無線多媒體網絡的QoS傳輸控制模型仿真

蔣雪峰，齊瑞紅

(1. 北京聯合大學信息網絡中心，北京 100101 2. 北京聯合大學，北京 100101)

1 引言

面向無線網絡的多媒體技術是利用計算機綜合處理聲音、動畫、圖像、數據以及文字等信息，令使用者能夠根據自身的器官和計算機實現數據交互。它具有方便性、互動性、實時性、控制性、集成性；方便性，可根據用戶自身認知、喜好、要求、興趣等應用信息，任意獲取聲、文、圖等表現形式信息；互動性，可以實現人和機器、人和人以及機器的互動，使其存在身臨其境的操作環境場景。根據需求實現控制，這是因為人機互相交流是多媒體的最大優點；實時性，在用戶發出操作指令時，對應的多媒體信息可以獲得實時控制；非線性，該項技術改變了傳統讀寫模式。傳統的媒體僅可以被動、單向傳播信息，多媒體則能夠令人主動控制以及選擇；控制性，該項技術主要是以計算機作為中心，通過綜合控制以及處理多媒體信息，且按照使用需求通過多媒體的形式表現出來，與人體器官交互；集成性，可以利用多通道合成、組織、存儲以及獲取信息。因其具有上述特點，可廣泛應用于各個領域。

而隨著設備不斷地升級，各種移動設備逐漸成為未來社會科技的發展方向，采用移動終端來獲取多媒體資源的人數越來越多，導致無線網絡受到巨大壓力。對此，在進行多媒體傳輸時，因為網絡的波動、傳輸速率等問題，致使實際傳輸過程中，出現數據丟包，甚至無法傳輸的情況發生，為此提出面向無線網絡多媒體傳輸的QoS控制模型方法，通過實驗模擬可以看出，吞吐量的分布較為規律，丟包問題在可接受的范圍之內，同時與有線和實際應用的無線網絡多媒體傳輸對比，所提方法要比實際應用的傳輸速率快，雖然還是不如有線網絡傳輸速率快，不過十分接近。

2 無線網絡的多媒體傳輸資源分析

2.1 Lyapunov優化時隙序列

先利用Lyapunov漂移把時間均值優化進行轉化，變成最小化方式，再對其實施分解，變成相應的無線資源分配以及多媒體層數選擇，隨后求解從而獲得傳輸路徑的調度。

在Lyapunov內，一般把存在時間平均約束的條件進行轉換，從而變成隊列穩定性的問題，然后再將原問題進行轉換，變成瞬時優化的問題。這樣就可以通過構建的虛擬隊列

H

(

t

)把時間的平均約束轉變成隊列的穩定性約束，具體

H

(

t

)的公式為

H

(

t

+1)=[

H

(

t

)+

r

(

t

)-

c

(

t

)]

(1)

式中：

r

代表平均時間多媒體的觀看速度，

c

代表平均時間多媒體的傳輸速度，如果虛擬列隊為穩定的平均速率，那么在

t

時隙下的具體公式為

(2)

式中：

E

代表系統的平均效用。

通過虛擬列隊能夠看出，如果多媒體的應用比特率比其傳輸的速率大，這時虛擬列隊會增加，相反，則會降低，具體Lyapunov函數公式為

(3)

Δ(

t

)=

E

[

L

(

t

+

T

)-

L

(

t

)|

H

(

t

)]

(4)

2.2 多媒體虛擬隊列選取

多媒體層數最佳的選擇能夠最大化優化目標函數，對于多媒體傳輸模型，其中，用戶之間是互相獨立的，所以，

t

=

kT

(

k

=0，1，2，…)時隙時，用戶

u

最佳多媒體層數的決策解的具體公式為

(5)

l

(

t

)∈{1，2，…，

L

}，

u

∈

U

(6)

虛擬隊列的長度能夠作為多媒體比特率的權重，在長度比較小時，那么比特率的權重相對較低，這時要增加多媒體的層數，以此對用戶的體驗質量

q

(

t

)進行提升，保證式(5)可以獲得最小值，反之，在虛擬列隊比較大時，要用更多的代價來提高多媒體層數，這時就能夠以減少多媒體層數的方法，確保式(5)可以獲得最低值，以常數值

V

作為用戶質量

q

(

t

)的體驗權重，主要目的是系統平衡效應以及穩定隊列，其中，較大的

V

能夠有助于算法獲得偏向系統提升效應的策略，而較小的

V

能夠幫助算法得到穩定性隊列。

2.3 無線資源分配

對最大優化目標函數進行計算，求出最佳無線網絡資源分配策略，將

t

∈[

kT

，(

k

+1)

T

-1]，

k

=0，1，2，…，代入最大優化問題，可以獲得公式為

(7)

a

，(

t

)∈[0，1]，?

t

∈[

kT

，(

k

+1)

T

-1]

(8)

(9)

式中：

G

，代表簡化公式引入，具體公式為

(10)

在利用小基站

s

決策時，能夠輕松獲取

H

(

kT

)，

G

，(

t

)能夠采用上一個時隙用戶的

CQI

反饋獲得，所以，式(8)、(9)、(10)的優化問題是經典離散的線性規劃問題，另外，參數

H

(

kT

)以及

G

，(

t

)所有小基站都能夠獨立獲得，且小基站間決策也可以互相獨立，所以，每一個小基站能夠通過目前得到的參數，實現獨立決策最佳無線網絡資源，具體公式為

(11)

相對小基站

s

來說，式(11)非常容易求解，只需要把全部無線資源分配至

H

(

kT

)

G

，(

t

)比較大用戶就行，以此能夠完成整體系統的無線網絡資源最佳分配。不過，小基站每一個時隙均能夠決策無線網絡資源的分配情況，因此，使用戶和小基站間無線連接發生不斷地變化。

2.4 多媒體傳輸路徑

通過Lyapunov方法，可以確保

H

(

t

)的平均穩定速率，以此能夠在小基站內緩存多媒體的長度，并不會占據較大的存儲空間。

(12)

規劃多媒體流路徑時，其中，單個多媒體流傳輸的過程內，僅利用一條路徑轉發，這是由于多路徑的轉發會導致數據包亂序到達，以此生成額外解碼開銷。另外，基層數據也十分重要，在增強層解碼的同時，會依賴于基層以及更低的增強層數據，所以，規劃路徑時，是為比較低的多媒體層設定更高優先級。因此，在進行多媒體傳輸的路徑調度時，要先利用式(12)計算出所有多媒體需要的無線帶寬，接著，通過所有多媒體流優先級，實現無線帶寬的分配。

3 QoS控制模型構建

由于傳輸前需要計算出全部的多媒體流層，這就導致所需要計算的量特別大，并且很難實現，所以通過引入QoS(Quality of Service，服務質量)自適應控制模型，改善這一問題，主要是因為該控制模型，擁有較好的傳輸性能以及策略性能的參數體系，且和具體的自適應算法聯系緊密。

該控制模型主要由4部分構成，它們分別為：控制回路、常規的反饋控制器、被控對象以及參考模型。它們之間的結構關系，具體如圖1所示。

圖1 參考模型的控制系統結構圖

通過觀察圖1能夠看出，輸出響應

y

(

t

)代表模型的動態響應。參考輸入

r

(

t

)添加至系統以及模型的入口，系統輸出響應

y

(

t

)和模型輸出響應

y

(

t

)會生成偏差信號

e

(

t

)。當偏差信號

e

(

t

)進入調整回路內，通過規則對其進行適當調整，從而直接改變控制器的參數或者生成等效附加控制作用，此時，需要保證

y

(

t

)=

y

(

t

)。在偏差信號

e

(

t

)=0時，調整的過程就會停止，而控制器的參數也將自動整定結束，而外界一旦給予擾動，那么系統的輸出就會偏離標準的輸出，這樣系統就將重新進入調整過程。將無線網絡多媒體傳輸的控制映射至自適應

QoS

模型中，具體如圖2所示。

圖2 QoS控制模型結構

在QoS控制模型中系統會發送連續媒體，將其作為輸入，在接收方接收到媒體后，將其作為輸出，而模型狀態能夠采用系統資源對其進行表述。

用戶的QoS需求模塊可以通過參考模型獲得，就是在給定媒體流后，希望得到多媒體服務輸出。系統內的被控對象模塊與傳輸質量的好壞、路由器的緩沖、帶寬情況存在密切關系。系統控制器能夠控制被控對象，從而獲得理想的結果。系統自適應規則，能夠利用期望的質量以及輸出質量之間的誤差，調整控制器參數，實現整體網絡的最大化傳輸，維持系統的實際運行。

在系統處于單一的情況，多媒體的傳輸控制，能夠使系統輸出滿足用戶所設定的QoS要求，而處于比較復雜狀況時，很多應用都會擁有各種要求，對共享資源進行競爭。對于系統的參數輸出情況，是用戶QoS所要求的向量組，在向量組內，所有的向量元素都與QoS的要求相對應。即輸出以及輸入也是以向量組進行對應的，那么這時的自適應控制需求，會整合所有系統動態的資源，從而對其進行分配，滿足QoS需求，使資源的利用率達到最佳效果。

4 實驗證明

4.1 實驗一

為了驗證本文構建的QoS控制是否能夠有效模擬無線網絡多媒體傳輸應用，進行實驗驗證。設置樣本數據的個數為1000條，時間設置為100分鐘，中間間隔為20秒。在使用無線網絡對多媒體進行傳輸時，其中絕大部分是利用有線網絡構成的，僅最后的一跳是采用無線網絡所構成的。具體結構如圖3所示。

圖3 網絡拓撲結構圖像

通過觀察圖3能夠看出：R至發送節點的位置是有線鏈路，它的帶寬均是20Mbit/s，延時時間為1ms，全部流會共享R至R有線的瓶頸鏈路，而鏈路的延時以及帶寬是通過發送端數據數量所確認的。每一個接收點至R間全都是無線鏈路，設置帶寬是200kbit/s，8ms延時。

然后通過人為的方式對無線網絡設置外界進行干擾，使網絡出現波動，然后采用本文的控制方法，對存在干擾的網絡進行數據傳輸，觀察其丟包率的情況，觀察處于干擾的情況下，傳輸過程中的吞吐率的變化情況，具體如圖4所示。

圖4 多媒體傳輸控制圖

通過觀察圖4能夠看出：①經過外界干擾的吞吐量變化，分布規律出現嚴重的波動，時而高、時而低，丟包率明顯，在接收端所接收到的信息，出現嚴重的丟失情況，而采用了本文的QoS控制方法以后，②雖然隨著時間變化不斷地抖動，不過分布情況較為規律，而在接收端所接收到的數據，雖然同樣出現丟失的情況。不過該情況不足1%。

4.2 實驗二

為了驗證本文方法是否能夠有效地控制無線網絡數據傳輸情況，通過在計算機上對本文方法進行模擬，同時將本文方法與有線網絡、實際的無線網絡多媒體傳輸數據進行對比，觀察三者的傳輸情況。實驗環境與上述相同，不過為了能夠便于觀察，將樣本數據從1000條增加至100000條，時間設置仍然為100分鐘，目的是得出傳輸速率快慢情況，具體對比結果如圖5所示。

圖5 多媒體傳輸速率對比

通過觀察圖5能夠看出：有線網絡的傳輸速率最快，這是因為有線網絡采用的是光信號在光纖中傳播，受到的外界干擾小，因此傳輸的速度快。實際中的無線網絡傳輸，采用的無線電波作為信號傳輸媒介，容易受到周圍的大氣、磁場等影響，所以傳輸效果最差。而本文的控制方法通過引入QoS控制方法，不僅能夠提升抗干擾，還能夠有效提升傳輸速率，使其盡可能地接近有線傳輸速率。雖然不如有線網絡傳輸速率快，但是十分接近。

5 結束語

本文提出的面向無線網絡多媒體傳輸的QoS控制模型，能夠實時調整控制參數，令多媒體傳輸滿足用戶所設定QoS要求，從而使其利用率達到最大化。不過由于科技每天都在更新，所以未來本文要進一步提升實時運算速度，以此保證多媒體傳輸的效率更加安全、可靠。