（计算机科学与技术专业论文）无线网络中多媒体数据分组调度算法研究.pdf

t h er e s e a r c ho fm u l t i m e d i ap a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m si n w i r el e s sn e t w o r k s b y g o n gc h u a n g b e ( d e z h o uu n i v e r s “y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rx i ek u n m a y ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 袁闩 日期： 秒圹年j 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 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和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 期： 劢| 年j ，月衫日 期：秒i7 年f 月多j 日 l 兀线网络t 多媒体数据分组调皮算法研究 摘要 随着无线网络技术和多媒体技术的大力发展，无线网络已不仅仅满足于传输 数据业务，包含服务质量( q o s ) 需求的多媒体业务在无线网络中的调度和传输已经 成为无线网络研究的一个重要方向。在无线环境，由于无线信道带宽具有时变性， 传输时延彳稳定，误码率较高等特点，使得在无线网络中保证多媒体业务的q o s 需求变得极具挑战。 本文从多媒体数据业务的q o s 需求着手，分析并总结了有线网络中主要的分 组调度算法；接着概括了无线网络链路易错、资源受限等特性，在链路易错的限 制下，出现了针对无线网络的分组调度算法模型，在该模型中对无线网络中基于 时隙分配的的分组调度算法进行了描述和比较。但在w l a n 中，m a c 层使用的 是基于信道竞争的d c f 传输机制，为保证多媒体业务的q o s 需求，在d c f 的基 础上出现了e d c a 机制。e d c a 机制可以很好的保证高优先级的音频流、视频流 等的q o s ，但并没有公平对待所有业务流，若高优先级的业务流长时间存在月需 占用全部链路带宽，则低优先级的业务流将很难竞争到信道访问权，甚至根本得 不到信道访问机会，这样会导致低优先级业务流“饿死”。 针对8 0 2 1 1 e 的e d c a 机制中多媒体数据分组调度的不公平问题，在8 0 2 1 l e 中提出了q o s 敏感的紧急分组调度算法。该算法首先根据不同多媒体业务流时延 范围、分组传输时延、等待时间等时间相关需求，提出数据分组调度指标一分组 紧急度；然后，在8 0 2 1 1 e 协议中根据紧急业务流的紧急度，调整紧急业务流所 对应a c 队列的参数，改变a c 队列信道访问优先级，使紧急业务流有更多机会 竞争到信道访问权；最后，我们进行大量仿真实验，实验结果验证了所提紧急分 组调度算法的有效性。另外，无线信道状态是时变的，结合无线信道状态，根据 信道状态信息决定是含调用紧急分组调度算法，这样可以保证总链路的吞吐量和 总链路的利用率。 关键词：服务质量；紧急业务；分组调度；增强分布式信道接入 ii i 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sn e t w o r k sa n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，n o t o n l yt r a n s m i td a t as e r v i c e si nw i r e l e s sn e t w o r k s ，b u tm u l t i m e d i as e r v i c e sp a c k e t s t r a n s m i ta n ds c h e d u l i n gh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hp o i n ti nw i r e l e s sn e t w o r k s i nt h ew i r e l e s se n v i r o n m e n t ，d u et ot h et i m e v a r y i n gb a n d w i d t ho fw i r e l e s sc h a n n e l ， t r a n s m i s s i o nd e l a yi n s t a b i l i t y ，b e ri s h i g ha n ds oo n ，t h a tg u a r a n t e eq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t so fm u l t i m e d i ad a t as e r v i c e sh a sb e c o m eab i gc h a l l e n g ei n w i r e l e s sn e t w o r k s i nt h i sp a p e r ，f r o mt h eb e g i n n i n go ft h eq o sr e q u i r e m e n t so fm u l t i m e d i ad a t a s e r v i c e s ，s u m m a r i z e dt h em a i np a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m si nw i r e dn e t w o r k ，t h e n a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sn e t w o r k s ，i n c l u d i n ge r r o r - p r o n el i n k s ，l i m i t e d r e s o u r c e s u n d e rt h ec o n d i t i o n sp r o p o s e dp a c k e ts c h e d u l i n gm o d e lf o rw i r e l e s s n e t w o r k s ，m a n yt i m e s l o t - a l l o c a t i o n - b a s e dp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m sd e s c r i b e di n t h ew i r e l e s sp a c k e ts c h e d u l i n gm o d e l h o w e v e r ，m a cl a y e ru s e dd c ft r a n s m i s s i o n m e c h a n i s mt oc o n t e n dc h a n n e la c c e s si nw l a n ，t og u a r a n t e et h eq o sr e q u i r e m e n t s o fm u l t i m e d i as e r v i c e s ，e d c am e c h a n i s m a p p e a r e di n 8 0 2 1lep r o t o c 0 1 e d c a m e c h a n i s mc a ng u a r a n t e eq o so fh i g h - p r i o r i t ya u d i o ，v i d e os t r e a m s ，b u tu n f a i rt oa l l t r a f f i cf l o w s i ft h eh i g h - p r i o r i t yt r a f f i cf o rl o n gp e r i o d st r a n s m i s s i o na n dn e e d sm o r e b a n d w i d t h ，t h el o w - p r i o r i t yt r a f f i cw i l lb ed i f f i c u l tt oa c c e s st h ec h a n n e l ，o re v e nn o t g e tt h ec h a n n e la c c e s so p p o r t u n i t i e s ，w h i c hw o u l dr e s u l ti ns t a r v a t i o no fl o w p r i o r i t y t r a f j f i c a g a i n s tt h eu n f a i r n e s sp r o b l e mo fp a c k e ts c h e d u l i n g i ne d c am e c h a n i s m ， p r o p o s e dq o s s e n s i t i v ep a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m f o r u r g e n ts e r v i c e s f i r s t ， d e p e n d i n go nt h ed e l a yr a n g eo fm u l t i m e d i af l o w s ，p a c k e tt r a n s m i s s i o nd e l a y ， t r a n s m i s s i o nl a t e n c yt i m e ，p r e s e n t a t i o no fd a t ap a c k e ts c h e d u l i n gi n d i c a t o r s - p a c k e t u r g e n td e g r e e t h e n ，a c c o r d i n gt ot h eu r g e n td e g r e eo ff l o w s ，a d ju s tt h ea cq u e u e p a r a m e t e r so fu r g e n tf l o w s ，c h a n g et h ec h a n n e la c c e s sp r i o r i t yo fa c ，s ot h a tu r g e n t f l o w sh a v em o r ec h a n c et oa c c e s sc h a n n e l f i n a l l y ，w ec o n d u c t e dal o to fs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o ru r g e n t f l o w si se f f e c t i v e l y i na d d i t i o n ，j o i n tt i m e - v a r y i n gc h a f f n e ls t a t ea n du r g e n tp a c k e t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，a c c o r d i n gt oc h a n n e ls t a t et od e c i d ew h e t h e rt ou s et h eu r g e n t p a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m i tc a ng u a r a n t e et h et o t a ll i n k st h r o u g h p u ta n d l i n k s 无线m 络t f 一多媒体数据分身 调皮算法研究 u t i l i z a t i o n k e yw o r d s ：q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ；u r g e n ts e r v i c e ；p a c k e ts c h e d u l i n g ；e n h a n c e d d i s t r i b u t e dc h a n n e la c c e s s ( e d c a ) i v i 、 l _ _ _ _ _ _ _ - - 硕士学位论文 目录 湖南大学学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 插图索引一v i i 附表索引v i i i 第1 章绪论l 1 1 研究的背景及意义l 1 2 基于q o s 的无线分组调度算法研究进展一2 1 3 本文研究的内容及主要工作3 1 4 论文章节安排一4 第2 章多媒体数据q o s 需求分析5 2 1q o s 概念及结构模型5 2 1 1q o s 概念5 2 1 2q o s 结构模型5 2 2q o s 指标和多媒体数据q o s 需求一7 2 2 1q o s 指标7 2 2 2 多媒体业务分类8 2 2 3 多媒体业务q o s 需求一9 2 3 小结1 1 第3 章无线分组调度算法概述1 2 3 1 分组调度概述1 2 3 1 1 分组调度原理1 2 3 1 2 分组调度性能指标1 2 3 2 常用分组调度算法1 4 3 2 1 基于轮循的分组调度算法1 4 3 2 2 基于时延的分组调度算法1 5 3 2 3 基于g p s 的分组调度算法1 6 3 3 无线嘲络中的分组调度算法1 7 3 3 1 无线特性对调度的影响一1 7 3 3 2 无线分组调度算法模型一1 9 3 3 3 无线分组调度算法一2 0 v l m m m - - - - 无线网络f 一多媒体数据分组调度算法研究 3 4i e e e8 0 2 1 1 协议及d c f 机制 3 5i e e e8 0 2 1 1e 协议及e d c a 机制 3 5 1i e e e8 0 2 1l e 协议 3 5 2e d c a 工作机制 3 5 3e d c a 机制的不足 3 6 小结 第4 章紧急分组调度算法 4 1 系统模型 4 2 紧急度定义一 4 3 基于紧急度的分组调度 4 4 联合信道状态的紧急分 4 5 小结 第5 章仿真与性能分析 5 1n s 2 仿真软件介绍一 5 1 1n s 2 无线网络 5 1 2n s 2 仿真过程 5 2 仿真实现与分析 5 2 1 仿 5 2 2 实 5 3 小结 结论 参考文献 致谢 真场景设置 验结果分析 算法 组调度 - z 1 6 4 7 4 9 5 4 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文5 5 v i 3 5 5 7 9 9 0 0 ，2 4 7 8 8 8 9 0 0 l 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 硕士学位论文 插图索引 2 1u t m sq o s 结构6 3 1 分组调度结构1 2 3 2r r 分组调度算法1 5 3 3c s d p s 分组调度2 l 3 4 无线网络i n f r a s t r u c t u r e 结构图2 4 3 5d c f 机制2 4 3 68 0 2 11 b 协议传输队列2 5 3 7e d c a 信道竞争机制2 7 3 88 0 2 1lee d c a 映射2 8 4 1 无线系统模型3 0 4 2 紧急分组调度流程3 4 4 3g e 信道模型3 5 4 4 联合信道状态的紧急分组调度流程3 6 5 1 移动节点结构一3 9 5 2n s 2 仿真过程4 0 5 3 无线网络仿真拓扑4 l 5 4 场景l 的e d c a 调度4 2 5 5 场景l 的e d c aq o s 调度4 3 5 6 场景2 的e d c a 调度4 3 5 7 场景2 的e d c aq o s 调度4 4 5 8 场景3 的e d c a 调度4 5 5 9 场景3 的e d c aq o s 调度一4 5 v i l 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 【一 无线嘲络i f i 多媒体数据分组调度算法研究 附表索引 表2 1q o s 业务流类别8 表2 2 无线通信中实时与非实时业务q o s 要求一9 表2 3 不同类型多媒体应用q o s 需求9 表2 4 多媒体应用的带宽和时延等要求1 0 表3 1 无线分组调度算法组成部分比较2 2 表3 2 无线分组调度算法性能指标比较2 2 表3 3 用户优先级与a c 队列关系表2 6 表3 48 0 2 1l e 各a c 队列参数设置2 7 表5 1 各业务流参数设置4 l v l l i l _ _ _ _ _ 一 硕i j 学位论文 1 1 研究的背景及意义 第1 章绪论 在i n t e r n e t 的高速发展下，包括i p 电话、远程教育、视频会议、网络游戏、 电子商务及e m a i l 等在内的多媒体业务在有线网络中应用取得了巨大的成就。网 络中传输的数据从单一的业务类型向多媒体数据业务演进，与此同时，有线网络 的带宽也在小断增加，使得彳i 同类型的多媒体业务流能够在高速有线网络中畅通 自由。随着多媒体的广泛应用和无线通信技术的大力发展，无线网络中多媒体数 据分组的调度传输越来越受到人们的重视。 无线信道及无线网络有自身的一些特性，如电波传播条件复杂、频带资源受 限、发射功率受限和节点移动等导致带宽时变、误码率高、网络拓扑变化快等问 题，这些都己严重影响多媒体数据业务在无线网络中传输的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 。在无线环境下，因无线信道带宽具有时变性、传输时延不稳定、 时延抖动以及误码率较高等特点，使得保证无线网络中多媒体数据业务传输的 q o s 变得极具挑战。 无线环境下，为提高数据分组的传输效率，出现了大量针对无线网络的数据 分组调度算法来保证传输的公平性或提高链路吞吐量，以满足无线多媒体数据传 输的q o s 。从有线网络提出的广义处理器调度算法( g e n e r a l i z e dp r o c e s s o rs h a r i n g ， g p s ) 1 2 1 到t d m a 嘲络中的各种分组调度算法【3 8 】，无线网络中多媒体业务的数据 分组调度算法在不断发展，不断完善。t d m a 网络中按时隙发送数据分组，通过 分配给用户相应的时隙来实现数据分组调度。 无线网络中常用的、传输覆盖范围较小的w l a n ，主要采用i e e e8 0 2 1 1 协 议的分布式协调功能( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，d c f ) 信道接入技术【9 】。但 目前分配时隙的调度算法不能很好的应用于使用竞争机制来获得信道访问权的 i e e e8 0 2 1 l 协议中。 现有i e e e8 0 2 1 1 协议中，如8 0 2 1 1 b 【l0 1 ，各种数据业务流被等同对待，无线 信道的访问权通过各个用户节点竞争来决定，采用带冲突避免的载波侦听多路访 问策略( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) ，但 这并不能保证彳、= 同类型多媒体数据业务的q o s 需求。为了对音频、视频等不同类 型多媒体数据业务进行区分服务，i e e e 成立了8 0 2 1 1 e 【川工作组，提出了8 0 2 “e 协议。该协议为各种多媒体业务提供了不同的q o s 保证，如音频流、视频流、f t p 数据等按照q o s 需求分别拥有不同的优先级别。8 0 2 1 1 e 在d c f 的机制下提出了 无线阀络一l t 多媒体数据分组调度算法研究 增强分布式信道接入机制( e n h a n c e dd i s t r i b u t e dc h a n n e la c c e s s ，e d c a ) ，定义了4 个接入类型( a c c e s sc a t e g o r y ，a c ) 队列，每个a c 队列的优先级别彳 同，对于彳 同 类型的多媒体数据分组分别进入对应的a c 队列中。优先级由高到低分别为：音 频流、视频流、尽力服务( b e s te f f o r t ) 流、背景服务( b a c k g r o u n d ) 流。这样优先级 最高的音频流获得最多的信道访问机会，视频流次之，背景服务流则获得最少的 信道访问机会。 8 0 2 1 lee d c a 机制保证了高优先级队列中音频、视频流的信道访问权，但是 低优先级业务流则会因为高优先级业务流一直占用大部分甚至全部链路带宽，导 致低优先级业务流一直得彳i 到信道的访问权，而出现长时间的传输等待和“饿死 的现象，无法保证不同类型业务流传输的公平性。因此本文主要研究如何通过调 整m a c 层协议参数来保证多媒体数据传输的q o s ，特别是满足q o s 敏感的业务 数据分组的调度传输，从而保证紧急业务流相对于高优先级队列中业务流调度传 输的公平性。 1 2 基于q o s 的无线分组调度算法研究进展 数据业务类型的多样化，使得数据分组的调度传输问题成为研究人员关注的 热点。传统的网络中对所有数据分组都采取“一视同仁”的态度，采用尽力而为 的方式来服务所有的数据业务。这样，出现了最早的分组排队调度算法一先来先 服务( f i r s tc o m ef i r s ts e r v e d ，f c f s ) 算法，f c f s 算法思想是数据分组先到达排队 队列的，就先得到调度传输i l2 1 。但不同类型业务流都对各自的传输链路要求不同， 这就需设计调度算法对不同业务的数据分组进行调度传输，在此需求基础上又出 现了一些能够分配时隙的分组调度算法。如传统的轮循( r o u n dr o b i n ，r r ) 调度算 法是对不同的业务流队列进行循环的调度；最早截止时间优先的e d f l l 3 】调度算法 则是通过计算每个业务流分组的时延截止时间，来保证每个业务流都能得到服务 的算法。r r 算法并彳 能保证各个业务流之间接受服务的公平性，为改变这种不 公平性，在r r 算法的基础上又出现了w r r t l4 1 、d r r t l 5 1 和u r r t l 6 1 等调度算法。 在e d f 算法基础上出现了时延最早到期d e l a y e d d t l 。7 】算法和j i t t e r e d d 1 8 】算法 等。为提供确切的公平分配，出现了广义处理器共享( g p s ) 的理想流调度模型。 g p s 中假设数据分组无限小，但实际系统中分组不是无限可分的，因此g p s 流调 度模型在实际中无法真正实现。在这基础上出现了一些近似g p s 算法的分组公平 排队算法( p a c k e tf a i rq u e u e i n g ，p f q ) ，如w f q t 2 1 算法、w f 2 q 1 9 1 算法、v c l 2 0 1 算法、 s c f q t 2 1 1 算法、s t f q f 2 2 1 算法和f f q t 2 3 1 等一系列算法。 同样在资源受限、带宽时变、误码率高的无线网络中更需要对数据分组进行 合理的调度传输，为给刁 同业务流队列分配传输调度时隙，出现了许多不同的无 线分组调度算法。如在g p s 模型基础上发展而来c s d p s t 3 l 算法、i w f q t 4 1 算法、 硕上学化论文 c i f q 1 5j 算法、s b f a 【6 】算法和w f s t 7 】算法等，自适应链路系统中利用“多用户分 集”实现系统容量最大化的m c i 算法，h d r 系统中考虑了“多用户分集”及“时 间分集”的q p f s ( q u a l c o m mp r o p o r t i o n a lf a i r n e s ss c h e d u l i n g ) 算法，以及近年来 出现的“机会主义 调度【8 , 2 4 1 算法，跨层分组调度【2 5 1 算法，各类无线网络及无线 系统的分组调度算法 2 6 3 3 1 都在彳、= 断发展。 随着多媒体数据业务及多媒体应用的层出不穷，在无线网络带宽等资源增加 的情况下，虽然可减少部分因无线网络自身特性所带来的影响，但我们仍有必要 研究无线网络中的多媒体数据分组调度算法，以满足用户更高的服务质量要求。 1 3 本文研究的内容及主要工作 q o s 需求是所有多媒体数据业务都具有的，音频流、视频流、f t p 数据服务、 w e b 服务等，不同类型数据业务流q o s 需求各不相同。无线网络中，由于无线链 路自身资源、带宽受限、链路易变等特点，使得保证无线网络中多媒体数据业务 的q o s 变得更加困难。为保证不同多媒体数据业务的q o s ，尤其是保证因等待时 间长而变得紧急的多媒体业务的q o s 需求，需要对无线网络中已有的基于q o s 的数据分组调度算法进行改进，结合8 0 2 1 1 e 协议设计新的紧急数据分组调度算 法。因此，本文研究无线网络中多媒体数据分组调度算法，目的是保证多媒体数 据业务在无线网络中传输的q o s 需求，保证基于信道竞争无线网络中多媒体数据 分组调度的公平性( 紧急业务流相对于高优先级业务流的公平性) ，本文的研究内 容概括如下： 1 、介绍q o s 概念、q o s 结构及模型，总结概括评价q o s 的性能指标，将多 媒体数据业务分类，并总结不同类型多媒体数据业务的q o s 需求。 2 、介绍分组调度算法的工作原理，从有线网络中的分组调度算法入手，引导 出无线网络中的分组调度算法；概括无线网络的特性，无线网络分组调度算法模 型；深入分析i e e e8 0 2 1 l 协议d c f 机制和i e e e8 0 2 1 l e 协议e d c a 机制的工作 原理；指出e d c a 机制在基于信道竞争的w l a n 中的不足之处。 3 、根据多媒体数据业务的q o s 需求及已存在的无线网络分组调度算法，提 出新的多媒体数据分组紧急度计算方法，对i e e e8 0 2 1 1 e 中e d c a 机制进行改进， 设计出紧急业务数据分组调度算法；结合无线信道状态，由信道状态的好坏决定 是否调用紧急分组调度算法。 4 、使用仿真工具对e d c a 机制和所提出的紧急业务数据分组调度算法进行 仿真，分析实验数据并得出结论。 本文为保证紧急业务流q o s 需求，提出紧急度计算方法，设计紧急业务分组 调度算法，保证了紧急业务在基于竞争信道的无线网络中的q o s 需求。仿真阶段， 将8 0 2 1 l e 中的e d c a 机制和新提出的紧急业务分组调度算法进行比较分析，证 无线网络l 】多媒体数据分组调度算法研究 明所提算法保证了紧急业务流的q o s 要求。在紧急分组调度算法的基础上，联合 无线信道状态信息，设计联合信道状态的紧急分组调度算法，分析联合信道状态 的紧急分组调度算法性能的变化。 1 4 论文章节安排 论文的整体结构和章节安排如下： 第l 章，简述无线网络中多媒体数据传输调度的研究背景及意义，介绍基于 q o s 的分组调度算法的发展情况：概括论文的主要研究内容。 第2 章，概括q o s 性能评价指标，归纳不同类型多媒体数据q o s 需求。 第3 章，介绍常用的分组调度算法，概括无线网络特点及无线分组调度算法 组成模块，分析比较无线网络中基于时隙调度的分组调度算法；详细阐述i e e e 8 0 2 1 1 协议中的d c f 机制和i e e e8 0 2 1 1e 的e d c a 机制的工作原理；指出基于 时隙的分组调度算法及e d c a 机制的彳 足之处。 第4 章，根据多媒体业务数据的q o s 需求，结合无线网络中分组调度算法， 提出数据分组紧急度计算方法，由分组紧急度计算公式，判定紧急业务流，设计 紧急业务分组调度算法；联合无线信道状态情况，根据信道状态决定是否调用紧 急分组调度算法。 第5 章，通过设计下行链路仿真场景，使用n s 2 仿真工具，对e d c a 机制 和所提出的紧急业务分组调度算法进行仿真实验，分析比较两种方案的吞吐量性 能，得出结论，提出的紧急业务分组调度算法保证了紧急业务流的q o s 需求。 最后，对本文研究进行总结，对进一步的研究工作进行展望。 硕上学位论文 第2 章多媒体数据q o s 需求分析 随着高速网络技术的快速发展和大量多媒体数据业务及应用的出现，人们更 多的使用包括多媒体通信在内的综合服务。传统的分组交换网络，主要是为f t p 、 e m a i l 等非实时的数据通信设计的，并采用t c p i p 协议，来达到整个网络的数据 吞吐量的优化和保证通信的可靠性。多媒体业务如远程教育、视频会议、网络游 戏、电子商务等，刁i 仅包括文本数据信息，还包括语音、视频、图形、图像等类 型的多媒体信息。多媒体数据业务各自都有不同的q o s 需求，如高清视频流就需 要高要求的带宽、较低的时延抖动，i p 电话则需要较低的时延，电子商务类的业 务则要保证较低的分组丢失率等。本章将对q o s 具体的性能指标以及各种多媒体 数据业务的q o s 需求进行描述。 2 1q o s 概念及结构模型 2 1 1q o s 概念 服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 是各种存在服务供需关系场合中普遍存在 的概念，它被用来评估服务方满足客户服务需求的能力1 34 1 。评估通常不是精确的 评分，而是注重分析在什么条件下服务是好的，在什么情况下服务还存在着不足， 以便针对性地作出改进。互联网工程任务组( i e t f ) 对q o s 的定义：q o s 是网络在 传输数据流时要求满足的一系列服务请求，具体可以量化为带宽、延迟、抖动、 分组丢失率和吞吐量等性能指标，强调网络传输服务性能【3 ”。保证q o s 最终是要 满足不同用户的需求。 2 1 2q o s 结构模型 i e t f 工作组针对因特嘲提出了两种q o s 模型：综合服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ， i n t s e r v ) 模型和区分服务( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，d i f f s e r v ) 模型。 i n t s e r v 模型是将资源预留和流量控制机制进行结合，并对每个业务流进行处 理，i n t s e r v 中定义了三类服务：有保证的服务、受控负载服务和尽力而为服务。 有保证的服务为端到端的分组排队提供了确定的时延界限，从而能够保证业务的 时延和带宽需求；负载受控服务对网络负载有一定限制：尽力而为服务即为传统 的服务，不提供任何类型的服务保证。 i n t s e r v 模型组成包括资源预留协议( r s v p ) 、接入控制程序、分类程序和调度 程序四个部分。r s v p 采用信令方式完成资源预留；接入控制程序通过用户和网 络使用的网络协议，对用户的接入进行监视和控制，可以保证网络和用户之间共 无线网络l i 多媒体数据分组调度算法研究 同利益；分类程序指数据分组的分类，它根据预定的规则，对进入路由器的数据 分组进行分类；调度程序指数据分组调度算法( 第3 章中将介绍) ，目的是对已排 队的数据分组进行调度传输。i n t s e r v 能够提供绝对有保证的q o s ，但i n t s e r v 模 型有复杂度高和扩充性等问题，其具体工作过程可参看文献 3 4 】。 d i f f s e r v 模型结合了边缘监管、分配和业务优先级，为不同类型业务分配不 同的服务优先级，从而满足各个业务的q o s 需求。d i f f s e r v 模型定义了两种服务， e f ( e x p e d i t e df o r w a r d i n g ) 和a f ( a s s u r e df o r w a r d i n g ) j 曼务。其中，e f 提供的为低 时延、低时延抖动及低分组丢失率的服务；a f 主要对吞吐量作出要求，对于时 延和时延抖动则没有严格的要求。相对i n t s e r v 模型，d i f f s e r v 良好的可扩充性和 易于实现的特点使其获得研究者较多的注意，本文的主要研究中也考虑了业务优 先级，对不同优先级业务分组进行调度传输。 i e t f 工作组针对i p 网络提出了综合服务和区分服务两种模型，伴随无线网 络的快速发展，3 g p p 工作组在19 9 9 年对通用移动通信系统( u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，u t m s ) 中的q o s 结构1 36 j 进行了概括，如图2 1 所示。 图2 1u t m sq o s 结构 由图2 1 可知，u t m s 系统中q o s 是采用分层结构的，整个网络服务考虑的 是端到端的q o s ，即从一个t e ( t e r m i n a le q u i p m e n t ) 至0 另一个t e ，端到端的服务 为用户提供了某些特定的q o s 需求，并且系统是否满足这些q o s 需求是由用户 决定的。图2 1 中出现了许多的承载业务( 通信网络向用户提供的信息传输能力) ， 为实现特定网络承载业务的q o s ，需要从源端到目的端设置服务，且每个特定层 的承载业务都来自其下层服务提供者。 由q o s 结构及模型知，不同业务需设定不同的优先级，优先级的彳同业务将 硕j - 7 f 、，论文 得到不同的服务，网络各层都需关注q o s 需求，并且最终保证的是端到端用户的 q o s 。下面的分析将围绕多媒体业务_ 、= 同优先级别和多媒体业务应用层提出的 q o s 需求展开说明。 2 2q o s 指标和多媒体数据q o s 需求 2 2 1q o s 指标 衡量q o s 的各项指标主要包括：时延( d e l a y ) 、时延抖动( j i t t e r ) 、分组丢失率 ( p a c k e tl o s sr a t e ) 和传输吞吐量( t h r o u 曲p u t ) 等1 3 4 1 。 ( 1 ) 时延 指从发送端发出分组的第一个比特到接收端接收到分组的最后一个比特所持 续的时间，包括节点处理时延和链路传输时延两部分。其中又细分为分组时延、 排队时延、交换时延及传播时延等。 多媒体业务中时延区别最明显的就是实时业务和非实时业务，实时业务对时 延要求很高，而非实时业务对时延的要求则低很多。如实时会话中的音频流的端 到端单向时延需要小于l5 0 m s ，而f t p 下载则没有特定的时延限制。 ( 2 ) 时延抖动 时延抖动是高频率时延的变化量，指同一路径上发送的数据流中任意两个相 邻分组在传输中产生的延迟差异，低频率的时延变化量称作漂移。时延抖动主要 由分组的排队时延、可变分组的大小、中间传输链路等因素所引起。 多媒体数据中某些业务不能容忍抖动的出现，如语音通话、视频直播流，抖 动将造成语音流和视频流的不连续性，影响用户对这些业务的q o s 需求期望。 ( 3 ) 分组丢失率 俗称丢包率，网络拥塞时，由于缓存溢出或分组达到延时超出延时上界，分 组将被丢弃，无线网