无线多媒体网络的QoS传输控制模型仿真

蒋雪峰，齐瑞红

(1. 北京联合大学信息网络中心，北京 100101 2. 北京联合大学，北京 100101)

1 引言

面向无线网络的多媒体技术是利用计算机综合处理声音、动画、图像、数据以及文字等信息，令使用者能够根据自身的器官和计算机实现数据交互。它具有方便性、互动性、实时性、控制性、集成性；方便性，可根据用户自身认知、喜好、要求、兴趣等应用信息，任意获取声、文、图等表现形式信息；互动性，可以实现人和机器、人和人以及机器的互动，使其存在身临其境的操作环境场景。根据需求实现控制，这是因为人机互相交流是多媒体的最大优点；实时性，在用户发出操作指令时，对应的多媒体信息可以获得实时控制；非线性，该项技术改变了传统读写模式。传统的媒体仅可以被动、单向传播信息，多媒体则能够令人主动控制以及选择；控制性，该项技术主要是以计算机作为中心，通过综合控制以及处理多媒体信息，且按照使用需求通过多媒体的形式表现出来，与人体器官交互；集成性，可以利用多通道合成、组织、存储以及获取信息。因其具有上述特点，可广泛应用于各个领域。

而随着设备不断地升级，各种移动设备逐渐成为未来社会科技的发展方向，采用移动终端来获取多媒体资源的人数越来越多，导致无线网络受到巨大压力。对此，在进行多媒体传输时，因为网络的波动、传输速率等问题，致使实际传输过程中，出现数据丢包，甚至无法传输的情况发生，为此提出面向无线网络多媒体传输的QoS控制模型方法，通过实验模拟可以看出，吞吐量的分布较为规律，丢包问题在可接受的范围之内，同时与有线和实际应用的无线网络多媒体传输对比，所提方法要比实际应用的传输速率快，虽然还是不如有线网络传输速率快，不过十分接近。

2 无线网络的多媒体传输资源分析

2.1 Lyapunov优化时隙序列

先利用Lyapunov漂移把时间均值优化进行转化，变成最小化方式，再对其实施分解，变成相应的无线资源分配以及多媒体层数选择，随后求解从而获得传输路径的调度。

在Lyapunov内，一般把存在时间平均约束的条件进行转换，从而变成队列稳定性的问题，然后再将原问题进行转换，变成瞬时优化的问题。这样就可以通过构建的虚拟队列

H

(

t

)把时间的平均约束转变成队列的稳定性约束，具体

H

(

t

)的公式为

H

(

t

+1)=[

H

(

t

)+

r

(

t

)-

c

(

t

)]

(1)

式中：

r

代表平均时间多媒体的观看速度，

c

代表平均时间多媒体的传输速度，如果虚拟列队为稳定的平均速率，那么在

t

时隙下的具体公式为

(2)

式中：

E

代表系统的平均效用。

通过虚拟列队能够看出，如果多媒体的应用比特率比其传输的速率大，这时虚拟列队会增加，相反，则会降低，具体Lyapunov函数公式为

(3)

Δ(

t

)=

E

[

L

(

t

+

T

)-

L

(

t

)|

H

(

t

)]

(4)

2.2 多媒体虚拟队列选取

多媒体层数最佳的选择能够最大化优化目标函数，对于多媒体传输模型，其中，用户之间是互相独立的，所以，

t

=

kT

(

k

=0，1，2，…)时隙时，用户

u

最佳多媒体层数的决策解的具体公式为

(5)

l

(

t

)∈{1，2，…，

L

}，

u

∈

U

(6)

虚拟队列的长度能够作为多媒体比特率的权重，在长度比较小时，那么比特率的权重相对较低，这时要增加多媒体的层数，以此对用户的体验质量

q

(

t

)进行提升，保证式(5)可以获得最小值，反之，在虚拟列队比较大时，要用更多的代价来提高多媒体层数，这时就能够以减少多媒体层数的方法，确保式(5)可以获得最低值，以常数值

V

作为用户质量

q

(

t

)的体验权重，主要目的是系统平衡效应以及稳定队列，其中，较大的

V

能够有助于算法获得偏向系统提升效应的策略，而较小的

V

能够帮助算法得到稳定性队列。

2.3 无线资源分配

对最大优化目标函数进行计算，求出最佳无线网络资源分配策略，将

t

∈[

kT

，(

k

+1)

T

-1]，

k

=0，1，2，…，代入最大优化问题，可以获得公式为

(7)

a

，(

t

)∈[0，1]，∀

t

∈[

kT

，(

k

+1)

T

-1]

(8)

(9)

式中：

G

，代表简化公式引入，具体公式为

(10)

在利用小基站

s

决策时，能够轻松获取

H

(

kT

)，

G

，(

t

)能够采用上一个时隙用户的

CQI

反馈获得，所以，式(8)、(9)、(10)的优化问题是经典离散的线性规划问题，另外，参数

H

(

kT

)以及

G

，(

t

)所有小基站都能够独立获得，且小基站间决策也可以互相独立，所以，每一个小基站能够通过目前得到的参数，实现独立决策最佳无线网络资源，具体公式为

(11)

相对小基站

s

来说，式(11)非常容易求解，只需要把全部无线资源分配至

H

(

kT

)

G

，(

t

)比较大用户就行，以此能够完成整体系统的无线网络资源最佳分配。不过，小基站每一个时隙均能够决策无线网络资源的分配情况，因此，使用户和小基站间无线连接发生不断地变化。

2.4 多媒体传输路径

通过Lyapunov方法，可以确保

H

(

t

)的平均稳定速率，以此能够在小基站内缓存多媒体的长度，并不会占据较大的存储空间。

(12)

规划多媒体流路径时，其中，单个多媒体流传输的过程内，仅利用一条路径转发，这是由于多路径的转发会导致数据包乱序到达，以此生成额外解码开销。另外，基层数据也十分重要，在增强层解码的同时，会依赖于基层以及更低的增强层数据，所以，规划路径时，是为比较低的多媒体层设定更高优先级。因此，在进行多媒体传输的路径调度时，要先利用式(12)计算出所有多媒体需要的无线带宽，接着，通过所有多媒体流优先级，实现无线带宽的分配。

3 QoS控制模型构建

由于传输前需要计算出全部的多媒体流层，这就导致所需要计算的量特别大，并且很难实现，所以通过引入QoS(Quality of Service，服务质量)自适应控制模型，改善这一问题，主要是因为该控制模型，拥有较好的传输性能以及策略性能的参数体系，且和具体的自适应算法联系紧密。

该控制模型主要由4部分构成，它们分别为：控制回路、常规的反馈控制器、被控对象以及参考模型。它们之间的结构关系，具体如图1所示。

图1 参考模型的控制系统结构图

通过观察图1能够看出，输出响应

y

(

t

)代表模型的动态响应。参考输入

r

(

t

)添加至系统以及模型的入口，系统输出响应

y

(

t

)和模型输出响应

y

(

t

)会生成偏差信号

e

(

t

)。当偏差信号

e

(

t

)进入调整回路内，通过规则对其进行适当调整，从而直接改变控制器的参数或者生成等效附加控制作用，此时，需要保证

y

(

t

)=

y

(

t

)。在偏差信号

e

(

t

)=0时，调整的过程就会停止，而控制器的参数也将自动整定结束，而外界一旦给予扰动，那么系统的输出就会偏离标准的输出，这样系统就将重新进入调整过程。将无线网络多媒体传输的控制映射至自适应

QoS

模型中，具体如图2所示。

图2 QoS控制模型结构

在QoS控制模型中系统会发送连续媒体，将其作为输入，在接收方接收到媒体后，将其作为输出，而模型状态能够采用系统资源对其进行表述。

用户的QoS需求模块可以通过参考模型获得，就是在给定媒体流后，希望得到多媒体服务输出。系统内的被控对象模块与传输质量的好坏、路由器的缓冲、带宽情况存在密切关系。系统控制器能够控制被控对象，从而获得理想的结果。系统自适应规则，能够利用期望的质量以及输出质量之间的误差，调整控制器参数，实现整体网络的最大化传输，维持系统的实际运行。

在系统处于单一的情况，多媒体的传输控制，能够使系统输出满足用户所设定的QoS要求，而处于比较复杂状况时，很多应用都会拥有各种要求，对共享资源进行竞争。对于系统的参数输出情况，是用户QoS所要求的向量组，在向量组内，所有的向量元素都与QoS的要求相对应。即输出以及输入也是以向量组进行对应的，那么这时的自适应控制需求，会整合所有系统动态的资源，从而对其进行分配，满足QoS需求，使资源的利用率达到最佳效果。

4 实验证明

4.1 实验一

为了验证本文构建的QoS控制是否能够有效模拟无线网络多媒体传输应用，进行实验验证。设置样本数据的个数为1000条，时间设置为100分钟，中间间隔为20秒。在使用无线网络对多媒体进行传输时，其中绝大部分是利用有线网络构成的，仅最后的一跳是采用无线网络所构成的。具体结构如图3所示。

图3 网络拓扑结构图像

通过观察图3能够看出：R至发送节点的位置是有线链路，它的带宽均是20Mbit/s，延时时间为1ms，全部流会共享R至R有线的瓶颈链路，而链路的延时以及带宽是通过发送端数据数量所确认的。每一个接收点至R间全都是无线链路，设置带宽是200kbit/s，8ms延时。

然后通过人为的方式对无线网络设置外界进行干扰，使网络出现波动，然后采用本文的控制方法，对存在干扰的网络进行数据传输，观察其丢包率的情况，观察处于干扰的情况下，传输过程中的吞吐率的变化情况，具体如图4所示。

图4 多媒体传输控制图

通过观察图4能够看出：①经过外界干扰的吞吐量变化，分布规律出现严重的波动，时而高、时而低，丢包率明显，在接收端所接收到的信息，出现严重的丢失情况，而采用了本文的QoS控制方法以后，②虽然随着时间变化不断地抖动，不过分布情况较为规律，而在接收端所接收到的数据，虽然同样出现丢失的情况。不过该情况不足1%。

4.2 实验二

为了验证本文方法是否能够有效地控制无线网络数据传输情况，通过在计算机上对本文方法进行模拟，同时将本文方法与有线网络、实际的无线网络多媒体传输数据进行对比，观察三者的传输情况。实验环境与上述相同，不过为了能够便于观察，将样本数据从1000条增加至100000条，时间设置仍然为100分钟，目的是得出传输速率快慢情况，具体对比结果如图5所示。

图5 多媒体传输速率对比

通过观察图5能够看出：有线网络的传输速率最快，这是因为有线网络采用的是光信号在光纤中传播，受到的外界干扰小，因此传输的速度快。实际中的无线网络传输，采用的无线电波作为信号传输媒介，容易受到周围的大气、磁场等影响，所以传输效果最差。而本文的控制方法通过引入QoS控制方法，不仅能够提升抗干扰，还能够有效提升传输速率，使其尽可能地接近有线传输速率。虽然不如有线网络传输速率快，但是十分接近。

5 结束语

本文提出的面向无线网络多媒体传输的QoS控制模型，能够实时调整控制参数，令多媒体传输满足用户所设定QoS要求，从而使其利用率达到最大化。不过由于科技每天都在更新，所以未来本文要进一步提升实时运算速度，以此保证多媒体传输的效率更加安全、可靠。