通过一个代价函数和一个代价联系起来： 。 c o s t ：p o p 户例x f _ r u 和，( 2 5 ) 其中r 为实数集合对于给定的p p o p 和一个边际效应因子，f ，定义集合 ，男一伽= j f v j p o m ，v p p o m ：c o s t ( p ，多，) = 1 路数据流，各路数据流独立编码然后再映射到l = s 个流，在由l 个本征值表征的m i m o 波束的链路中传送。从高层来看，整个空中接口可以 描述为一个逻辑信道，该逻辑信道可以由数据速率和误帧率两个参数来刻画，这两个参数明 显会影响视频流的q o s 。简便起见， 假设s 2a n d 上2 ， 那么 p “= 够，三) ) = ( 1 ，1 ) ，( 1 ，2 ) ，( 2 ，2 ) ) 。在模式( 1 ，1 ) 中，只有一个数据流在传送，我们 称为天线增益模式( a n t e n n a - g a i n - m o d e ) ，其目的是最大化s n r 。在( 1 ，2 ) 中，同一条流 在两个本征链路中轮流传送，称为分集模式( d i v e r s i t y - m o d e ) ，通过引入分集增加了链路的 可靠性。( 2 ，2 ) 称为复用模式( m u l t i