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异种网络切换下流媒体业务自适应的研究 摘要 随着移动通信技术的飞速发展，网络规模的不断扩大，各种移动 通信网络的融合势在必行。为了实现网络融合，必须屏蔽各种网络间 的差异性。自适应技术可以解决差异性问题。自适应是指作为主体的 终端系统、应用或协议能够根据网络客体的变化，而自动地调整自身 的属性以适应客体。业务的自适应可以更好地保证服务质量，提高业 务健壮性，在异种网络间实现业务的透明性，其研究是非常有意义的。 论文课题针对异种网络切换的情况，创新地提出一种流媒体自适 应方案，即通过扩展r t c p 协议的移动性，使其在切换后立即向业务 源端发送网络情况监测报文，从而使业务源端在切换后及时调整发送 速率，以适应异种网间切换前后带宽资源的差异，避免出现质量严重 恶化、业务不可用的问题。该方案也可用于所有使用r t p r t c p 协议 进行传输的实时业务。 论文工作首先深入研究了业务自适应和异种网络切换的相关理论 和研究成果，在此基础上设计实现了基于n s 的w l a n 网络与u m t s 网络互通的仿真环境。该环境的发布将为n s 提供首个支持w l a n 与 u m t s 网问切换的异种网络互通模块。该仿真环境针对业务自适应研 究的需要而设计，互通结构采用e t s i 松耦合结构，采用了统一的分层 移动性管理框架m m ，能够提供异种网问的无缝平滑的三层切换。 通过在该环境下的仿真，研究了流媒体业务在异种网间切换所存在的 问题，针对性地提出上述流媒体自适应方案，并在仿真环境下设计实 现。实验分析证明方案是有效而具有实用性的。最后论文针对适应过 程的平滑性提出了该方案扩展思路，并对异种网络问切换情况。卜业务 自适应研究的发展方向进行了展望。 关键词 业务自适应，异种网络，u m t s w l a n 互通，切换，流媒体，r t c p r e s e a r c ho ns t r eam i n gm 【e d i aa p p l i c a t i o n a d a p t i o nt e c h n o l o g yf o rh a n d o v e rb e t w e e n h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s a b s l 。r a c i 。 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ，n e t w o r k sa r eb e c o m em o r el a r g e s c a l ea n dc o n v e r g ew i t h e a c ho t h e r t h ec o n v e r g i n gm u s td e a lw i t ht h ed i f f e r e n c e sb e t w e e n d i f f e r e n tn e t w o r k s a d a p t a t i o nt e c h n o l o g i e sc a r lm a k et h ed i f f e r e n c e sb e t r a n s p a r e n t w i t ha d a p t i v et e c h n o l o g i e s ，t h eu s e re q u i p m e n t s ，a p p l i c a t i o n s o rp r o t o c o l sc a r lc h a n g ef e a t u r e so ft h e m s e l v e st oa d a p tt h en e t w o r k ， a c c o r d i n gt h en e t w o r k sc h a n g e s a d a p t a t i o nt e c h n o l o g yc a np r o v i d e s b e t t e rq o s ，r o b u s t n e s sa n dt r a n s p a r e n c ef o ra p p l i c a t i o n s ，a n dr e s e a r c h e so n i ta r ev e r ym e a n i n g f u l t h ea u t h o rr e s e a r c h e so nh a n d o v e rp r o c e s sb e t w e e nh e t e r o g e n e o u s n e t w o r k s ，a n dg i v e san o v e ls c h e m ef o rs t r e a m i n gm e d i aa p p l i c a t i o n s a d a p t a t i o n t h es c h e m ee x t e n d st h er t c p 限e a lt i m ec o n t r o lp r o t o c 0 1 ) t o s u p p o r tm o b i l i t y , a n dr e s o l v e sa p p l i c a t i o n s q o sp r o b l e m si n t r o d u c e db y h a n d o v e r sb e t w e e nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k so fa s y m m e t r yr e s o u r c e s t h e s c h e m ei sa l s oe f f i c i e n tt oa l lr e a lt i m ea p p l i c a t i o n sw h i c ha r eu s i n g r t p r t c pt r a n s p o r tp r o t o c 0 1 t h ea u t h o rr e s e a r c h e sd e e p l y 1 1t h e o r ya n dr e s e a r c hc o n t r i b u t i o n s0 n a p p l i c a t i o na d a p t a t i o nt e c h n o l o g i e sa n dh a n d o v e r sb e t w e e nh e t e r o g e n e o u s n e t w o r k s b a s eo nt h er e s e a r c h ，t h ea u t h o rd e s i g n sa n dd e v e l o p sat y p i c a l h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k so f w l a na n du m t ss y s t e mi n t e r w o r k i n g s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti nn s ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) i ft h ec o d eo ft h i s s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti sr e l e a s e d 、i t 、词1b et h ef i r s tw l a n a n du m t s i n t e r w o r k i n gm o d u l ef o rn s t h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti sd e s i g n e df o r i l t h ea p p l i c a t i o na d a p t a t i o nr e s e a r c h ；t h ei n t e r w o r k i n gs t r u c t u r ea d o p t se t s i l o o s ec o u p l es t r u c t u r ea n dh i e r a r c h i c a lm o b i l i t ym a n a g e m e n ts c h e m e h n a 心li tc a l lp r o v i d es e a m l e s sl a y e r 3h a n d o v e rb e t w e e nh e t e r o g e n e o u s n e t w o r k s b ys i m u l a t i o ni nt h i se n v i r o n m e n t ，t h ea u t h o rr e s e a r c h e sd e e p l y i nt h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di ns t r e a m i n gm e d i aa p p l i c a t i o n sh a n d o v e r b e t w e e nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s ；p r o v i d e st h es t r e a m i n gm e d i a a p p l i c a t i o na d a p t a t i o ns c h e m ed e s c r i b e dp r e v i o u s l y ；a n dd e s i g n sa n d i m p l e m e n t si nt h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t s i m u l a t i o nr e s u l t sr e v e a l st h a t t h es c h e m ei se f f i c i e n c ya n du s e f u l l y i nt h ee n do ft h ep a p e r ，a u t h o r e x p e n d st h es c h e m et op r o v i d es m o o t ha d a p t a t i o np r o c e s s ，a n dl o o k s f o r w a r dt ot h en e x ts t e pw o r kf o rr e s e a r c ho na p p l i c a t i o na d a p t a t i o ni n h a n d o v e ro fh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s ， k e yw o r d s a p p l i c a t i o na d a p t a t i o n ，h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ，u n i t s - w l a n i n t e r w o r k i n g ，h a n d o v e r , s t r e a m i n gm e d i a ，r t c p 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在沧文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 日期 曰期 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 未来的移动通信系统将是一个融合的网络。各种模式的无线接入网( 如 w l a n 、蓝牙、a dh o c 、2 g 3 g 接入网或者卫星通信网等) 可以统一接入全l p 的核心网，用户可以在任何地方宽带接入互联网，可以自由无缝地从一种接入网 漫游或切换到另一种接入网，享受丰富多彩的业务，尤其是多媒体业务。 然而对于异构的接入网络来说，在协议栈的各个层次都存在网络问的差异， 网络融合必须在各个层次解决网络差异性的问题。p 层移动性管理可以屏蔽物 理层和链路层的差异，在口层提供统一的移动性管理手段。而业务和传输层的 自适应可以屏蔽以下诸层的差异，使业务能够根据网络条件的变化而调节自身的 特性，从而在异种网间无缝、透明、高q o s 、高速率地运行，无所不在地提供给 用户比以往更广泛的服务与应用。 这样的前景是令人神往的。为实现这个前景，业界正在进行相关研究。 1 1 移动通信网络的融合与业务的自适应 111 全i p 移动通信网 网络融合是大势所趋：各种无线技术与移动通信网要融合，固网与移动网要 融合，互联网与移动网也要融合无论是哪种融合，移动通信网络都是唱主角 的。由于i p 业务和其相关的标准、技术和基础设施等等已经相当成熟而且非常 普及，所以融合的移动通信网络将以i p 作为统一的接口标准和连接手段，即成 为全i p 移动通信网。 圈1 - 1 ：全i p 移动网络结构示意图。 目前针对全i p 移动通信网络的研究主要集中在这样几个方面：业务层面、 核心网络结构、以及基于i p 的无线接入等： 业务层面的研究主要在o m a ( o p e nm o b i l ea l l i a n c e ) 等标准化组织中进行。 第1 页共9 3 页 北京邮屯大学硕士研究生学位论文 第一章绪沧 而3 g p p 和i t u 把主要工作的焦点集中到核心网络结构和无线接入，根据市 场的要求和可行性，主要考虑c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a ，t d s c d m a ，w l a n 等 无线系统共用全i p 的核心网络。由于全口移动通信核心网的i m s ( i p m u l t i m e d i a s u b s y s t e m ) 要同时支持固定和移动接入，所以关注固网和移动网络融合的n g n 相关研究组织也对i m s 进行了大量研究，e t s i 成立的t i s p a n 小组，就是基于 3 g p p 的i m s 进行n g n 研究的。 而i e t f 做了大量相关口协议的订制工作，包括移动性管理方面( m o b i l ei p ) 、 安全方面( i ps e c ) 、认证方面( a a a ) 和传输方面( s i p ) 等等。 实现全p 移动通信网络并不是一个一蹴而就的过程，从技术和实现的可行 性来看，在整个网络演进过程中将经历4 个主要阶段 1 ： 第一阶段：完成互操作和互通功能。 第二阶段：实现融合的口多媒体核心网络，基本依据目前3 g p p 与3 g p p 2 统一的i m s 参考模型( 玎孙i ，h a r m o n i z a t i o nr e f e r e n c em o d e l ) ，m s 系统采用 s i p 咖议进行端到端呼叫控制。 第三阶段：面向全i p 网络平台，支持多种无线技术的接入。 第四阶段：支持固定网络与移动网络的融合。 11 , 2 u m t s 与w l a n 网络的互通 异构移动通信网络环境是业务自适应性研究的基础。在国内外，关于异构移 动通信网络的研究热点集中在u m t s 网络和w l a n 网络的互通( i n t e r w o r k i n g ) 方案上。 欧洲电信标准化组织( e t s i ) 已经对w w a n 与w l a n 的集成进行相应的 研究，其工作内容在t r1 叭9 5 7 中进行了总结。目前3 g p p r 7 也成立j ，相应组 研究u m t s 和w l a n 互通的问题，研究互通情况下的集中认证、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。 在e t s i b r a n 的推动下，几大w l a n 标准化组织( e t s i b r a n 、i e e e8 0 2 1 1 和m m a c ) 目前已经同意联合建无线互联网络组( w i r e l e s si n t e m e t w o r k n g g r o u p ，w i g ) ，以处理w l a n 和蜂窝移动通信网络问的互连阔题。 11 3 业务自适应 筹2 页共9 3 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 无线通信中的业务自适应就是指作为主体的终端系统、应用或协议能够根据 网络客体的变化，而自动地调整自身的属性以适应客体。业务的自适应技术可以 更好地保证业务的服务质量，提高业务健壮性，在异种阿络问实现业务的透明性。 全i p 移动通信网的主要目标是为用户提供高质量的移动无线接入多媒体应 用服务，如视频图像传输、实现宽带移动互联网提供i p 网络的各种服务( 如浏 览w e b 网页，传递文件等) ，同时要实现无缝漫游。对异构的移动网络而言，由 于移动信道的衰落、用户的移动以及无线资源的稀缺，使得传输环境复杂而恶劣。 我们都知道，移动通信的信道为时变衰落信道，用户接收到的信号强度在短时问 和短距离内移动就会经历较大的波动。而用户在不同小区问移动也使得小区负载 和干扰水平随时问而变化，这样用户所得到的误码率( b e r ) 水平呈现突发性变 化。而跨异种网络的切换更是面临着带宽的变化大、切换时间长、资源分配可能 失败等严峻考验，其中最显著的就是带宽资源差异。所以对于异构的移动网络， 保证业务的q o s 是很困难的。这就要求业务具有自适应性，能够适应异构的网 络环境，尤其是网络带宽的差异。 解决业务自适应的问题具有极其重要的意义。一个方面是，从通信的角度而 言，我们习惯于将问题分解，然后分层解决，对于异构网络保证q o s 的问题也 是如此。在前几年，人们关注于对链路层和物理层进行自适应研究，性能改善的 要求极为苛刻。而如果把任务分担到业务层，则链路层和物理层的性能改善要求 可以适当降低，易于达到。而另一方面，如果业务具备了自适应特性，则在链路 层和物理层不曾进行自适应的情况下，业务也可以正常进行，这将大大提高业务 的健壮性。再者，采用业务自适应也可以实现网络资源的动态分配，当网络负担 比较严重的时候，业务采用轻量级的传输方式，即保证了业务的连续性，同时也 减轻了网络负担，而当网络负担不大时，业务可以采用更高质量的传输，充分利 用网络资源。综上，所以说业务自适应的研究是非常必要的。 对于异构网络情况下的业务自适应亟需解决如下问题： 1 保证应用或会话的无缝连续性。 2 保证业务质量，在当前网络条件f 提供最好服务。 业务自适应研究集中于两方 ( ：如何j ，解网络情况，以及如何对业务进行调 整。现有的研究有如下几种思路： 1 通过主动监测( 发监测探针) 、被动监测( 接收用户数据包并进行统计) 来了解网络情况( 这方面的研究多在于主动和被动方式的相结合，如 【2 ) ； 第3 页共9 3 页 北京邮电大学硕士研究生学位沦文第一章绪论 2 通过跨层信息来了解网络情况( 这方面的研究多在a dh o c 网络的研究， 通过切换后路由表的变化来了解网络跳数的变化【3 ) ： 3 流媒体服务器的相关视频质量控制和发送速率控制算法 4 】； 4 对传输协议的扩展，如友好t c p 机制 5 6 7 】、s c t p 8 等等。 这些研究并没有很好地解决以下这个特定问题：使用r t p r t c p 进行传输的 流媒体业务在异种网络带宽资源不对称切换下的服务质量变化问题。 1 2 课题内容与论文工作 一、论文背景 本论文课题是国际合作项目“n e t g o 全口时络的移动性管理”的内容之 一。n e t g o 项目前期已经实现了基于m i p v 6 的网络层移动性管理方案，并在n s 仿真平台上实现以w l a n ( 8 0 21 l b ) 分层结构网络为倒的移动性管理框架 h n m m ( h i e r a r c h i c a ln e t w o r km o b i l i t ym a n a g e m e n t ) a 二、课题内容 本课题主要内容是进行异构网络切换情况下流媒体业务白适应的研究。研究 内容有如下几点：流媒体业务自适应、异构网络互联方案、异构网问切换，以及 异构网络的仿真环境。重点研究流媒体业务在异构网络切换下的行为及其自适应 方案。 论文有如下成果： 1 。论文针对异构网间切换情况，提出一种流媒体业务自适应方案，其创新 之处在于：通过扩展r t c p 协议的移动性，使其在切换后立即向业务源端发送网 络情况监测报文，从而使业务源端在切换后及时调整发送速率，以适应异种网问 切换前后带宽资源的差异，避免山现质量严重恶化、业务不可用的问题。 2 。论文设计实现了n s 上w l a n 与u m t s 异种网络互通的环境，作为流媒 体业务自适应研究的基础。该环境的发布将为n s 提供首个支持w l a n 与u m q s 网间三层无缝切换的模块。这项工作对于项目组也提供了后续研究的平台。 三、沦文创新点 论文针对异种网问切换情况，提出一种流媒体自适应方案，其创新之处在于 切换之后r t c p 协议不是按原先的发送间隔等待5 s 后发送网络情况监测报文 r r ，而是立即向源端发送r r ，使业务源端及时调整发送速率，以适应异种网间 切换前后带宽资源的差异，避免出现质量严重恶化、业务不可用的问题。该流媒 第4 页共9 3 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪 苦 体自适应方案的实现也有独特之处，一是由终端的移动性代理将切换信息及时上 报给r t c p ，二是r t c p 收到该信息后不进行测量，而是直接查预存在表中的目 标网络情况，然后组成r r 包发送。该方案只作用于终端，实现方便，并且与原 有监测机制兼容。该方案也可用于所有使用r t p r t c p 协议进行传输的实时业 务。 四、论文工作 笔者进行了如下工作： 1 实现异种网络互通的仿真环境n s 上w l a n 与u m t s 互通的环境， 作为流媒体业务白适应研究的基础。 该环境的发布将为n s 提供首个w l a n 与u m t s 异种网络互通的模块，能 够提供网间无缝平滑的三层切换。该工作也为项目组提供了后续研究的平台。 该仿真环境针对业务自适应研究的需要而设计，互通结构采用e t s i 松耦合 结构，采用了统一的分层移动性管理框架h n m m ，能够提供异种网间的无缝半 滑的三层切换。 笔者通过如下步骤完成此项工作：研究分析w l a n 和u m t s 的瓦通方案； 各自的网络环境、结构和切换过程：在n s 下分别引入两种网络的模块，并实现 统一的移动性管理方式h n m m ：进行各自网络情况下的切换仿真。其中重点进 行了以下设计实现：n s 2l b 9 a 版本下h n m m w l a n 网络到n s 2 1 b 9 a g c c 版本的 移植；u m t s 网络对h n m m 框架的支持；u m t s w l a n 双模终端以及切换流 程；可扩展编码流媒体业务：以及流媒体自适应方案，设计实现皆进行了验证。 工作量大。 2 创新地提出一种流媒体自适应方案，即通过扩展r t c p 协议的移动性， 使其在刨换后立即向业务源端发送网络情况监测报文，从而使业务源端在切换后 及时调整发送速率，以适应异种网问切换前后带宽资源的差异，避免出现质量严 重恶化、业务不可用的问题。 笔者通过如下步骤完成此项工作：研究业务自适应的理论和相关技术，研究 流媒体业务的协议、特性和切换过程；在异种网络仿真环境下对流媒体业务进行 仿真并发现问题；钊刘异种网络切换情况设计出业务自适应方案，以解决业务对 资源小对称网络间切换情况的自适应问题；进行仿真实验，进行效果验证；并进 一步提出进行优化的思路。 1 3 研究方法与工具 第5 页共9 3 页 北京邮电大学硕士研究生学位睑文 第一章绪论 1 3 1 研究方法 论文工作采用如下研究思路：分析特征，发现问题，寻找解决方案，通过实 验对比来检验效果。 首先引入w l a n 和u m t s 网络互通的环境，通过仿真发现流媒体业务在异 种网间切换情况下存在的问题。 通过分析网络特征以及业务切换，找到问题的关键点传输控制协议r t c p ， 然后提出解决问题的业务自适应方案通过移动性代理协助以及查找预设网 络情况表项来对r t c p 进行移动性扩展，从而使r t c p 能够及时反映网络的变化 情况，及时通报源端，使源端调整业务特性，实现异种网络切换情况下的业务自 适应。 最后通过在该环境上进行仿真实验，将自适应情况与非自适情况进行对比来 检验效果。 i3 , 2 研究工具 研究中常用的网络级仿真软件有n s ，o p n e t ，m a t l a b 以及c o s s a p 等。 经过比较，基于以下几个特点，本论文工作采用n s 仿真工具： 1 n s 是一款免费的工具，易于获得，不会涉及到版权问题，而且便于论 文工作成果的发布。 2n s 的源代码全部公开，提供开放的用户接口，可以根据需要自己添加 相应的协议和处理模块代码，为研究提供了很大的自由度。 3 n s 采用c + + 语言书写内核，c + + 和面向对象0 t c l 语言相结合的方式来 编写外部模块，较好地平衡了运行性能与用户易用性。 4n s 具有强大的网络仿真性能，其协议库很丰富，能够广泛支持各种蚓 络协议和业务，经过修改能够模拟异种网络互通的场景。n s 能够较好 地模拟业务，可以得到本论文所需的接近真实的业务运行情况。而且由 于n s 是离散调度、事件驱动的仿真器，可以具体地记录网络所有仿真 节点的所有动作，所以对于论文仿真工作的目的：观察切换过程中业务 自适应情况非常适用。 n s 2 仿真软件是由位于美国加州的l n b l ( l a w r e n c eb e r k e l e yn a t i o n a l l a b o r a t o r y ) 网络研究组于1 9 8 9 年开始研究开发的，是一种可扩展的、容易配置 的和可编程的事件驱动网络仿真引擎( s i m u l a t i o ne n g i n e ) 。通过对所研究的目标网 络进行抽象，找出其拓扑模型，并利用o t c l 语言及其类库对网络进行描述， 第6 页共，j 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一罩绪论 链接编译后就成为虚拟的仿真网络。通过设置脚本模拟业务情况、用户行为等来 对该仿真网络加以激励，可以观察到相应情况下网络的响应行为，最终得到仿真 结果。 论文工作中采用的源代码版本是n s 2l b 9 af n s 2 a l l i n o n e 2l b 9 a g c c t a r g z ，可 以在n s 2 官方站点h t t p ：w w w , i s i e d u n s n a m 下载) ，运行在l i n u xr e dh e a d 7 3 操 作系统之上。采用的w l a n 网络模块来自本项目组的i - n m 2 m 代码。 采用的u m t s 网络模块来自经o l i v i e rh y n d e r i c k 与s v e nr a e s 改进过的p a b l o m a r t i n 和p a u l a b a l l e s t e r 开发的u m t s 模块。( 下载地址：u m t s 模块在 h t t p ：h w w wg e o c i t i e sc o m o p a h o s t i l ，改进的p a t c h 在 h t t p ：w w wi n f of u n d pa g b e - l s c r e s e a r c h n s 一2u m t s ) 1 4 论文的组织结构 论文余下章节组织如下：第二章，介绍论文工作所依据的相关理论基础，包 括业务自适应技术、网络互通方案、多媒体应用的相关技术等。第三章，介绍 w l a n 网络仿真环境的引入工作，首先分析了网络环境，然后研究了网络结构 并分析w l a n 网络的切换过程，最后介绍了在n sj 二移植h n m m w l a n 的一 些关键点的考虑与解决，并给出仿真验证结果。第四章，介绍了n s 上u m t s 网络仿真环境的引入工作，结构与上一章相似，所不同的是本章增加了u m t s 网络对h n m m 框架支持的设计工作。第五章，介绍了u m t s 网络和w l a n 网 络互通的方案以及仿真环境的提供，并介绍了有关双模终端的设计和实现，并进 行了验证。第六章是在该环境上对流媒体业务自适应的研究以及验证。第七章总 结论文工作的贡献和不足，提出后继的工作。 第7 页共9 3 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章业务自适应和异种网络切换的相关技术研究 第二章业务自适应和异种网络切换的相关技术研究 本章研究了沧文工作所参考依据的几个丰要技术的理论体系和现有研究成 果。第一、二节是关丁业务自适应的相关技术研究，包括业务白适应理论体系的 研究和对流媒体业务的相关特性和其自适应技术的研究。第三、四节是关于异种 网络切换的相关技术研究，包括异种网络互通方案w i a n 和u m t s 网络的 互通方案以及网络互通所采用的移动性管理技术m 心仰4 。 2 1 业务自适应的相关技术和实现方法 211 业务的定义 由于本文将讨论业务的自适应技术，所以有必要先阐明业务的概念。3 g p p 协议中定义的“电信业务( t e l e s e r v i c e ) ” 9 可以简称为“业务( s e r v i c e ) ”，这 是一个广义的定义，包含网络和终端为了实现该业务所需要的全部功能，包括终 端的用户界面、业务的高层协议以及对底层信息传输能力和质量的要求，可以划 分为用户平面、控制平面和管理平面。 由于论文工作关心的是异构移动网络情况对业务的q o s 性能的影响，所以 将主要关心业务的流量特性、q o s 要求和相关传输协议，也就是会主要关心与用 户信惠的处理和传输有关的用户平面的内容，而不去关心业务的上层控制协议和 用户界面等等控制和管理平面的内容。 关于业务，论文主要关心以下几点： 1 应用层的用户应用代理，提供用户最终需要获得的信息服务，如视频会 话、音频会话以及各种各样的数据类应用，解决各种业务的生成问题， 包括信源编码，w e b 服务，媒体资源库 原始内容库) 等，麓够按照业 务要求提供相应的应用层q o s 。这里的q o s 使用与具体应用有关的指标 来衡量，更加侧重用户的主观感受。例如视频应用的q o s 特性有：分辨 率、逼真度、帧速率等；数据业务的q o s 特性有：时延、数据的正确性 等。 2传输层的传输承我，指各神通信系统的信息比特传输能力，例如i p 网 中的b e 、i n t e s e r v 、d i f f s e r v ，3 g p p 中的各种承载服务( b e a r e rs e r v i c e ) 等等。传输承载可以用一组传输层q o s 属性来描述，日j 以保证业务的服 务质量，使用的三个主要参数为比特速率、差错率和时延。传输承载可 以根据业务的q o s 要求提供相应质量的传输承载服务，同时网络也要求 第8 页共9 3 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章业务自适应和异种网络切换的相关技术研究 传输承载与底层信道相匹配承载。例如用户的语音信息在p s t n 网中传 输时可以采用6 4 k b p s 的p c m 编码，而在g s m 网络中传输就需要采用 r e p l t p 编码，压缩为1 3 k b p s 。上层的应用有能力通过传输协议来选择 网络可以接受的速率。如数据业务可以通过t c p 流控来选择比特通道可 以接受的速率，并获得无差错、无错序和重复的分组传递。 本文中将使用“业务”一词来表示应用与应用的传输承载。 21 2 业务自适应的定义和业务自适应系统的功能框架 一、业务自适应的定义 无线通信中的业务自适应就是指作为主体的终端系统、应用或协议能够根据 网络客体的变化，而自动地调整自身的属性以适应客体。业务的自适应技术可以 更好地保证业务的服务质量，提高业务健壮性，在异种网络间实现业务的透明性。 二、业务自适应技术的组成部分 业务的自适应技术【1o 】通常包含三个部分：网络监测、改变业务特性以及用 于调整特性的信令信息。 1 网络监测，是对网络变化情况的测量、估计或预测。要适应变化，首先 要了解变化的情况，这是自适应技术的前提。获取网络情况可以通过主动监测、 被动监测和混合监测三种方式 1 1 】。 主动监测是指主机或网络向网络中通过主动发送探针( p r o b e ) 而估计网络 的变化情况。例如参考文献 1 2 1 1 1 2 机使用标准的p i n g 或者参考文献 1 3 】的基于代 理的系统。主动监测的实效性好，但是探针的发送给网络增加了很大负担。 被动监测测量的对象是实际的用户数据包，所以比主动监测更为准确。但是 被动监测获得的数据可能不是当前网络的数据，而是一段时间之前的。r t c p 协 议就使用了被动监测方式。 混合监测综合了主动监测和被动临测的优势，一般情况下使用被动，只有当 需要的时候才采用主动监测。例如参考文献 2 】中通过采用混合监测方式而获得 及时准确的信息，同时没有给网络增加很大的负担。 表征网络情况需要确定合适的参量，一般使用的指标有网络层的传输延时、 抖动、丢包、差错率等，这些值可以在接收端( 闭环方式) 进行测量或者有网络 上的第三方监视器进行测量，此外还要考虑测量间隔和估计算法的复杂度等。 2 改变特性。在获得变化情况之后，就可以据此改变自身的特性，这是自 适应技术的核心。例如在自适应信源编码中可以改变的参数有编码方式、码率、 第9 页共9 3 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章业务自适应和异种网络切换的相关技术研究 分辨率、帧速、彩色或黑白、量化台阶等。最佳参数的选择实际上是在限定条件 下目标函数的最优化问题。实际中可以有一些简单的方法，如设定若干阈值等。 由于业务与传输承载紧密相关，所以改变、i k 务特性也包括改变网络对业务的 传输特性。点对多点业务中，如服务器同时对两个能力不同的终端网络传送同一 节目，即需要实时地向连接在高速子网和低速子网地终端同时传送在不同质量的 码流，那么配合可扩展信源编码的使用，在低速网络中，可以加上q o s 过滤器， 比如加在网关处或终端的无线接入代理处。而具体将那些增强帧过滤掉，将根据 对网络的测量评估来进行。 3 调整信令。如果参数的变化对通信系统的其他部分有影响，就必须将变 化信息通过信令方式传递给相应的部分。一般是测量者对于要调整参数的部分发 送信令。 三、自适应业务系统的功能框架 总结了以上三种自适应的关键技术，我们可以参考下图2 - 1 来了解流媒体业 务自适应系统的各个部分功能。 图2 - 1 ：流媒体业务自适应系统的功能框架图 如同所示，流媒体业务的数据方向是单向的，从发湍到收端。其自适应过程 是一个闭环控制的过程。 网络监测采用被动监测，由收端通过接收业务数据而进行统计分析。统计分 析的结果形成调整的信令，传回源端，而在源端的参数设置模块会根据调整信令 中的信息而改变源端的特性，主要是编码特性。 21 3 业务自适应的评价方法 业务自适应的目的是为了调整业务特性使之尽可能地获得当前网络条件下 最符合业务需要的q o s 水平。所以评价业务自适应过程的效果，必须要检验自 适应过程前后的q o s 指标，这是晟主要的评价方面。 第1 0 页共9 3 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章业务自适应和异种网络切换的相关技术研究 除此以外，业务q o s 获得好转是有一定代价的，这个代价就是业务自适应 过程的开销，这一点也不容忽视。 对于业务自适应过程，其开销主要在如下几处： 信道估计开销：如果采用主动发包检测方式，那么此处开销就分为发包的开 销( 由测量问隔和信令决定) 和计算开销( 由算法复杂度决定) ，如果采用被动 收集检测方式，那么此处开销主要为计算开销。 确定调整参数：这里主要是计算开销( 由算法复杂度决定) ，也可以采用策 略的办法来进行调整。如果对于多个业务，则还需要进行多业务间的平衡，算法 将更为复杂。 调整信令开销：发信令进行调整过程的开销( 由调整频率和信令决定) 。 纵上，检验业务自适应的效果，除了要看业务进行调整后的主观q o s 评价 以及基于技术的q o s 指标的好转情况，也要看业务自适应过程的开销情况。 2 2 流媒体业务特性和相关自适应技术 业务传输情况的测量和业务参数的改变都是业务自适应技术的关键点。所以 本节将考察业务的特征和如何改变业务参数，针对研究目的，选择实时性强，业 务吞吐量大的多媒体业务进行考察。本小节首先分析多媒体业务特性，并研究将 多媒体业务自适应的可能性和相关技术。 2 2l 流媒体业务特征和自适应调整的关键q o s 参数 一、流媒体业务的特点 早期的移动网只有语音业务，到2 代的g s m 和l s 一9 5c d m a 开始支持简单 的短消息类业务。随着用户对的各种业务需求的增加，第三代移动通信系统的主 要目标是提供多媒体业务。而多媒体业务对3 g 网络的q o s 也提出了比较严峻的 要求。流媒体业务属于实时多媒体业务，具有如下特点： 1 由多种连续媒体类型组成，如音频和视频。数据量大。 2 实时性强。连续媒体类业务对于时延和抖动的要求比较严格。这类业务 的信息流具有一定的持续性，一般为一个固定比特速率( c b r ) 或可变 比特速率( v b r ) 的比特流。而妒网上存在着延迟、抖动和丢包现象。 当延迟超出缓存能力时，迟到的包将被播放器丢弃，从而影响图像质量。 抖动过大时会导致解码器主动丢包。而丢包则是导致图像质量劣化的最 本质原因，由于媒体数据是前后关联的，并且不同的数据包对于重构图 第1 1 页共9 3 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章业务自适应和异种网络切换的相关技术研究 像的重要性不同，因此丢包( 如i 帧数据的丢包) 可能引起解码器主动 丢弃其他相关的数据包。如果有迟到分组、分组失序和延迟抖动，用户 就会感觉服务质量严重下降。由于流媒体多是预先编码，下载一部分后 就可观看，同时一边下载边播放，在播放终端上有很大的缓存，所以 对时延的要求还没有像会话业务那么苛刻，然而流媒体受抖动的影响非 常严重。 二、流媒体业务的q o s 参数 通过q o s 参数可以量化地表征应用特征。q o s 定义了一个系统的非功能化 特征，它可以影响用户可感知的业务质量。在多媒体系统中可以指图像的质量或 数据传输的时间，具体可以包括吞吐量、时延和分组丢失率等指标。 3 g 中描述业务的基于技术的q o s 特性参数主要包括：时延、可容忍的误码 率、比特速率和时延抖动。其中流媒体业务( s t r e a m i n gc l a s s ) ，包括视频流、音 频流等在线业务，要求保证数据顺序关系，并对抖动要求严格，在5 0 m s 内，时 延要求小于1 0 s 。 三、流媒体业务的评价标准 流媒体业务的信息流是通过对模拟的视频音频信号进行限失真编码而产生 的。由于连续媒体业务最终需要接收端再现出原始的视频和音频信号提供给人的 眼睛和耳朵等感觉器官，因此连续媒体业务的服务质量判断都是主观性的。而人 的感觉器官对于信号质量的感受，是一个取决于信号多方面特性和人的感觉器官 的生理特点的综合判断。 国际上流行的评估话音和视频信号质量的方法是主观法，称为m o s 方法。 它把信号质量的按人的主观感觉分为5 级。这几年，随着人们对人眼视觉系统研 究的深入，人们基于仿人眼视觉模型的原理也可以对图像质量进行客观评估。国 际上成立了i t u r 视频质量专家组( i t u - r v q e g ：v i d e oq u a l i t ye x p e r t sg r o u p ) 专门研究和规范图像质量客观测量的方法和标准。但客观法只能粗糙地仿照人眼 视觉模型，仍是主观评价的补充方法。由于业务质量评价具有主观性，所以可以 容忍一定程度内的差错和失真。 四、流媒体自适应调整的关键q o s 参数 多媒体业务的q o s 参数主要有三个：时延及抖动，比特速率和差错率。业 务对其调整的能力，也就是业务对其的适戍性，都可以归结到对比特速率的适应 性。 关于时延和抖动：由于多媒体业务的时延、抖动都和比特速率呈近似正比的 关系，当网络正常时，比特速率越大，网络业务量越大，因而时延和抖动越大。 第1 2 页共9 3 页 北京邮电大学硕士研究生学位融丈第二章业务自适应和异种网络切换的相关技术研究 反之比特速率小，网络业务量小，时延和抖动也较小。时延、抖动都与速率调整 直接相关，所以对于时延和抖动的适应性表现为速率的适应性，只需讨论速率的 适应性即可。即；比特率小，时延和抖动也小。 关于差错率；在无线链路上差错为衰落和噪声导致的误码，在分组网( i p ， a t m ) 中为拥寨导致的分组丢弃。差错是比特通道质量下降对于业务层最直接 的影响。如果要要通过重传来纠正所有错误。差错率越大，用于纠错重传所消耗 的网络带宽越大，数据