（通信与信息系统专业论文）无线网络融合下移动视频qos建模、分析与模拟.pdf

塞呈蠢兰三窒堡耋耋堡篓圣 摘要 遮蓑无线移动接入弱羚鲻聚合黪趋势帮移动视焱渣务的蓬勃发疑，知翅 在异弱霹的复杂情况下仍然保证对q o s 要求强高鲍移动视鞭业务的支持国 焱成为研究热点。 本文霹究一个麓单w l a n 3 g 赘实铡，在羧理滋黎毽路基改遴秘实瑷了 满足移动视频业务q o s 的联合接纳控制最优策略方案；在网络慝和传输应 阁层设计实现了融适应异构网移动视频传输系统。从而在解决异构网移动视 灏垃务鞠嚣丈类滔题，霹攒络资源臻会裂爱强及曼载波动缝竭戆上啜餐一定 进展，同时也实现了舜构刚情况下， o s i 网络模型不同屠上的移动视颧 q o s 的立辱搴探障机制。 特弱筑，在褒台袋翁羧镁最傥策旗方褰孛，聪鬻游爱q o s 约袈条臀， 并整体性的考虑w l a n 3 g 网络的收藏和状态空问，实现了跨屡和异刚融合 的接纳控制方察。通过改进解最优策略问题的半马尔可夫决策过程建模，分 磷实现了线性矮餐法蕊最伐簿稻设诗竞泼了强诧学习隶最傀麓。 在异构网自适应视频传输系统中，设计并实现了闭环自适应控制和在线 流量预测模块。同时提出r 异椽网的黼种误差状态，卵误差平稳态和误差突 发态。逶过鞠络鼗务翡鑫鞠骰褥性送褥在线流量礞瓣，实理了状态篾转移豁 及时馈测。又根据色逶应滤波原理，在不同误差状态时采敬不阑的妈率控制 策略，实现了移动视频的鹚率皂适应传输积码率的收敛。 通过模擞仿蠹及实际豁黼络实验，证骥这些方案能取褥较好效栗。可以 作为融合网络整体架掏中的一部分与其他q o s 保障机制一起麸同实现融合 的巽掏无线接入阐上移动鼹颓业务。 关键词q o s 异构网强化学习j a c 线性蠼划s m d p 自遥应滤波流量预测 塞呈奎黧：耋垒耋差堡塞兰 a b s t r a c t w i t ht h e 艘n do fh e t e r o g o n o u sw i r e l e s sn e t w o r kc o n v e r g e n c ea n dt h eb o o mo fw i r e l e s s v i d e os e r v i c e s ，h o wt op r o v i d eq o ss u p p o r tf o rd e m a n d i n gv i d e os e r v i c e si nt h ec o n t e x to f c o m p l e xh e t e r o g o n o u sw i r e l e s sn e t w o r ke n v i r o n m e n tb e c o m ea nh o ti s s u e 。 ， i nt h i sp a p e r , as i m p l ew l a n 3 gc o u p l e dn e t w o r ki ss t u d i e sa n da no p t i m a lj o i n ts e s s i o n a d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m ep r o v i d i n gp h ya n dm a cl a y e rq o sf o rv i d e os e r v i c e si s p r o p o s e d ，a l s od e v i s e di nt h i sp a p e ri sa na d a p t i v ev i d e od e l i v e r ys y s t e mf o rh e t e r o g o n o u s n e t w o r kp r o v i d i n gq o ss u p p o r to nn e t w o r ka n dt r a n s p o r t a t i o nl a y e r t h e s es c h e m e sm a d e s o m ep r o g r e s s e si nc o p i n gw i t h2m a i nc a t e g o r i e so fp r o b l e m si nh e t e r o g o n o u sn e t w o r k ，t h a t i s ，t h ed e p l o y m e n to fo v e r a l l r a d i or e s o u r c e sa n dt h ed r a m a t i cd i f f e r e n c e sb e t w e e n h e t e r o g o n o u sn e t w o r k s ，a tt h e s a m et f l n e ，t h e ya l s op r o v i d ev e r t i c a lq o sp r o v i s i o n m e c h a n i s mi nd i f f e r e n tl a y e ri no s lm o d e l ， s p e e i a l l y ，i nt h eo p t i m a lj o i n ts e s s i o na d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m e ，w i t ht h ec r o s sl a y e rq o s c o n s t r a i n sa n dt h eo v e r a l lr e w a r dc o n s i d e r i n gt h et w on e t w o r ka saw h o l e ，w er e a l i z e dt h e a d m i s s i o nc o n t r o lb ym a n a g i n gt h er e s o u r c e so ft h ew h o l en e t w o r k m o d e l i n gt h eo p t i m a l s c h e m ep r o b l e ma sas m d p , w ef u r t h e rs o l v e dt h ep r o b l e mi nt w od i f f e r e n tm e t h o d s ， n a m e l yl i n e a rp r o g r a m m i n ga n dr e i n f o r c e m e n tl e a r n i n g i nt h ed e v i s e da d a p t i v ev i d e od e l i v e r ys y s t e m ，w ed e v i s e dt w om o d e l ，c l o s e d l o o pa d a p t i v e c o n t r o la n do n l i n ef t o we s t i m a t i o n ，w ea l s op o i n to u t2c o m p l e t e l yd i f f e r e n te r r o rs t a t ei n h e t e r o g o n o u sn e t w o r k ，q u a s ie r r o rs t a t ea n db u r s te l r o ts t a t e 。w em a n a g e dt od e t e c tt h es t a t e t r a n s i t i o nu s i n gt h es e l l ：s i m i l a rc h a r a c t e ro ft h en e t w o r kt r a 撕ca n dt h et r a f f i ce s t i m a t i o n m o d e l r e f e r r i n gt oa d a p t i v ef i l t e rt h e o r y , w et a k ed i f f e r e n tr a t ec o n t r o lp o l i c yi nd i f f e r e n t e r r o rs t a t e ，a n dr e a l i z e da d a p t i v er a t ec o n t r o la sw e l ia sr a t ec o n v e r g e n c e t h e s es c h e m e sh a v ep r o v e nt ob ee f f e c t i v eb ye i t h e rs i m u l a t i o no rr e a ln e t w o r ke x p e r i m e n t t h e yc a nb ei n c o r p o r a t e di n t oaq o sp r o v i s i o na r c h i t e c t u r ef o rc o n v e r g e n c en e t w o r k ，c o w o r k i n gw i t ho t h e rq o sm e c h a n i s mt op r o v i d e s u p p o r tf o rw i r e l e s sv i d e os e r v i c e so n h e t e r o g o n o u sn e t w o r k k e y w o r d sq o s ，h e t e r o g o n o u sn e t w o r k ，q l e a r n i n g ，j a c ，l p , s m d p ，a d a p t i v e f i l t e r , f l o we s t i m a t i o n t l i - 塞呈查兰三兰堡圭兰堡丝三 第1 章绪论 1 1 背景 随着p d a 、智能手机等手持无线移动设备的日益普及和各种无线、移动宽 带网技术的不断成熟，世界日益摆脱“线”的束缚，走向无线化。同时随着各 种移动多媒体业务的蓬勃发展，用户对日益丰富的移动业务倾注更大的兴趣， 对移动中数据业务的需求也越来越高。人们希望有一个统一的无线移动网络提 供随时、随地、全球化、高质量的服务。 然而由于无线环境的高误码率和不稳定性，多媒体业务特有的q o s 要求， 以及不同用户所处环境的差异，现有的无线或移动网络技术都无法单独满足所 有的需求。而3 g b 3 g 和w l a n w l m a x 等下一代高速移动宽带无线接入技术的兴 起又促使传统电话网络与数据网络的界限变得越来越模糊。无庸置疑，要实现 随时随地的无线多媒体业务，同时保证用户业务所需的服务质量，需要由多种 接入技术构成的异构无线网环境来提供多模移动终端的接入。 随之带来的问题就是如何在异构无线网的环境里提供对移动视频业务的 q o s 的保障。以往的研究往往着重不同接入网的互联或单个接入网的移动多媒 体的q o s 保障，很少有将两者结合起来综合考虑的研究工作。此外，由于异构 系统的复杂性和移动视频业务对q o s 的特殊要求，对其提供q o s 保障通常不是 单个网络架构层能实现的，需要在o s i 七层模型的每个层面都提供相应的支 持，需要跨层的协作。 本文基于以上隋况，进行无线网络融合下的移动视频o o s 保障的研究，致 力探索出一些针对无线融合异构接入网特点，能综合利用融合网络的资源优 势，符合移动视频业务q o s 保障要求，涉及多个o s i 模型层的方案，以便于整 体架构融合的无线接入网o o s 保障体系时能提供模块化的调用。 1 1 1 无线和移动网络的发展和现状 i i i 1 无线网络的分类和现状 我们每天都在不同的地点之间移动，从办公室到住所，从购物中心到公共 交通，为了能在移动中随心所欲地访问自己的个性化服务，需要一个无线通信 网络来支持各种通信中断的实时介入并提供所需的服务。根据无线网络的使用 距离可以将其分成四种网络类型( 图一) ： 夺w p a n ，无线个人区域网络( l o m ) 复建走擎羔学颈 擎餐蚤文 在w p a n 范围内使用的典型传输技术有：蕊阿无线技术( b l u e t o o t h ) 、 裹缳宽趣舞矮( u w b ) 、多频繁联凝( 耩u l t i b a n do r t h o g o n a lf r e q u e n c y d z v i s i o n 歉i t i p l e x i n ga l l i a n e e ；m b o a ) 、z l & , b e e 、r f i d 夺w l a 烈，无线弱壤潮( 1 0 0 m ) ； 在w l a n 范潮内馊髑的典型传输技术有；w i f i ( 8 0 2 ，l l x 系列) 冷w 辩矗粼，羌缝藏蠛熬夫鬟枣窝骥熬 在w m a n 藏匿内使用的典型传输技术有：w i m a x ( 8 0 2 1 6 d i e ) 呤w w a n ，走线广域懋( 全球) 在w w a n 菠基蠢霞鼹熬典豢转输装零骞：2 。5 3 g 罄秘逶整羧零 辩登圭芜绫鞲络瓣豢鹫嚣萁蠡匿 糕全球蕊围内，各种传输技术并存，甄为补充，襁各自颁域黧艘撵各白优 势，共弱秀我辩褥洪个跌个天翻全球静溅线遂蔫环壤。 遮誊无线参媒髂鼗务，翔：辩，褪羧会谈，巍羧秘誊攘下惑搿嚣蔽，移 韵电视察交嚣式多媒体摩戏游弱兴静无钱潮络“杀警缀”畿雳静满溪，嚣熬母 啖个全球化的商速宽带无线网来承载越米越丰富韵移媒体业务流。些可以 蜜囊这望盎黧游囊逶豹露终爨蔽毒蘩号蔻壤技零曼爱簸器发了窭采。表1 羧述 了几种酲前魄辕活跃的应用乎不葡瓣络菠潮酶无线宽带瓣技零静参数。 宽带滗线技术褥没标准 黪麓掰终嚣畦重 藏匿频率 u w 88 0 2 镰3 aw p a n 1 1 0 - 4 8 0m b p s最燕3 0 艳e t7 5 g 妇 嚣爵2 硅 豢舞5 4 m b p s 最蒜3 0 0 f e e t g 耙 w 卜舟8 0 2 bw n 嫩两1 1 m b p s 最磁3 0 0 f e e t 2 4 g h z 8 0 2 1 1 9 嫩蕊5 4 m b p s 最舞3 0 0 f e 鞋2 霹g h z 8 0 2 8 巷w 蛄斓 最辫7 5 m b p s 建露毒_ 8 m l 酶ss u b 驰g h z 硝蕊燃 稼0 m h z b w ) 8 娃2 1 6 e m o b i l e 最燕3 0 m b p s 遁常 or a g e s 2 苍g h 葺 w 黼( 1 0 m h z b w ) w c d m n u m t s 艘尚2 m b p s 1 8 0 0 1 9 0 0 ，2 1 0 0 通常1 - 5 m i l e s m h z w c d m nh s d p a 蔗离糖m b p 嚣鹌撑嫱辩 4 0 0 ，瓣建截站， c d m h 2 0 0 i t t lx爨巍2 4 撇 建霉l m 酶s1 7 0 0 ，1 8 0 0 。1 9 0 0 ， e v - d 0隧常3 0 0 - 6 0 0 k b p $ ) 2 1 0 0 m h z 媾 复日大学丁学硕十学位论文 其中3 g 移动网技术和无线局域网技术是目前最热门的两大技术，作为实现 移动计算网络的两种技术，它们代表着移动通信技术和无线i p 技术的融合，顺 应了高速、宽带化的趋势，能为移动终端或者移动主机提供力便、快速、高速 的互联网接入业务，因而近几年得到了较快的发展。 1 1 1 2 无线局域网和蜂窝移动网的发展 蜂窝移动通信技术经历了第一代的f d m a 模拟通信、第二代t d m a 数字通 信，目前已经发展到了第三代宽带数字通信。表2 给出了从第一代到预期的第 四代移动通信系统的基本技术参数。 技木参数第一代第二代第三代第四代 使用频率 4 0 0 8 0 0 m h z8 0 0 9 0 0 m h z2 0 0 0 0 m h z3 0 0 0 5 0 0 0 m h z 3 0 k b * t l s ( p o m t 03 4 12 5 m b l t s5 m b l t l s1 0 、2 0 m b l t s 频宽 f r e q u e n c y )( n a r r o wb a n d )( w l d e b a n d )( b r o a db a n d ) 调制方式 p mg m s km a r r a y q p s k o a mm p s k 多址技术f d 哺ag d m a 、c d m ac d m ac d l l a + t d m a 蜂窝覆盖能力大区中区小区微小区 业务语音语音妞消息语音多媒体多媒体 核心网络 电信交换网电信交换网电信交换嘲 i p 网 通信( 包括卫星通 功能地面通信地面地面通信定位 信) 定位控制、管理 基本技木特征模拟信号处理技术数字信号处理技木智能信号处理技术多功能综合技术 t a b2 第一至第四代移功埴佰的技术爹彀 第三代移动通信技术主要基于c d m a 技术，这种系统频率规划简单、系统容 量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、支持软容量、软切换。 全球的3 g 技术分为三大技术阵营： 夺由3 g p p 组织负责的w c d m a ( w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，宽带码分多址) ，主要在欧洲和日本市场使用；这是基于g s m 网发展出来的3 g 技术规范，该标准提出g s m ( 2 g ) 一g p r s e g p r s w c d m a ( 3 g ) 一h s d p a h s u p a 的演进策略 夺由3 g p p 2 组织负责的c d m a 2 0 0 0 ，主要在韩国、美国有比较广泛的应 用；它是由窄带c d m a ( c d m ai s 9 5 ) 技术发展而来的宽带c d m a 技术，该 标准提出 c d m a i s 9 5 ( 2 g ) 一c d 姒2 0 0 0 l x c d 姒2 0 0 0 1 x e v d o ( 3 g ) 一 c d m a 2 0 0 0 i x e v d v 的演进策略 夺有我国自主知识产权的t d s c d m a ( t i m ed l v i s l o n s y n c h r o n o u sc d m a ) 三种技术的发展进程如图2 所示，黄色框中协议是基于c d m a 技术的 f i g2 二种主流3 g 技小帅发艟仂栏 目前，3 g 协议的开发已大致完成并已在某些国家投入商用，它支持静止 2 m b p s ，慢速移动3 8 4 k b p s ，高速移动中1 4 4 k b p s 的全球宽带无线接入，是面向 多媒体业务的通信系统，可以提供高质量的图像和视频通信，从而成为理想的 广域网移动视频业务的承载技术。 与此同时，作为有线i p 网的扩展延伸出来的无线局域网，由于其空中接口 带宽高，建设成本低，使用频段免费等特点，在全球范围内如火如荼的发展起 来，仅在2 0 0 6 年1 月，w i f i 热点( h o t s p o t ) 的数量增长了超过1 0 0 ，0 0 0 个，比 2 0 0 5 年提高了8 7 。 w l a n 标准主要由i e e e 制定的8 0 2 1 1 系列组成，包括主要协议8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 l a ，8 0 2 1 1 9 和即将发布的8 0 2 1 i n 以及一些为了满足q o s ，安全性等要求 衍生的扩展协议如8 0 2 1 l e ，8 0 2 1 1 1 等，8 0 2 1 1 族的协议及其概述表3 所示： 协议名称 概述 8 0 2 l l a 丁作在5 g h z 频带，速车5 4 m b l f f s ，o f d m 8 0 2 1 l b 业界标准一作在24 g h z 频段，速车1 1 m b l t s ，直接序列扩频( b a r k e r 码，c c k ) 8 0 2 1 l g 8 0 2i l b 的继任者，工作在24 g h z 频段，o f d m ，高至5 4 m b w s 的数据传输率 8 0 2 1 l n 提供不低于1 0 0 m b p s 最高3 2 0 m b p s 的高速空中接1 5 1 ，m i m o o f d m 定义了无线局域网的服务质量( q o s ) ，增强8 0 21 1 m a c 机制，提供q o s 服务 8 0 2 1 1 e 类别、增强安全和认证机制，增加e d c f 和h c f 机制 定义了一套称为l a p p ( i n t e r - a c c e s sp o i n tp r o t o c 0 1 ) 的协议，以实现不同供应商的 8 0 2 1 l f 接入点a p 问的互操作性。 8 0 2 1 1 h 对8 0 2i l a 的补充，使其符合关于5 g h z 无线局域网的欧洲规范 8 0 2 l l i 无线安全标准，增强的安全和认证机制 8 0 2 1 1 j 日本所采用的等同于8 0 2i i h 的协议 8 0 2 1 l k 定义无线资源管理，向高层提供无线和网络删晕接口 8 0 2 1 l s 研究8 0 21 1 分布式系统( w d s ) 的白纽网协议 8 0 2 l l u 研究和其他外部网络且近的机制 8 0 2 1 l r 研究a p 之间快速切换的机制( f a s tr a o m m g ) 复旦大学工学硕士学位论文 由于w l a n 是从基于“尽力而为”的数据通信网络发展起来的，最初协议的 m a c 层机制并不适合多媒体传输。为了充分利用w l a n 的高带宽来承载越来越丰 富多彩的无线多媒体业务，i e e e 于2 0 0 5 年1 0 月批准了8 0 2 1 l e ( 表中高亮部 分) ，它定义了无线局域网q o s ，包含一系列的技术以对流量进行优化排序， 防止数据包发生冲撞和延迟。这些技术将有效改善用户在使用v o l p 和观看无线 视频时的体验。 虽然3 g 和w l a n 都提供了对宽带无线网络移动视频的支持，但两者当前 在单独应用时都存在着技术与应用的不足，进而影响到其整体应用的普及。因 此为了实现无线资源的最优化应用，为高速宽带移动视频业务提供更好的网络 基础平台，有必要实现w l a n 和3 g 网整合。 1 i 1 3 无线局域网和蜂窝移动网的融合 w l a n 能够提供高达1 1 m 宽带数据服务，可满足用户对多媒体这样的高数 据传输的要求，并且安装灵活快捷，具有良好的性价比。但w l a n 通常只覆盖 几十米到几百米的区域，仅限于热点地区和室内的覆盖。它不提供对终端的鉴 权和计费，也不提供对用户的接入服务和管理。而且w l a n 的可移动性比较 弱，比较适用于中慢速移动的情况。 反观3 g 网络，它覆盖范围广可以实现全球性的移动接入。由于具备成熟和 完善的鉴权和计费机制，在安全性能方面也更胜一筹。此外，即使在高速移动 情况下也能保证1 4 4 k b p s 的数据速率。但在局域网区域内( 如：热点或建筑 内) 跟w l a n1 1 m 的带宽相比，3 g 网为终端用户提供高速接入服务的能力仍有 限。3 g 接入网数据业务高昂的价格也是其推广中的致命弱点。 因此将移动网和无线网技术在移动通信技术发展中局部融合，各自发挥优 势、扬长避短，实现以下几个方面的优化： 夺语音和视频服务内容的优化 3 g 技术可以应用于满足大话务量、多用户数的单点通信业务，而基于i p 技 术的w l a n 网络更适合丌展广播式的语音视频业务( p t t 、多方会议、长途 通话、广告发布等) 。 夺覆盖区域的优化 3 g 技术覆盖范围大、且快速移动性较好，适合应用于高速移动的场合的通 信业务。而w l a n 技术在局域网范围内满足用户高速数据传输的需求具有 绝对优势。 复日人学t 学硕十学位论文 夺无线信道资源的利用的优化 3 g 分配的频率资源是有限的，而多媒体数据业务对信道的占用率极高，影 响其同时接入的语音用户数量。如果规划特定区域( 比如商业中心人群密集 区或企业建筑) 内把高信道占用卒的业务转移到w i f i 的公共数据通道无疑将 大大提高3 g 无线网络资源利用率，缓解移动网所面对的数据压力。 作为3 g + w l a n 服务的用户，可以利用3 g 提供广域移动性，w l a n 提供热点 地区高速业务。在发有w l a n 热点覆盖的地区使用3 g 接入无线资源网：在进入 w l a n 热点区域后，系统会根据一定的最优策略选择是否将网络自动、无缝地转 换为w l a n 接入方式，在不影响应用持续性的同时，大为提升整合系统可以使用 的网络带宽，同时获得更好的服务质量。 可以预见，未来无线通信领域的发展趋势是多种无线接入网络的融合。下 一代的4 g 通信系统将是一个无所不在的集成式宽带无线网，可以实现不同使用 距离，不同宽带无线接入技术( 移动网、城域网、局域网、蓝牙、广播、电视 卫星通信) 间的无缝衔接并相互兼容。具有更高的数据率和频谱利用率，更高 的安全性、智能性和灵活性，更高的传输质量和服质量( q o s ) 。 1 1 2 无线网络移动视频的q o s 1 1 2 1 视频的q o s 参数 对于q o s 这个概念，不同的标准组织给出了不同的界定，而在不同层面的 q o s 也大相径庭p - 2 1 。本文中所讨论的q o s 指根据用户需要的服务质量参数导出 的一系列网络性能的参数。与多媒体应用休戚相关的q o s 参数主要有以下几点： 夺吞吐量或带宽 吞吐量即每秒网络所能传输的数掘量，也q 比特率或带宽。一定编码的视 频信号需要一定的带宽以保证信息的正常传输，带宽越宽就能允许更多的 数据传输，从而会提供更高品质的音视频。一般多媒体信号要求的传输带 宽比普通数据通信要高。表4 给出了一些视频编码和其所需的带宽参数： 视频编码带宽 未n 缩h d t v 1 5 g b p s h d t v3 6 0m b o s 杯准分辨车屯伽( s d t v ) 2 7 0m b p s 压嘀的m p e g 24 ：4 ：4 2 5 6 0m b p s 广播质量h d i - v ( m p e g2 ) 1 9 4m b p s m p e g11 5m b p s m p e g2s d t v6m b p s m p e g45k b p s 一4m b p s h 3 2 3 ( h 2 6 3 ) 2 8k b p s 一1m b p s t a b4 视频编码及其所需带宽 一6 复旦大学工学硕 学位论文 夺延迟或时延 数据在源和目的地之间的通信系统中传播，每经过一个中间环节会带来一 定时延，这个延迟可能是由于硬件( 如：硬件编码，传输延迟等) 引起的 固定时延也可能是由于网络采取的某些保护策略( 如：队列，重传等) 引 起的可变时延。由于人的视听感知特性，人们对实时多媒体传输的时延有 一定的忍耐限度。 夺抖动 在数据通信网络中，会将原本连续的语音和视频信号分组传播。由于分组 传输的路径不同，造成每个路径长短和数据的流量各不相同，同一个多媒 体内容中不同分组到达目的地的所需的时间就有所不同，在用户进行音频 和视频的回放的时候就会变得时断时续，形成抖动。对于实时的多媒体业 务而言，过大的抖动将造成业务的不可用性。 夺丢包率和误码率 虽然和一些要求严格精确的数据传输业务相比，多媒体业务对于误码率和 丢包的要求不太严格，但由于多媒体业务对于时延的敏感性，一般不进行 “尽力而为”的服务，不会进行重传。当误码卒和丢包率超过一定范围 时，就将造成如视频图像出现马赛克等用户服务质量的急速下降的现象。 1 1 2 2 无线网络的特点 无线和移动网络环境很复杂，有很多独特的特点： 首先，无线网络的频谱和功率资源严格受限，使得实时多媒体业务的实现 面临挑战。同时无线信道的低带宽和高误码特性，也使得某些上层的协议如 t c p 等在无线链路的环境下效率低下，并导致吞吐量恶化。因此，高效地利用 无线资源、减小开销、提高系统容量，是无线多媒体网面临的主要问题之一。 其次，无线传输的开放性导致信号的哀落与干扰，如多径哀落，多普勒频 移，阴影效应，远近效应等，从而导致无线信道的有效带宽系统容量并不是常 数，而是随时间而动态变化的。系统容量和业务速率、误码率、时延、抖动等 q o s 要求密切相关。为了维持系统的稳定、保证已存在业务的q o s ，必须采取适 当的无线资源测量方法，然后对无线资源实施相应的控制。 第三，无线信道的特性和终端的地理位置分布相关，信道特性相差很大。 由于信道的时变特性以及发射接收功率的不同，处于小区不同位置的用户具有 不同的信道特性，无线信道还具有位变的特性。通常距离基站近的终端信道条 件好，距离基站远的终端信道题条件差，远近终端的业务要达到相同的q o s 必 须付出不同的代价。 复日大学丁学硕士学位论文 第四，无线网络的终端时常同时处于多个无线网络资源的覆盖区域内( 不 同级别的w l a n 或蜂窝移动网+ w l a n 等) ，这就需要一定的策略该终端如何和何 时接入何种无线资源网已达到最佳的网络利用和应用效果。 最后，在无线多媒体网络中，终端允许移动。移动带来了漫游和切换问 题，这是有线网络中没有的。此外，终端移动导致信道特性变化，使得无线链 路的q o s 随之变化，必须采取适当的措施来维持链路性能。 1 1 2 3 移动视频q o s 的架构 由以上两小节的分析可以看出，由于移动视频对带宽、时延、抖动、误码 率等比较严格的要求和复杂不稳定的无线网络特性，实现无线网上移动多媒体 高品质的传输，光依靠w l a n 、3 g 等先进的宽带移动无线网络接入技术本身 是不够的。需要在o s i 网络模型的各个层面上采取相应的措施 3 - 7 1 对于物理层，主要是通过降低误码率来提高信道容量，如信道编码、调 制、交织技术等。 链路层则侧重于无线资源的管理与利用，包括无线媒体接入控s j j ( m a c ) 协 议、无线连接的呼叫接纳控n ( c a c ) 及功率控制、无线连接的调度等。 网络层则主要是通过本地重传、路由优化等提供q o s 保证，具体有无线 t c p 、快速无缝的越区切换、动态路由和带宽分配等。 传输、会话和应用层主要通过流量整形、数据规划、队列、反馈调整、差 错控制等应用层程序来提供进一步的保护。 表5 给出了系统架构不同模块中采用的保证移动视频q o s 的一些方法，本 文的研究内容主要集中在通信子系统和网络部分的q o s 保障。 性能参数 系统构架 资源 奋吐晕时延扫动可靠性可行性 音频，视频 压缩，弹陛带宽 多媒体内容速率控制，分层视频抗误码编码 图像，文本 f g s ( 细粒度伸缩陛) 处理器排序 操作系统 存储器硬盘 存僻管理 接纳控制 资源预留 数据复制 协议功能流控制同步协议差错控制缓存和预取 通信子系统 速率控制递推 阻塞控制 系统功能协议计时器，协议内存管理 流量整形，管理计费 网络 带宽 队列和排序，拥塞控制误码控制无连接多径 q o s 路由选择 复旦丈学- 学颂j 学位论文 1 1 3 本文的工作 本文基于对无线网络融合下移动视频业务特点的分析，着重针对耦合网络 无线资源的整体性以及异构网间差异大，波动性的特点，分别提出p h y + m a c 层和p + 传输应用层的改进或解决方案，在o s i 网络模型的不同层次，克服不 利环境因素，最大限度调度无线资源，共同满足移动视频业务的q o s 。 主要完成如下有创新性的工作： 1 根据3 g 和w l a n 无线接入网p h y ，m a c 层中对于移动多媒体业务的 q o s 制约，整体考虑了融合后网络耦合的状态，动作，概率和收益空 间，改进和完善了简单w l a n 3 g 融合无线网络系统联合会话接纳问题最 优解的半马尔可夫决策过程建模。 2 利用线性规划法实现了对最优联合会话接纳策略的求解。提出使用强化学 习算法求解最优s m d p ( s e m tm a r k o vd e c i s s i o np r o c e s s ) 策略，设计并实现 了q l e a m i n g 算法的仿真模型。利用得到的模拟结果，对提出的联合会 话接纳方案的性能加以分析和评估。 3 分析解决无线融合的异构接入网上移动视频传输的q o s 保障时，网络异 构性，波动性，时延敏感性等几个关键问题，针对这些问题通过理论建模 和分析，分别设计了闭环反馈自适应和在线网络流量预测自适应模块。 4 依据理论建立的模块，修改了开源软件，并搭建实际网络环境，实现了一 个支持融合的无线网络应用级q o s 保障的移动视频传输系统，利用实验 结果，对前文的理论论证和设计进行了验证。 塞! 奎兰三茎竺圭兰堡丝圣 4 6 7 本章参考文献 、配c h a r d y , q o sm e a s i l i | e m e ma n de v a l u a t i o no f t e l e c o m m u n i c a t i o n sq u a l i t yo f s e r v i c e 。j o h nw i l e y & s o n s ，l t d ，2 0 0 1 i t u - tr e c e 8 0 0t e r m sa n dd e f i m t l o nr e l a t e dt oq u a l i t yo fs e r v i c ea n dn e t w o r k p e r f o r m a n c ei n c l u d m gd e p e n d a b i l i t y1 9 9 4 a i - n u m a yws ，r a d h a k n s h n a ns ，t a oz h e n g ，s e k h a r a nc n i n t e r a c u o no f w t r e l e s st c ps c h e m e sa n dr e r o u t l n g ：a n a l y t i c a lm o d e l sa n ds u n u l a t i o n p r o c e e d i n g s 2 3 r di n t e m a t l o n a lc o n f e r e n c eo nd l s t r i b u t e dc o m p u t i n gs y s t e m s w o r k s h o p s 2 0 0 3 ：8 8 3 8 8 9 s u k u ny o o n ，j l - h o o nl e e ，k i s u nl e e ，e ta lq o ss u p p o r ti nm o b i l e w l r e l e s s i dn e t w o r k su s t a gd 1 f i e r e n t i a t e ds e r v i c e sa n df a s th a n d o f fm e t h o d i e e e w b r i dc o m p u t e rn e t w o r kc o n f e r e n c e2 0 0 0 2 0 0 0p p 2 6 6 - 2 7 0 i - w e l 、u w e n s h i u n gc h e n h o e nl l a o as e a m l e s sh a n d o f fa p p r o a c ho f m o b l l ei dp r o t o c o lf o rm o b i l ew l r e l e s sd a t an e t w o r k s i e e et r a n s a c t i o n so n c o n s u m e re l e c t r o n i c s 2 0 0 2 n o 2 ，、，0 1 4 8 ，p p3 3 5 3 4 4 l ug u o y i n g ，z h a n gs u b i n g ，l i uz e m m d i s t r i b u t e dd y n a m i cr o u t i n gu s i n ga n t a l g o r i t h mf o rt e l e c o m m u m c a t m nn e t w o r k s w c c i c c t2 0 0 0 2 0 0 0 2 ：1 6 0 7 1 6 1 2 p a n gl e a n gh l e w , z u k e r m a nme f f i c i e n c yc o m p a r i s o no fc h a n n e la l l o c a t i o n s c h e m e sf o rd l g l t a lt e c h n o l o g y , m o b d ec o m m u n l c a t i o nn e t w o r k s i e e e t r a n s a c t i o n so nv e h i c u l a r2 0 0 0 ，n o 3 ，、b 1 4 9 ，2 0 0 0 ，p p 7 2 7 7 3 3 1 0 叠 复日大学t 学硕七学位论文 第2 章联合会话接纳控制方案及其最优策略求解 2 1 引言 自由是人类向往的终极目标，移动通信为我们展示了随时随地沟通的方 便，w l a n 则让我们的p c 远离了布线困扰，人们越来越多地体验到了摆脱空 间束缚所带来的自由快感。正如第一章所述，以u m t s 为代表的3 0 移动通信 和8 0 2 1 l 系列为主的w l a n 技术各有优势，有很强的互补性。特别是移动视 频业务等新兴的无线数据业务的迅猛发展，对无线和移动网络的空中接口技术 提出了很大的挑战，人们希望能随时随地，高质流畅，优化性价比的体验无线 移动视频。因此，为了追求更好的无线服务质量，将两种技术整合起来形成一 个融合的无线资源网来提供移动视频业务有很诱人的前景。 然而对于异构的接入网络来说，各个层次都存在网络间的差异，网络融合 必须在各个层次解决网络差异性问题。虽然在w l a n 和3 g 网络融合方面很多 学者已经进行了各类研究【l - 5 】，但以往的研究主要关注为了支持漫游和切换所需 的网络架构和管理机制等，对于如何根据系统整体q o s 的制约，最优化的利用 整合后的无线资源，在w l a n 3 g 融合系统物理和链路层上实现联合接纳控制 ( j a c ，j o i n t a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 的研究很少。 本章着重讨论物理和链路层上保障融合的无线接入网上移动视频业务接入 级q o s 的问题，主要研究如何建立融合无线网的j a c 模型以及如何得到最优化 j a c 方案。 2 2w l a n 3 g 系统互联 从3 g p p 的r 6 开始就成立了相应组研究u m t s 和w l a n 互通的问题，研 究互通隋况下的集中认证、集中计费、漫游终端移动性以及业务的移动性等技 术，旨在促进w l a n 和u m t s 互联互通的标准化。 针对w l a n 与3 g p p 系统互通的不同需求，3 g p p 目前定义了6 种情景【6 】， 提出了从满足简单互连到完全无缝互通的系统间操作的多种需求方案。表6 是 对六种互通隋况及其比较 复巨大学工学硕i 学位论文 统 i 髓和w a n 接入 w j a n 接，。 廿务敛忖尢缍的分组 w f a n 接入 业务运行能力3 ( 删络分纽 3 g 刚络i n 路 瑚户爵艘托制和计爨扉】j i 够摊域业务训换 域业务 域业务 公共计费 v ， 公共客户支持 ， 基于3 g p p 系统 的接入控制 基于3 g p p 系统 的接入计费 从w l a n 接入 3 g p pp s 业务 业务连续 连续无缝业务 访问3 gc s 业 务和无缝切换 t a b63 g p p 制订的六种w l a n 3 g 互】匝模式和功能比较 同时，欧洲的e t s i 也推出了w l a n 和3 g 的两种互联模式，分别是松耦 合和紧耦合模式，如图3 所示 松耦合 f i g3 两种w l a n 3 g 耦台模式 在紧耦合模式下，w l a n 作为第三代移动通信网络的一个组成部分，通过 无线局域网网关与分组无线业务支持服务接点( s g s n g g s n ) 相连，w l a n 的数据需经过u m t s 核心网转发，使用其移动性管理并按u m t s 方式进行 a a a ( a u t h e n t i c a t l o n ，a u t h o n z a t o n ，a c c o u n t i n g ) ，从而实现无线局域网与第三代 移动通信网络的互通。相当于3 g p p r 7 中的第三种场景。 在松耦合模式下，w l a n 是作为g p r s 网络的一个补充，它只利用g p r s 网络的用户数据库，而与g p r s 的核心网络没有接口。w l a n 作为一个独立的 网络连接到i p 网络，实现与u m t s 的互通，w l a n 网络对等于u m t s 网络， w l a n 的路由器可看作是一个g g s n 。这相当于r 7 中的第二种场景。 虽然紧耦合方式能提供w l a n 和3 g 网络统一的认证，接入切换，管理 等，但由于其实施过程中的困难，需要运营商和设备商等协作，可能要经过较 长的时间才能实现