（系统工程专业论文）交互式多媒体系统面向用户的QoS管理.pdf

摘要 随着人类对多媒体信息传递需求的日益增长，多媒体技术与有线 和芜线电话、有线电视、广播系统、微波和卫星通信、广域计算机网络 等各种通信技术相结合。将发展成为多媒体通信这种边缘技术。由于多 媒体技术的介入，使原来泾渭分明的各个通信领域逐渐相互溶合。传统 的电话将发展成可视电话，传统的广播型电视通信发展成为视频点播系 统、数字多媒体信息通过宽带数据网络以统一的方式高效传送。可以认 为，多媒体通信将成为二十一世纪新兴的一种基本通信方式。0 。， 一， 多媒体通信对于当前的宽带网络技术和计算技术提出了新的挑 战，其中最迫切的问题之一便是如何进行系统资源管理以提供向用户承 诺的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 。多媒体应用的处理对象是具有连续 特征的媒体数据，因而对于q o s 管理具有特殊要求。同时，对于多媒 体业务的提供者来说，在对用户提供q o s 保障的条件下，如何提高系 统收益具有重要意义。 本文以交互式视频点播为背景，对面向用户的q o s 管理的建模， 量化方法进行了研究，并利用所建立的系统优化模型对三种不同的用户 接入与资源分配策略进行了模拟。 关键词：q o s 管理交互式多媒体业务视频点播 用户接必控制 资源管理 a b s t r a c t t h ei n c r e a s i n gd e m a n df o rt h em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n m a k e st h em u l t i m e d i at e c h n o l o g y , w i r e da n dw i r e l e s st e l e p h o n e ，c a t v , b r o a d c a s t i n gs y s t e m , m i c r o w a v e & s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n ，a n d l o c a l & w i d ea r e an e t w o r kt e c h n o l o g ym e r g ew i t he a c ho t h e r , a n dt h ei n f u s i o no f t h e s e o d g i n a l l y i s o l a t e dr e s e a r c hd o m a i n sw i l le v o l v ei n t oa m a r g i n a l t e c h n o l o g y - - m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ，b e c a u s eo f t h ei n t e r v e n t i o no f t h em u l t i m e d i a t e c h n o l o g y , t h e b o u n d a r i e sb e t w e e nt h e s e p a r a t e c o m m u n i c a t i o nc a t e g o r i e sa r eb l u r r e d ：t h ec o n v e n t i o n a l t e l e p h o n e s w i l l d e v e l o pi n t ov i s u a lt e l e p h o n e s ，t h eb r o a d c a s t b a s e dt e l e v i s i o ns y s t e mw i l l b o a s tn e wf e a t u r e ss u c ha sv i d e oo nd e m a n d ，a n dt h ed i g i t a lm u l t i m e d i a i n f o r m a t i o nw i l lb et r a n s m i t t e d t h r o u g h a n i n t e g r a t e d b r o a d b a n dd a t a t r a n s p o r t i n g n e t w o r k s i tc a nb ef o r e s e e nt h a tt h em u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o nw i l lb e c o m eo n eo ft h eb a s i cc o m m u n i c a t i o nw a y si nt h e 2 1 “c e n t u r y m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nh a s w a g e d n e w c h a l l e n g e s f o r t h e s t a t e - o f - t h e - - a r tb r o a d b a n d n e t w o r k i n ga n dc o m p u t i n gt e c h n o l o g y , o n e o f t h e m o s te m i n e n ti sh o wt om a n a g es y s t e mr e s o u r c e st op r o v i d eg u a r a n t e e d q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) t ou s e r s t h ep r o c e s s i n go b j e c t so fm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n s a r et h ec o n t i n u o u sm e d i ad a t a , t h u s t h e y h a v e p e c u l i a r r e q u i r e m e n t sf o rt h eq o sm a n a g e m e n t a tt h es a m et i m e ，i ti so f e x t r e m e i m p o r t a n c e f o rt h em u l t i m e d i as e r v i c e p r o v i d e r t o e x p l o i t t h e s y s t e m r e s o u r c e st ot h ef u l lu n d e rt h ec o n d i t i o no f p r o v i d i n gu s e r sw i t hg u a r a n t e e d q o s t h i s p a p e r d i s c u s s e dt h e m o d e l i n g a n d i m p l e m e n t a t i o n o ft h e u s e r - o r i e n t e d q o su n d e r t h e b a c k g r o u n d o ft h ei n t e r a c t i v ev i d e oo n d e m a n d s y s t e m ，a n d s i m u l a t e d e x t e n s i v e l y t h e p e r f o r m a n c e o ft h r e e a d m i s s i o nc o n t r o l & r e s o u r c e m a n a g e m e n ta l g o r i t h m s w i t ht h e c o n s t r u c t e dq o sm o d e l k e y w o r d s ：q o sm a n a g e m e n t i n t e r a c t i v em u l t i m e d i as e r v i c e s i v o da d m i s s i o nc o n t r o lr e s o u r c em a n a g e m e n t 萨 3 9 6 3 致谢 首先对我敬爱的父亲、母亲致以最深切的谢意。在多年的求学生 涯中他们始终给我前进的动力和勇气，我的每一点进步都凝聚着他们无 微不至的关怀和鼓励。希望他们永远健康、快乐。 在北方交通大学自动化所和网络管理研究中心攻读硕士学位的三 年间，得到了导师刘峰副教授的悉心指导。不论是在学术方面还是在接 触社会方面刘蜂老师的教诲都令我获益非浅，刘老师对新技术发展方向 的敏锐洞察和对工程项目严密的组织能力都将是我在以后的学习工作 中努力学习的榜样。 在交大七年求学过程中，得到了许多老师的教导和帮助。特别是 计算机科学与工：程系的罗四维教授、须德教授在人工神经网络、计算机 体系结构、算法复杂度理论、操作系统方面给予了亲切的指导：运输管 理工程系的杨浩教授在模型与算法方面令我获益良多；通信与控制工程 系吴湘淇教授在我对数字信号处理理论的学习过程中和对我向通信领 域发展的想法给予了很多鼓励。 在论文写作过程中，得到了p r o f r o g e r w a i n w r i g h t ( u n i v o f t u l s a , u s ) ，p r o f j eb e a s l e y ( i m p e r i a lc o l l e g e , u k ) 和d r j e n sg o t t l i e b ( t e c h n i c a lu n i v o fc l a u s t h a l g e r m a n y ) 在关于用遗传算法解决m d k p 问题上提供的帮助；p r o f g e o f f c o u l s o n ( u n i vo f l a n c a s t e r , u k ) 在 支持q o s 的中间件体系方面给予了帮助，并提供了g o p i 体系的源代 码供分析；北方交通大学信息技术研究所的陆俊同学在m p e g 编解码 方面给予了热情的帮助，在此一并向他们表示诚挚的感谢l 第一章交互式视频点播概述 1 1 概述 宽带网络技术、计算机技术、图像处理技术的飞速发展使视频点播 ( v i d e oo nd e m a n d ) 这一分布式多媒体业务得到产业界和学术界越来 越广泛的关注 1 】 2 】。 按实现的交互程度区分，v o d 可分为两种类型： 交互式视频点播( i v o d ) ：在用户与服务提供者之间提供信息双向交 换的手段，为每一用户分别打开一个视频流，并提供完全的交互性与 v c r 控制。需要点播何种节目是由用户通过网络窄带上行信道发出相 关的信令信息到服务网关( 数据库) 进行控制，点播到所需节目后，由 服务网关通知视频服务器( v i d e os e v e r ) 将其选中的节目通过宽带下行 信道发送给用户的终端设备( 机顶盒) ，解码后供用户观看。其间，用 户借助应用软件还可通过控制信道对节目的播放进程进行干预( 快进、 倒带、暂停、搜索) 等操作。因此对于该种业务将由上行信道( 窄带信 道) 及下行信道( 宽带信道) 来运营，控制信令与视频流数据的传递构 成了双向交换。 准视频点播( n v o d ) ：以较短而规则的间隔以多点广播的方式生成同 一节目的多个视频流，在一般时间内，用户借助节目的正向和反向跳转 在不同的视频流间切换以实现v c r 功能。这种方式本质上基于传统的 广播型业务，因而具有广播业务高效率、低成本的特点，但与用户的交 互程度较差，其应用范围也受到局限。 初期v o d 业务的考虑，仅局限于点播影视、新闻、体育节目等内容。 随着许多国家实验性v o d 系统的开通，以及用户对广泛应用的需求， v o d 运营者已将v o d 业务范围扩大到包括家庭购物、远程教学、远程 医疗等服务项目。可以预见，v o d 业务将是未来多媒体通信的一个重要 北方交通大学硕士学位论文 交互式多媒体系统面向用户的q o s 管理 应用领域。考虑到i v o d 型业务具有更加广阔的前景，本文仅针对此类 应用进行考虑。 1 2 系统参考结构 广域网上的i v o d 业务主要是建立在a t m 网络的基础上来开放的一 种宽带业务( 速率1 5 m b s 8 m b l s ) ，通过网络的交换逻辑及业务逻辑 来实现业务运营。其参考结构如图1l 所示。 用户童内设鲁 芋勰，i 薪同囤 嘧e 】 l 弛l i ( m l i j 网络磐 月络曹夏莱喜毫 i t r ) 图中各元素的功能如下 图lli v o d 系统参考结构 1 2 1 用户室内设备( c p e ) 功能 用于v o d 的c p e 功能主要包括机顶盒( s t b ) 功能和终端设备( t e ) 功能。 s t b ：完成视频信号的解调、解复用、解码( m p e g ) 工作，并向 用户提供多种形式的图形用户接口供用户选择服务。 t e ：在家庭应用环境下可能是一台电视机或其它终端设备如工作 站，p c 机等。 2 北方交通大学硕士学位论文 交互式多媒体系统面向用户的q o s 管理 1 2 2 接入网功能 通常接入网是指从用户住宅到a t m 核心网域交换局之间的传输网 络，接入网功能支持物理互连和视频流信息的传输( 1 5 m b s 8 m b s ) ， 同时也支持信令和交互数据以及c p e 与a t m 核心网( a t m 交换节点) 之间控制比特流的传递。可供选择的接入网传输介质有如下几种： u t p ( 无屏蔽双绞铜线) ，采用h d s l a d s l 调制技术 同轴电缆( 现有的c a t v 网) ，应增加上行信道。上行信道可由 分离网络如n i s d n ( 窄带综合业务数字网) ，p s t n ( 公共交换电话网) 来提供。 i - i f c ( 光纤、同轴混合) 采用a t m 的宽带无源光网络( b p o n ) 点点的光纤接入网。 1 2 3 a t m 主干网功能 a t m 网络对信道采用统计复用的方式，网络对于用户单位时间内注 入的信元数，只要不超过业务接入时协商定的参数时是不加以限制的， 终端产生的数据比特流可以是连续的或突发式的，也可以适应于各种宽 带业务及原有的窄带业务，这对在该网上运营可变比特率( v b r ) 的图 像通信业务是非常有利的。i v o d 系统a t m 主干网的功能是提供i v o d 业务的交换功能，以及为i v o d 用户提供必需的传递信号的带宽，且该 带宽是随信息速率而灵活配置的带宽。 1 2 4 服务运营中心功能： 为用户提供网关服务( 业务) 选择，确定对多种多媒体业务类型， 诸如远程购物、远程医疗、视频点播、网络游戏等业务的选择。不同的 业务分别由不同的服务供应者提供，而均在a t m 主干网上传输和交换。 北方交通大学硕士学位论文套旦式垒塑堡墨竺耍塑旦生塑旦堕竺望 1 2 5 服务网关功能： 为i v o d 系统提供用户会话控制，使其通过选定的服务提供者接入到视 频服务器，同时可进行影片源管理、用户管理、计费管理等。服务网关 既可被设计为独立的网元也可与视频服务器集成到一起。 1 2 6 视频服务器( v i d e os e v e r ) 功能： i v o d 系统要求视频服务器能够存贮大量的多媒体资料与支持用户 实时点播请求和v c r 控制功能。因此必须采用高容量、高吞吐率、性 能稳定的服务器，较为理想的是采用可扩充的模块化结构，支持多个并 行数据通道，每个数据通道都能支持多个视频流播放线程。同时，由于 视频数据的等时性( i s o c h r o n o u s ) 特征，要求视频服务器产生稳定连续 的输出，因此视频服务器必须有较好的容错性能。 1 3 相关技术支持 多媒体技术多年来一直侧重于终端技术，重点研究o s i 模型的上层 协议，是一种将图形、图像、语言、文本和通用计算机集成为一个具有 人机交互功能和可编程环境的技术。而在电信领域，研究人员则一直致 力于向综合业务数字网( i s d n ) 的发展，重点解决o s i 下层协议，想 用一种单一网络设施提供给语言、图像、数据等多种媒体端到端的数字 连接。i v o d 这种分布式多媒体业务涉及到各种新兴技术如数据压缩技 术、网络技术、接入技术等。 1 3 1 数据压缩技术及相关标准 如果没有数据压缩技术的发展，多媒体计算将难以得到应用。一组 6 4 0 - 4 8 0 分辨率，2 4b i t s p i x e l 的运动图像要以3 0 帧秒的速率播放时， 视频信号传输速率为2 2 0 mb i f f s 。考虑到一般计算机总线传输速率和传 4 ! ! 塑銮望杰学硕士学位论文 交互式多媒体系统面向用户的q o s 管理 输网络的带宽限制，要处理上述视频、音频数据，不进行数据压缩是无 法实现的。 目前，在图像和语音编码方面，已经制定了一些国际标准： j p e g ：高质量静止图像压缩编码，该标准有4 种运行编码模式：d c t 顺序模式( 基本系统) 、d c t 递增模式、无失真编码和分层编码模式。 其核心部分基本系统编码方案为二维d c t 变换，变换系数经自适 应量化后作游程编码和熵编码，相邻子块直流系数作无损d p c m 骗码。 m p e g ：运动图像及其伴音的压缩标准。其中m p e g - 1 标准分为视频、 音频、系统3 部分。视频部分为】5 mb i f f s 活动图像压缩编码算法，其 帧内编码采用了二维d c t 变换，变换系数自适应量化、游程编码、熵 编码和直流系数d p c m 编码等，帧间编码采用运动补偿预测和运动补 偿内插技术。 m p g e 2 标准的视频数据速率为4 1 5 mb i t s ，能提供7 2 0 x 4 8 0 ( n t s c ) 或7 2 0 x 5 7 6 ( p a l ) 分辨率的高质量图像。同时对m p e g 1 系统部分进行了扩充，将码流区分为传输码流和节目码流两类，为 m p e g 视频流的复用与解复用建立了基础【3 】。 l3 2 网络技术 现有的各种通信网络可以在不同程度上支持多媒体通信。公共交换 电话网( p s t n ) 由于信息传输速率低，适合于传输话音，静态图像， 二值文件等。传统的计算机局域网( 以太网、令牌环网、f d d i ) 从本 质上讲不完全适合于交互式多媒体通信，但是，通过增加一些机制后， 如为信息分配优先权或从逻辑上划分带宽后，它们可以胜任i v o d 系统 的传输要求。窄带综合业务数字网( n i s d n ) 采用电路交换方式，其 基本速率接口可以传输音频和可视电话质量的视频信号，其基群速率接 口可以传输会议电视质量的视频信号。不过，由于它具有恒定速率，对 于非连续媒体或突发性数据的传输效率较低。 北方交通大学硕士学位论文交互式多媒体系统面向用户的q o s 管理 最适合用于广域i v o d 系统使用的是未来的宽带综合业务数字网 ( b i s d n ) ，由于采用a t m 技术，能够灵活地传输交换不同类型( 如 视频、语音、文本数据) 、不同速率、不同性质( 突发、连续、离散) 、 不同q o s 要求( 如延时、抖动、误码等) 、不同连接方式( 面向连接、 无连接) 的信息。 1 3 3 接入网技术 接入网( a c c e s sn e t w o r k ) 指用户住宅到主干网交换局之间的传输 网络。i v o d 是一种高速，宽带数据业务，按理从交换局到用户住宅之 间应采用宽带网络，才能将以视频图像为主的数据流传送给用户。然而 长期以来，用户的需求都集中在窄带传输业务上( 电话、广播电视) ， 面对如何提高用户环路的传输能力，促成了以下几种接入网技术的发 展： 光纤到用户( f 1 盯h ) ： f t t h 是交换局至用户住宅问的线路全部采用光纤的接入网技术， 是用户接入网向数字化和宽带化发展的最终方向。但由于目前此方案投 资昂贵，在一定程度上还受限于标准化的进程及光电集成等技术因素， 难以大规模应用实施。 光纤同轴混合网络( h f c ) ： i - i f c 网络是从交换局用光缆连至路边或小区，再采用同轴电缆连至 用户终端，可以说是一种综合模拟和数字技术，光纤和同轴技术的接入 网络 4 】。 h f c 网的频谱安排可高达1 g h z ，其中5 4 5 m h z 为回传通道，可 提供5 0 0 个用户的电话通信和i v o d 上行速率信道，5 0 0 - - 7 0 0 m h z 频段 内传输数字调制的i v o d 下行信号，调制技术可以是6 4 q a m 或1 6 v s b 。 其种频谱分配方案如图1 2 所示。 6 北方交通大学硕士学位论文 交互式多媒体系统面向用户的q o s 管理 图12 h f c 网络带宽分配 在i v o d 应用中，用户回传信息是突发式的短数据，需要迅速地把 这些信息传到视频服务器。虽然这些回传信息占用频带很窄。但是要求 回传延迟非常小，必须以有效的方式安排这种突发的、延迟敏感的数据 传输。 a d s l 技术： a d s l 技术是一种在普通电话双绞线上，采用有效的调制、均衡、 编码技术来提高用户环路传输能力的技术。a d s l 系统中下行数字信道 和上行信道传输速度不相等，特别适用于i v o d 业务，同时也避免了近 端串扰，只需一对铜线就可以实现长距离无中继高速数据传输。a d s l 的核心是高速信道的调制技术，其方案选择包括正交幅度调制( q a m ) ， 无载波调幅调相( c a p ) 以及离散多音频( d m r ) 3 种方式。 总之，这些相关技术的迅速发展与逐渐成熟为i v o d 业务的开展创 造了良好的条件。 1 4 技术标准 i v o d 业务标准主要包括v o d 业务的系统参考配置及其各单元的功 能，以及配置中各单元之间接口的技术标准、v o d 业务通信协议，数据 语法，人机界面等。当前i t u _ t 、i s o 己处于对v o d 标准的制定过程之 中： i t u t 建议1 3 7 5 描述了v o d 业务的系统参考配置，及其中各单 元的功能。 i s o c d 1 1 1 7 2 和i s o c d 1 3 8 1 8 标准制定了v o d 业务图像编码算 7 北方交通大学硕士学位论文交互式多媒体系统面向用户的q o s 管理 法和存储格式， i t u t 制定了v o d 业务的通信协议：d i g i t a ls t o r a g e m e d i a - c o m m a n da n dc o n t r o l ( d s m c c ) 协议。该协议提供一点对多点 通信的多种图像编码方案并进行远程传送的规范。 i v o d 业务的标准化标志着其逐渐成熟起来并走向实用阶段。 北方交通大学硕士学位论文交互式多媒体系统面向用户的q d s 管理 第二章q o s 管理的概念与面向用户的q o s 2 1q o s 管理综述 q o s 可以定义为：分布式系统为达到规定的应用功能所必需的一组 定量和定性化的特征参数【6 】。前文已提及，最适于开展广域i v o d 业务 的网络是b i s d n 网络，其核心是用单一的网络基础设施为多种应用类 型提供传输服务。因此必须为不同的应用类型提供其希望的服务质量。 有三种方案可以实现这个目标： 扩充网络能力，使要求最苛刻的应用，也均得到满足，这种方案 显然会产生大量网络资源浪费，因为各类应用需求的网络资源可能相差 悬殊。 使所有的应用类型均适应当前网络的能力，即网络只提供尽力 ( b e s te f f o r t ) 服务，这对于i v o d 这类对带宽和延迟非常敏感的应用是 不可接受的。 根据应用的需求配置网络服务以满足不同应用类型需求的多样 化。这种方案要求应用说明其服务需求，同时系统限制并发的应用数量 并对用户使用资源情况进行监测和控制。这涉及到资源调度、信令传递、 参数协商等多种机制【5 】。这一领域的研究表明，通过认真选择这些机制 和策略的组合，建立一个针对不同应用类型提供端到端q o s 保证的系 统是完全可能的，但从实验系统转变为现实的大规模应用还面临着许多 复杂的问题。 2 2q o s 管理框架 9 北方交通大学硕士学位论文 交互式多媒体系统面向用户的q o s 管理 2 2 1i s oq o s 框架性规范f 7 】 此框架的主要目的是为开放系统互连( o s i ) 领域的通信提供支持。 i s o q o s 框架抽象地定义了q o s 的术语和概念。为在开放系统协议族中 确定与q o s 相关的对象提供了一个概念模型。在此框架中，q o s 通过 一组特征参量与系统中的对象及对象间信息的交互联系起来。i s oq o s 框架的主要概念包括： q o sr e q u i r e m e n t s 主要通过q o s 管理与维护实体实现； q o sc h a r a e t e r i s t i c s ：代表了基本的q o s 度量； q o sc a t e g o r i e s ：针对特定应用环境的q o s 需求的分类； q o sm a n a g e m e mf u n c t i o n s ：可以以不同的方式组合起来，满足q o s 管理的需求； i s oq o s 框架由两类管理实体组合而成：面向特定层面的和面向整 个系统的。前者的任务是确定对开放系统中特定层的管理策略并对各种 优先关系进行建模以控制本层的操作，q o s 控制的功能便是选择并配置 合适的协议实体来满足特定层的q o s 需求。而面向系统的q o s 管理实 体调节各层协议实体的协作与系统的整体性能，此实体与各层q o s 管 理实体进行交互以提供一个完整的q o s 功能设施。 2 2 2 i n t - s e r v 体系【8 1 互联网工程任务组( 旧r f ) 针对互联网上多媒体应用的q o s 管理定 义了一套较完整的体系。所有网络元素包括路由器、子网及终端系统的 操作系统的行为都由一组服务来描述，每一元素都提供服务定义所规定 的接口。一条端到端数据通路上服务元素的相互链接便构成了端到端 q o s 的表述。i n t - s e r v 定义了三种服务类型：g u a r a n t e e ds e r v i c e ， c o n t r o l l e d - 1 0 a ds e r v i c e ，b e s t e f f o r ts e r v i c e 。i n t s e r v 体系中q o s 控制体 现在两方面： ( 1 ) 传输参数说明( t r a f f i cs p e c i f i c a t i o n ) ：数据流的传输特性如峰值速率， 1 0 实时要求，突发性等； ( 2 1 服务需求说明( s e r v i c er e q u e s ts p e c i f i c a t i o n ) ：表明数据流希望从网 络元素处获得的q o s ，因此其控制功能主要包括： p a c k e ts c h e d u l e r ：使用一组队列与定时器讲行数据包的转发： c l a s s i f i e r s ：将数据包映射到一组q o s 类别中去； a d m i s s i o nc o n t r o l l e r ：实施服务接入控制，决定是否接受特定服务请 求； r e s e r v a t i o np r o t o c o l ：i n t s e r v 定义了r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l 限s v p ) ( 9 】对系统资源进行有效分配。 2 3 面向用户的q o s 管理 由于q o s 管理固有的复杂性，以一种单层结构来描述和处理是不可 能的，根据其描述参数的性质，可将q o s 表示为一层次化的体系结构( 图 2 1 ) 图2 1 层次化o o s 体系结构 面向用户o o s 一系统层o o s 网络层o o s 北方交通丈学硕士学位论文交互式多媒体系统面商用户的o 。s 管理 从2 2 节讨论可以看出，当前对于q o s 管理的规范主要集中于系统 或网络层面，这就造成了网络服务或者仅简单她提供尽力服务 ( b e s t e f f o r t ) ，或者只提供网络层q o s 接口。这些接口参数并不能反 映特定应用的需求，网络层在分配带宽资源时不能综合考虑用户对其分 配策略的敏感程度，导致网络带宽不能有效利用和相对较差的端到端 q o s 。具体到i v o d 系统，当系统带宽资源不足时，系统不会按照用户希 望的方式或降低分配给此用户的带宽，分配给用户带宽的缩减对于决定 用户观看质量的不同质量参数的影响可能是随机的，从而不能保证用户 观看效果受此带宽缩减造成的下降保持在个满意的范围内，可能可用 带宽的轻微变化便会导致用户视频流播放效果的全面恶化。 在图2 1 中各层主要的q o s 参数在不同的多媒体应用类型中的比较 见表2 1 。 应用类型用户可观察到的系统层q o s网络层q o s 参数 q o $ 参数参数 视频帧速率分配的c p u网络类型( i p ，a t m ) 视频分辨率时间a t m 服务类别 i v o d音频取样速率分配的网络 ( c b r ，v b r ，a b r ) 延迟与抖动带宽峰值速率 调度优先级可持续速率 突发度 最大延迟 位错率 视频帧速率 视频分辨率 多媒体协音频取样速率同上同上 同工作( 以上三项均不如 i v o d 要求严格) 延迟与抖动 ( 较i v 0 d 要求严格) 表2 1 不同层面。不同应用类型的q o s 参数 1 2 北方交通大学硕士学位论文交互式多媒体系统面向用户的q o s 管理 近年来，国外学者对q o s 的研究也大都集中在系统层和网络层上 1 0 1 1 l 2 ，同时也对应用层q o s 到系统层和网络层的q o s 映射转换 作了研究 1 3 【4 ，本文便是在这些研究工作的基础上对在i v o d 系统 中提供面向用户的q o s 管理进行探讨。以下在不明确指出是系统层或网 络层q o s 参数的情况下，均指面向用户的q o s 水平。 2 4 系统优化目标 如前所述，用户对系统服务质量的直观感觉并不直接取决于网络层 的一些q o s 参数如峰值速率、位错率、网络服务类型等，而用户主观感 觉到的视频质量受若干作用互补的高层q o s 参数的影响。因此这里引入 两个概念： q o s 互补均衡用户对于服务质量的感受多方面影响，如帧速率、 分辨率、画面大小，抖动程度等，某一方面的改善会弥补其它方面的不 足。因此对于用户来说同一总体q o s 水平可由不同的q o s 参数的组合方 案得到。 资源互补均衡与q o s 均衡类似( 或更恰当地说，是由q o s 均衡 所导致) ，同一总体q o s 水平也可由不同的资源分配方案产生。例如增 加分配给用户视频流和网络带宽可以提高帧速率，而增加终端系统分配 给此视频流的c p u 时间和缓冲区，则可降低图像抖动。两种方案对于用 户来说感觉到的q o s 水平的提高是等效的。 因此在i v o d 系统中服务器方q o s 管理的核心是如何合理地对用户 请求进行接入控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 和资源分配以期在均衡有效 的利用系统资源的同时，尽可能提高用户感受的q o s 水平。 北方交通大学硕士学位论文交互式多媒体系统面向用户的q o 龟笪里 第三章面向用户q o s 的建模与量化 3 1q o s 的规格化表示 从前文的讨论可以看出，影响用户观看到的总体q o s 水平的因素表 示形式极不规则，没有一个统一的量纲。为进行定量化分析与优化，需 要对各种q o s 参数进行规格化的表示。这里将各种参数的不同取值映射 到自然数空间内以获得一个统一的表示形式，i v o d 系统中几个典型的 q o s 参数可进行如下的规格化： 分辨率 1 6 0 1 2 01 9 2 x 1 4 42 4 0 x 1 8 03 2 0 x2 4 03 5 2 x2 8 8 分辨率 l2345 o o s 水平 帧速率 1 52 43 0 ( f s ) 帧速率 l23 o o s 水平 音频质量高质量广播立体声c d 质量立体声 ( 6 4 k )( 2 2 4 k ) 音频 l2 q o s 水平 延时 2 5 02 0 01 5 01 0 05 02 5 ( m s ) 延时相关 123456 q o s 水平 1 4 北方交通大学硕士学位论文交互式多媒螫婆面埋旦皇塑旦堕筻里 在此表示中，o o s 水平值越高，表示用户所得到的视频质量越满意。 但应当指出，不同o o s 参数质量水平的单位差异对用户观看质量的影响 是不同的，每类参数的变化对于o o s 总体水平的影响程度根本上要由用 户来决定。例如对于某一用户帧速率o o s 水平从1 变化到2 其影响要远 大于音频q o s 水平从l 变为2 造成的影响。而对另一对音频质量要求较 高的用户后者的影响又要大于前者的影响。3 3 节将针对此问题进行 进一步讨论。 为表述方便，在此引入以下符号： s ( f = 1 ，2 ”，) 为第i 个视频流 q “= 1 ，2 ，) 为第i 个视频流第类o o s 参数的质量水平集合，为 o o s 参数的分类数。 f q ，= 兀g 为第f 个视频流o o s 水平空间，其中兀运算为笛卡尔积。 j = 1 q 独表示第i 个视频流第个o o s 分类参数的第七种取值 r ，见0 k 为胁种资源总量 = 仉厂1 2 一分配给第，个视频流的肼种资源的数量 “第f 个视频流对用户来说的整体质量水平或效用 现在可以用一种更精确的方式来表述q o s 互补均衡和资源互补均衡 的概念： q o s 互补均衡就意味着多个9 可能映射到同一u 上，而资源互补均 衡意味着，与9 之间也不是一一对应的关系。某一，可能与多个9 相 对应( 资源被第，个视频流用于改善不同的q o s 参数) ，某一9 也可能 与多个，f 对应( 同一质量水平可由不同的资源分配方案得到) 。 在i v o d 系统中，o o s 互补均衡对于o o s 管理有着重要的意义。在系 统负载较重的情况下，当用户视频的某个o o s 分量所要求的资源不能被 满足时，若没有q o s 均衡的机制时，系统可能会简单地拒绝接入此视频 流或以一种令用户难以接受的质量打开此视频流。而o o s 互补均衡的意 北方交通大学硕士学位论文交互式多媒体系统画向月幽塑璺竺堡 义就在于使系统清楚用户对各种q o s 参数变化的敏感度，当资源紧张 时，降低那些对用户来说不太重要的参数水平，或对其它参数水平作相 应调整，尽量减小对用户观看质量的影响，甚至使用户感觉不到视频质 量的变化。 前文也已提及，资源互补均衡同q o s 互补均衡有着直接的关系。在 i v o d 系统中，达到某一延时要求既可以提高分配给此任务的c p u 时间， 也可以代之以增加网络带宽，对于用户来说这种差异是透明的，但这种 性质为提高系统资源的利用效率创造了条件，允许系统根据当前系统资 源的利用情况作出决策，在不影响用户观看质量的条件下尽量均衡有效 地使用各种资源，以期达到的最大的收益。 3 2 视频流q o s 参数描述 i v o d 系统中具体使用哪些参数来描述用户观看质量要受系统建设 策略的影响，这里选取三个典型参数进行讨论：分辨率，帧速率、音频 质量如3 1 节所示，第i 个视频流q o s 参数的规格化表示分别为： 分辨率：1 6 0 x1 2 01 9 2 x1 4 4 2 4 0 x1 8 03 2 0 2 4 0 3 5 2 2 8 8 分辨率q o s 水平：毋，j = 1q t l 2 = 2毋j = 3q a 4 = 4毋j = 5 帧速率( f s ) ： 帧速率q o s 水平： 1 5 q 1 2 j = 1 2 4 g t 2 3 = 2 3 0 q ，2 j = 3 音频质量：高质量广播立体声( 6 4 k ) c d 质量立体声( 2 2 4 k ) 音频q o s 水平：q m = 1和2 = 2 1 6 北方交通大学硕士学位论文交互式多媒体系统面向用户的q o 苎! 堡 厦j i q ，= q j 。q ：q i 3 = q i l l , q 。，q 。) q t 2 1 ，q 。，q 。) q i 3 1 , g i 。) ( 为笛卡尔积运算) ， ， ， ， ，。一， ， ， 为表示用户对视频质量恶化的最大容忍程度，引入： q j = g i ，g ；：，叮与 lj 供用户指定以作为系统优化时的个约束变量。同时，某q o s 参数的 水平达到一定程度后，对用户来说其对视频质量的影响已经饱和，再提 高其水平已没意义，引入以下记号来表示此饱和点： r1 g 2 靠，旌，靠 为表示q j 的变化对用户总体评价的影响，需要确定从q ，- - - ) 的映 射关系，其中“为3 1 节中定义的用户最终感受到的视频质量的总体 度量。此关系的确定放在3 3 节讨论。 3 3q o s 水平与用户总体观看质量间关系的确定 前文己提及，各种o o s 参数进行规格化表示后，其数值并不能代表用户 最终对视频质量的评价。不同的q o s 参数的变化对于不同用户来说其对 服务质量的影响方式是不同的。q o s 水平是联系用户观看效果与系统 资源分配的桥梁，q 0 s 水平与系统资源间的关系玎，塑d ：9 - - ) 玎可由实际 系统运行数据测得，而q o s 水平与用户观看效果间的关系：断以到： 1 7 北方交通大学硕士学位论文交互式多媒体系统面向用户的q o s 管理 q ，专以是反映用户对各类q o s 参数变化的敏感度的最重要工具，因用户 不同而不同。因此必须提供一种机制，供用户说明其对各类q o s 参数的 关心程度及方式。a n d r e a sv o g e l 等在 6 中描述了称为“q u a t y q u e r yb ye x a m p l e ”的方法来获得这个关系，其核心便是尽可能对用户 隐藏系统的内部q 0 s 参数( 即系统层面和网络层面的q o s 参数) 而代之 以一系列代表不同质量的示例视频片段供用户选择。使用这种方法很难 得到q j 空间中各点对应的u 值，尤其难以获得q f 中某一参数发生单位 变化后对u 的影响程度。 要得到u r 匿u ，最直接的办法是让用户指定q j 中每个点的u 值，但 是对一个仅有三种q o s 参数且每个参数分别只有5 ，3 ，2 种取值的系统 来说，将有5 3 2 = 3 0 个点的u 值要求用户指定，这对于用户来说要 求显然太高了。而且这个数值随着参数数目增多及取值粒度加细将呈几 何增长。 重新考虑前文提出的获得用户观看质量与o f 关系的意义，其主要 目的是确定用户对q o s 参数水平变化的敏感度，因此关键是确定u 随 q j 变化的趋势及拐点位置，而不是其具体数值。因这个趋势对于不同的 q o s 参数来说一般是不同的，应分参数类型分别加以确定。这样可以由 系统提出一些普遍适用的趋势图供用户选择，并允许用户对血线具体参 数加以调整以真实反映用户需求，例如，对于分辨率这个参数可提供以 下几种模板：( 如图3 1 所示) 每种模板都可用一个分段函数的关系来表达，设第个q o s 参数与用户 观看质量的关系为： ( g ) = 刀”( g ) i 砖( g ) 鳄q g 尹 够“q 3 0 f s ) 且分辨率也高于3 5 2 2 8 8 时，用户得 到最高的视频质量，继续提高帧速率和分辨率对于用户的以观看效果己 饱和。 若分辨率保持恒定，帧速率在2 4 3 0 之间降低时，视频质量呈 线性下降，在1 5 2 4 之间降低时视频质量也为线性下降，但降速较高。 帧率低于1 5 时，用户认为得到的视频质量为0 ，即用户所能容忍 的帧速率最低取值为1 5 y s 。 若帧速率保持恒定，分辨率在( 1 6 0 1 2 0 ) ( 3 5 2 2 8 8 ) 间下 降时，视频质量指数下降。 分辨率低于( 1 6 0 1 2 0 ) 时，用户得到的视频质量0 ，即用户所 能容忍的分辨率最低取值为( t 6 0 1 2 0 ) 。 袭 窒 图3 7 等效用曲线( l = o 3 ，w , 2 = o 7 ) 北方交通大学硕士学位论文 交互式多媒体系统面向用户的q o s 管理 至此，已可获得q o s 参数变化对用户整体观看质量评价或用户效用 的影响方式，在此基础上可以进行基于q o s 的系统运行策略的优化设 计。 北方交通大学硕士学位论文交互式多媒体系统面痢用户鲍鱼堕笪望 第四章基于q o s 的服务接入控制和资源管理 4 1 基于q o s 的系统资源管理 一个系统管理的复杂性很大程度上取决于用户对资源进行利用时 与其它用户的共享关系。若系统资源在不同用户间为非共享时，提供服 务质量的保障是较为容易的。例如当电视信号以无线广播或传统c a t v 方式( 无交互性) 进行传输时，由于一个信道固定分配到一个频率范围 上，可以相当容易地对帧速率和分辨率等q o s 参数提供保证。在采用电 路交换进行语音传输时，每个信道分配一条已建立的链路，而采用包交 换传输时，各信道对物理链路进行动态复用，前者在实施时对话音抖动 ( j i t t e r ) 这个q o s 参数进行控