3G無線網絡中自適應QoS多媒體傳輸

2019-11-03 09:03:25

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劉俊勇，陶洋

重慶郵電學院，重慶400065

　　摘　要：探討自適應QoS支持的多媒體（如視頻、音頻、電子郵件和web流量）在3G無線信道傳輸時資源的分配。對不同類型媒體，結合鏈路層和應用層的自適應QoS，給出一種端到端的結構。估計變化的信道并進行動態分配資源。

　　關鍵詞：第3代移動通信；自適應服務質量；前向糾錯；自動請求重傳

　　0　引　言

　　隨著Internet和無線接入的快速增長，在無線網絡上傳輸多媒體業務有巨大的需求。3G無線網絡給多媒體業務提供384 kbit／s～2 Mbit／s的帶寬，使得在無線鏈路上提供集成的數據，語音，音頻，視頻業務成為可能［1］。

　　不同媒體的特征是不同的。對實時多媒體傳輸，如視頻和音頻，延時要求小，但容許一些錯誤。另外，非實時多媒體傳輸，如Web接入和下載文件，需要可靠性，容許一定的延時。不同媒體的不同特性或給定媒體的不同部分，需要各種QoS。如低層的可擴展的媒體編解碼器有高的QoS需求［2］。有幾種不同QoS需求的業務系統的主要困難是在可變的信道中不容易把這些質量標準結合為單一的性能測量標準以達到理想的質量。為達到理想的媒體質量，可以控制媒體源或信道。優化通常是局部的，因為沒考慮一些動態的系統。

　　針對這些難題，給出跨層的媒體傳輸結構來支持不同類的QoS?？紤]了應用層，傳輸層，鏈路層和物理層，以達到理想的端到端的質量。并考慮了信道的動態變化。

　　1　3G無線信道的跨層端到端自適應QoS多媒體傳輸結構　　

　　為有效地在3G無線信道傳輸多媒體業務，應支持多媒體流和不同的QoS。支持多媒體流，即在同一個源能同時支持不同QoS需求的流。因為在用戶間的多媒體通信有可能包含不同QoS需求的語音、視頻、數據。在3G標準中有4種不同的QoS類：對話類、流類、交互式類、背景類［3］。

　　第3代無線標準從概念上定義了一定范圍的參數值，這就使得有很多可選的方法來制訂一系列的流量和QoS參數值。在提出的傳輸結構中，自適應的QoS被劃分為兩部分：鏈路層自適應QoS，系統層自適應QoS［3－5］。

　　在3G無線信道上進行多媒體傳輸的挑戰是把網絡層和應用層結合起來考慮，以達到理想的端到端性能。設計出跨層的自適應機制以達到：

　　（1）根據媒體特性自適應調整鏈路層的QoS；

　?。?）精確模擬可變的衰減信道和動態的產生比特錯誤和突發錯誤的反饋；

　?。?）根據媒體特性和可變的信道狀態自適應地進行源的比特分配和在應用層進行保護；

　?。?）對不同類型的媒體周期性的重新分配資源來達到理想的端到端的質量。

　　圖1給出在3G無線信道上進行多業務傳輸的多媒體傳輸構架。為準確地估計信道狀態，信道的BER，衰減深度，可獲得的功耗和切換（handoff）通過不同層反饋到接收端。對電源管理，在后臺采用監控程序周期監測電池的能耗。

　　2　鏈路層自適應QoS

　　在3G無線信道上有效地傳輸多媒體，需要支持不同類的QoS。傳輸流的質量主要依靠它的流量、最大比特率、能保證的比特率、傳輸延遲、容錯性、保護級別、傳輸信道特性等。在我們提出的傳輸結構中，無線資源控制（RRC）模塊與鏈路控制（RLC）媒體接入控制（MAC）和物理層協商來決定合適的模式，如圖2所示。

　　在3G無線信道，每種業務對應一個獨立的傳輸信道。對即將出現的業務請求，相應的配置需要根據業務的特性進行處理。物理層上合適的交織長度和RLC上的合適的重傳計數能根據延遲計算出。在物理層根據容錯需求選擇合適的編碼模式。如視頻傳輸選0．5速率的卷積編碼，Web數據用Turbo編碼。

　　通過在每個邏輯鏈路選擇正確的比特率，傳輸功耗，傳輸調度使流量最大化。最大流量定義為整個激活的鏈路上的平均數據率的和。

　　3　應用層自適應QoS

　　如上所述，當媒體在信道中傳輸時激活鏈路層自適應QoS。媒體在發送時應用層的自適應QoS對其產生影響。

　　考慮到有限的帶寬和無線鏈路的易出錯環境，采用錯誤控制機制是很有必要的。圖3為自適應信道混合錯誤控制機制，冗余被控制到最低。

　　有2個基本的錯誤檢測機制，ARQ和FEC（forward error correction）。ARQ讓接收端請求重傳丟失或損壞的數據包。FEC傳輸原始數據有一些冗余，允許接收端重建丟失或損壞的數據包。在這2個錯誤控制機制，FEC通常用在實時通信，因為它的延時小。然而，即使在沒有錯誤發生的信道FEC，也要引入固定的傳輸開銷。

　　要保持理想的保護級別，好的錯誤控制機制應該考慮媒體編碼特性和可變的信道環境。根據各種媒體的重要性和單個媒體發生錯誤后對整個媒體質量產生的影響來確定的冗余度。

　　4 最佳的資源分配

　　動態資源分配對支持應用層控制的分布式多媒體系統很有必要。無線網絡中資源分配的目的是決定怎樣分配資源來滿足業務需求的質量并且整個媒體流失真最小或功耗最低。通常，不同類型的媒體對整個媒體有不同的影響，在媒體處理中的功耗也不同。計算時，ri表示第i個媒體流的發送速率，di表示流的失真，ai表示流在質量上受影響的程度，Pi表示處理流的功耗。資源分配的難題可分別表示為：

　　式中，DT是用戶可以接受的失真，PT和RT各是可獲得的功率和當前整個即時的比特率。每種媒體速率和失真的關系是Ri＝F（Di）。由速率失真原理，信源對媒體單元的編碼率越低，媒體的失真越大，R2>R1aD2
　　在無線鏈路，失真由信源失真和信道失真組成。信源失真（Source D（Rs））由媒體速率控制引起。信道的隨機誤碼和突發的衰減誤碼引起信道失真Distortion（n）。用公式表示為

　　式（1）中，P（n）是第n個比特出錯的概率。

　　基于速率－失真的關系，很有必要采用一些錯誤保護機制來減少由信道傳輸引起的失真。下面分別討論FEC，ARQ和混合的FEC／ARQ機制。

　　FEC（forward error corection）適合實時通信。但可變的信道環境限制其有效的使用，因為不恰當的設計會引起大量的開銷。采用自適應FEC在無線網絡中傳輸多媒體。如果網絡環境好，錯誤糾正速率將減少。相反，如果網絡環境糟糕，就增加錯誤糾正速率。于是媒體保護機制根據媒體數據的優先級和網絡環境而自適應地變化。

　　假設R是速率，FEC下的失真可由下式計算出。

　　式（2）中，wm是第m個媒體的失真度，Derror(l,m)是信道失真，第m個媒體中第l個符號發生錯誤。M是媒體類型數，Lm是第m個媒體中的整個符號數。

　　如圖4，對FEC機制存在一個最佳的速率（Ropt－FEC）來達到最小的失真（Dmin－FEC）。閉環的錯誤控制技術如ARQ（automatic repeat on request）已經顯示出比FEC更有效。但重傳錯誤的數據幀會引入額外的時延，這一點對實時的話音業務很重要。

　　ARQ模式下的速率－失真關系表示為：

　　如圖5，對ARQ模式存在一個最佳的速率（Ropt－ARQ）使失真最小（Dmin－ARQ）。沒考慮固定時延，Dmin－ARQ＜Dmin－FEC。如考慮媒體的固定時延（Tbound），這種理想的失真不可能達到。

　　基于上面的分析，混合的FEC／ARQ很自然的變成對多媒體傳輸合適的錯誤保護模式。在我們的錯誤控制模式中，固定時延的ARQ和優先關系的FEC被集成到一起，達到對不同媒體的最佳保護。這兒，使用固定時延的ARQ，意味著如果數據包在某一時間間隔后沒有到達，它將放棄重新傳輸，把丟失的信息送給高層。

　　R（t）表示在時間t信道的傳輸速率，Rs（t）、RARQ（t）、RFEC（t）分別表示在時間t對某種媒體信源的速率、ARQ的速率、FEC的速率，Nbound表示有界的重傳計數。然后問題變為在時間t分配可利用的比特率。如在約束條件

圖6是在混合的FEC／ARQ模式下相應的速率－失真的關系?；谏厦娴姆治?，可得出：Dmin－ARQ≤Dmin≤Dmin－FEC。同時，能達到媒體的延遲限制（Tbound）。

　　考慮了可變的信道環境和比特率，資源分配的方案能達到最小的失真或最低的功耗。

　　5　結　論

　　文中給出了用于在3G無線信道上傳輸多媒體的跨層的自適應QoS結構。結合信道模型，鏈路層的自適應QoS，應用層的自適應QoS和對不同媒體的資源分配，能夠得到最佳的端到端的質量。

　　參考文獻

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　　［3］　3GTS23．107，v．3．2．0－2000．QoSConcept　and Architecture［S］．

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摘自《重慶郵電學院學報》

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