藺玉柱，彭 偉，王 程

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖241000)

0 引言

隨著光纖通信技術(shù)的迅速發(fā)展，基于數(shù)字無(wú)線技術(shù)的新一代寬帶無(wú)線本地通信系統(tǒng)在未來(lái)將得到廣泛應(yīng)用［1］。該系統(tǒng)將可以提供固定比特率(CBR)和可變比特率(VBR)2種服務(wù)，可用來(lái)支持一系列的語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)和其他應(yīng)用。相對(duì)于有線傳媒，在無(wú)線介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)這些功能是更加困難的［2］。為了克服這個(gè)困難，提出了一個(gè)模型，能夠保證與有線系統(tǒng)具有相似的服務(wù)質(zhì)量。

對(duì)于MAC方案，一個(gè)物理信道存在多個(gè)邏輯信道，當(dāng)多個(gè)移動(dòng)臺(tái)同時(shí)使用這條物理信道進(jìn)行信息傳輸時(shí)，會(huì)發(fā)生沖突。提出的新MAC方案能夠根據(jù)用戶的實(shí)時(shí)需求，最大程度避免沖突，給用戶提供一個(gè)連續(xù)的無(wú)線通信系統(tǒng)。

一個(gè)無(wú)線小區(qū)的多路轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)無(wú)線終端(WTS)和一個(gè)基站(BS)［3］，如果每一個(gè)無(wú)線終端都存在一個(gè)中央控制單元，它能夠?qū)Σ捎肕AC協(xié)議給無(wú)線終端分配時(shí)隙的數(shù)據(jù)包調(diào)度程序［4］加以控制，那么就可以保證用戶的服務(wù)質(zhì)量。該數(shù)據(jù)包調(diào)度程序是在Anirban Roy等人的研究基礎(chǔ)上對(duì)算法改進(jìn)的［5］。

1 VBR視頻模型

目前已有的實(shí)時(shí)應(yīng)用，比如聲音信息和視頻信息等，大多數(shù)都可以被建模成一個(gè)比特率可變(VBR)的服務(wù)系統(tǒng)。本文以VBR視頻通信為例進(jìn)行研究說(shuō)明。由于來(lái)自編碼器隨時(shí)間變化的比特率是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，當(dāng)對(duì)這種隨機(jī)改變的比特率加以限制后，這個(gè)隨機(jī)過(guò)程就變成可控的了。希望能找到這樣一個(gè)控制比特流的描述方法，要求它既能被通信網(wǎng)絡(luò)接納，又不會(huì)在執(zhí)行時(shí)過(guò)多地影響服務(wù)質(zhì)量［6］?，F(xiàn)在具體描述下面這種VBR視頻模型。

編解碼器有2種工作狀態(tài):一個(gè)是尖峰期，這個(gè)是和每一幀圖像變化相對(duì)應(yīng)的;另一個(gè)是平穩(wěn)期，它代表了一幀圖像傳輸期間編解碼器的行為［7］。在一個(gè)給定的平穩(wěn)期，編解碼器的行為因信息序列的不同而略有不同;2個(gè)不同平穩(wěn)期的比特率可能有顯著的變化。

VBR視頻信源的建模目前廣泛使用的一種方法是利用馬爾可夫調(diào)制過(guò)程來(lái)調(diào)制的信息。如圖1所示［5］，對(duì)于視頻信息，用馬爾可夫鏈 K{N1，N2，…，NK}來(lái)調(diào)制到來(lái)的信息。圖1中每一個(gè)狀態(tài)Ni代表一個(gè)幀的信息在傳輸時(shí)的編解碼器狀態(tài)，而狀態(tài)P代表了幀與幀改變時(shí)的編解碼器狀態(tài)。

圖1 VBR視頻源模型

這個(gè)模型的比特流服從馬爾可夫鏈模型，編解碼器的比特率僅僅由幾個(gè)電平和一個(gè)與幾何分布占有時(shí)間相關(guān)的高峰電平值組成。因此采用上面這個(gè)模型來(lái)開(kāi)發(fā)、模擬上述的協(xié)議。

2 多址接入方案

目前成熟的MAC協(xié)議［4］集中了數(shù)據(jù)包調(diào)度所需要的管理、控制功能，它們?cè)诨局凶鳛橐粋€(gè)整體運(yùn)行。上行傳輸和下行傳輸使用不同頻率的物理信道，但卻是在同一時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行傳輸。在時(shí)分復(fù)用方式下，這種時(shí)隙被分為可用時(shí)隙和預(yù)留時(shí)隙2類。可用時(shí)隙通常用來(lái)傳輸動(dòng)態(tài)參數(shù)和接入請(qǐng)求，而預(yù)留時(shí)隙用來(lái)發(fā)送視頻數(shù)據(jù)(以數(shù)據(jù)包的形式)。為了協(xié)調(diào)上行傳輸中的多址接入問(wèn)題，基站負(fù)責(zé)產(chǎn)生輪詢指令來(lái)管理這個(gè)時(shí)隙［8］，從而避免沖突。輪詢指令包括WAT標(biāo)識(shí)、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)和一個(gè)序列指令(SC)位，無(wú)線終端在進(jìn)行信息傳輸時(shí)，相應(yīng)的SC位交替設(shè)為0和1。如果基站在指定的時(shí)隙內(nèi)沒(méi)有接收到視頻數(shù)據(jù)，那么基站將給相應(yīng)的無(wú)線終端發(fā)送一個(gè)特定序列，使無(wú)線終端重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直至該數(shù)據(jù)包被成功接收?；具€決定一個(gè)可用時(shí)隙是在隨機(jī)接入模式下使用，還是在輪詢的模式下使用。如果是輪詢模式下的一個(gè)可用時(shí)隙，那么相應(yīng)無(wú)線終端會(huì)在這一時(shí)隙內(nèi)發(fā)送動(dòng)態(tài)參數(shù)和其他相關(guān)指令。由于在這些時(shí)隙內(nèi)沒(méi)有發(fā)送真正的大容量視頻數(shù)據(jù)包，所以它們的信道負(fù)荷要求就小很多。這樣，可以把在每個(gè)小時(shí)隙內(nèi)傳輸?shù)闹噶?、參?shù)等視為一個(gè)小型數(shù)據(jù)包，進(jìn)而再將可用時(shí)隙劃分為n個(gè)微時(shí)隙，在每個(gè)微時(shí)隙內(nèi)傳輸一個(gè)小型數(shù)據(jù)包。利用這種方式，相當(dāng)于信道容量被擴(kuò)大了n倍［5］。

對(duì)于下行傳輸，只有在相關(guān)指令完成從基站到無(wú)線終端的傳輸后，數(shù)據(jù)包的傳輸才可以進(jìn)行。這些指令和數(shù)據(jù)包都被加以地址，以區(qū)別不同的無(wú)線終端。數(shù)據(jù)包的首部包含了一個(gè)目的無(wú)線終端的號(hào)碼和一個(gè)CRC碼。在接收到正確的數(shù)據(jù)包后，無(wú)線終端將在下一個(gè)時(shí)隙向基站發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信息。而在預(yù)留時(shí)隙中按輪詢方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包首部則包括了終端標(biāo)識(shí)符和一個(gè)CRC碼。

3 調(diào)度算法和數(shù)據(jù)包調(diào)度的需求

調(diào)度算法的一切操作行為都以連接建立時(shí)基站產(chǎn)生的服務(wù)參數(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)也取決于最近一次基站接收到的動(dòng)態(tài)參數(shù)。具體的服務(wù)參數(shù)(靜態(tài)參數(shù))如下:

①視頻源平均速率改變的概率Pi;② 在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)最大可允許的數(shù)據(jù)包延時(shí)Li;③連接的優(yōu)先權(quán)Si。

動(dòng)態(tài)參數(shù)如下:

①在無(wú)線終端i(WTi)的傳輸緩沖中線端數(shù)據(jù)包的剩余使用時(shí)間Ci;

②無(wú)線終端i(WTi)的數(shù)據(jù)包重復(fù)發(fā)送的次數(shù)ri;

③數(shù)據(jù)包的發(fā)送間隔時(shí)間或者是當(dāng)前比特率ti。

調(diào)度算法在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)使用一個(gè)移位寄存器，稱為預(yù)留寄存器，這個(gè)寄存器的大小為L(zhǎng)+1，L為上文提到的數(shù)據(jù)包最大延時(shí)，如圖2所示［5］。

圖2 移位寄存器

移位寄存器中的每個(gè)位置可以是空的，也可以被一個(gè)標(biāo)識(shí)符填充，這個(gè)標(biāo)識(shí)符表示在一個(gè)連接成功建立后，預(yù)留時(shí)隙中正等待被輪詢的某個(gè)無(wú)線終端。當(dāng)某個(gè)無(wú)線終端與基站的連接建立好時(shí)，這個(gè)無(wú)線終端的標(biāo)識(shí)符存放在移位寄存器的當(dāng)前最高位。

在一些具體應(yīng)用場(chǎng)合中，視頻源的比特率或者處于峰值或者是平穩(wěn)值，而比特率的改變必然發(fā)生在數(shù)據(jù)包的發(fā)送間隔時(shí)間內(nèi)。對(duì)于基站來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)包調(diào)度算法利用數(shù)據(jù)包發(fā)送的時(shí)間間隔來(lái)安排移位寄存器的相應(yīng)位置，如果調(diào)度程序以之前的比特率保持預(yù)留時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)，而信源的數(shù)據(jù)包又以新的比特率進(jìn)行傳輸，那么傳輸將發(fā)生錯(cuò)誤。因此視頻數(shù)據(jù)包在發(fā)送時(shí)最好攜帶當(dāng)前的動(dòng)態(tài)參數(shù)。

4 可用時(shí)隙的輪詢問(wèn)題

基站從上次動(dòng)態(tài)參數(shù)傳輸?shù)奖敬蝿?dòng)態(tài)參數(shù)傳輸所經(jīng)歷的時(shí)隙數(shù)記為ki，并利用這個(gè)計(jì)數(shù)值ki來(lái)估計(jì)無(wú)線終端信源改變的概率。若在連接建立時(shí)，無(wú)線終端規(guī)定的視頻源比特率改變概率為Pi，那么由基站估算出的概率為:

式中，Xi是一個(gè)動(dòng)態(tài)變量，表示上次動(dòng)態(tài)參數(shù)傳輸完畢后到現(xiàn)在所經(jīng)過(guò)的時(shí)隙個(gè)數(shù)。

如果某個(gè)無(wú)線傳輸被輪詢方式識(shí)別了，并且動(dòng)態(tài)參數(shù)也同時(shí)傳輸了，那么這次的傳輸過(guò)程就是成功的。相反，在傳輸數(shù)據(jù)包時(shí)，動(dòng)態(tài)參數(shù)沒(méi)有被更新，也就是說(shuō)基站認(rèn)為比特率沒(méi)有發(fā)生改變，那么這次傳輸將會(huì)失敗。下面將對(duì)輪詢方式信道的容量進(jìn)行估算，令x=［n*0.37］，M代表任意時(shí)刻有效的無(wú)線終端信源個(gè)數(shù)，規(guī)定m的取值范圍為x到M，S為輪詢方式下一個(gè)可用時(shí)隙內(nèi)平均微型時(shí)隙的個(gè)數(shù)，則:

這樣，通過(guò)估算 Sm，得到了 {Sx，Sx+1，……，SM}，Pm(x)表達(dá)式如下:

當(dāng) x≤min(m，n)和 x≥max(［n*0.37］，n －M+m)時(shí)，Pm(x)=0;

因此，輪詢模式微型時(shí)隙的期望值如下:

E［E［S/m］］=E［S］=P(已經(jīng)改變速率的信源 x)*Sx+

P(已經(jīng)改變速率的信源x+1)*Sx+1+……+

P(已經(jīng)改變速率的信源M)*SM。

為了成功發(fā)送無(wú)線終端的動(dòng)態(tài)參數(shù)，其相應(yīng)的ki值要設(shè)為0。

5 協(xié)議算法

協(xié)議的主要功能由2個(gè)程序模塊來(lái)完成，一個(gè)是預(yù)定程序模塊，一個(gè)是信號(hào)處理程序模塊。預(yù)定程序部分負(fù)責(zé)給無(wú)線終端分配時(shí)隙，而信號(hào)處理程序負(fù)責(zé)管理可用時(shí)隙內(nèi)所要執(zhí)行的操作。

5．1 預(yù)定程序

(1)任何新的時(shí)隙請(qǐng)求都被基站放在移位寄存器中，并從高位開(kāi)始存放，如果這個(gè)位置已經(jīng)有了某個(gè)標(biāo)志符，那么就將這個(gè)指令放在該位置的右邊一位，以此類推。

(2)在每個(gè)時(shí)隙里:

①如果移位寄存器的位置0有某個(gè)標(biāo)識(shí)符，那么基站將向該標(biāo)識(shí)符對(duì)應(yīng)的無(wú)線終端發(fā)送預(yù)留時(shí)隙，供其傳輸數(shù)據(jù);

②如果連續(xù)2個(gè)預(yù)留時(shí)隙間的時(shí)隙數(shù)大于了閾值，那么在這2個(gè)預(yù)留時(shí)隙之間將發(fā)出一個(gè)可用時(shí)隙;

③如果上面2個(gè)條件都不滿足，那么基站的調(diào)度算法將從左到右搜索移位寄存器的每一個(gè)位置，直到發(fā)現(xiàn)一個(gè)非空的位置，然后發(fā)送一個(gè)預(yù)留時(shí)隙;

④如果沒(méi)有無(wú)線終端申請(qǐng)預(yù)留時(shí)隙，即移位寄存器是空的，那么就給無(wú)線終端發(fā)送可用時(shí)隙;

⑤如果某個(gè)預(yù)留時(shí)隙在之前已經(jīng)被指定分配給某個(gè)無(wú)線終端使用，那么移位寄存器將清除代表該預(yù)留時(shí)隙使用請(qǐng)求的標(biāo)識(shí)符，更新移位寄存器ci=ci+ti，如果ci＜ti，則將在移位寄存器中重新尋找合適的位置，來(lái)調(diào)度下一個(gè)來(lái)自無(wú)線終端數(shù)據(jù)包的傳輸。

⑥一個(gè)標(biāo)識(shí)符如果暫時(shí)存儲(chǔ)在RR［0］，當(dāng)移位寄存器RR向右移動(dòng)一個(gè)位置時(shí)，RR［0］的信息將會(huì)丟棄，而重新分配原本的請(qǐng)求。

⑦ 隨著計(jì)數(shù)值ci的減小，當(dāng)ci=li時(shí)，無(wú)線終端就將產(chǎn)生一個(gè)新的數(shù)據(jù)包，基站中的算法仍然要為傳輸這個(gè)新數(shù)據(jù)包預(yù)留一個(gè)時(shí)隙。

5．2 信號(hào)處理程序

(1)增加計(jì)數(shù)器值ki;

(2)如果當(dāng)前的時(shí)隙是一個(gè)可用時(shí)隙:

①使用計(jì)數(shù)器值ki和靜態(tài)參數(shù)pi，計(jì)算出下一個(gè)時(shí)隙比特率發(fā)生改變的的概率;

②根據(jù)上文描述的調(diào)度算法，計(jì)算出輪詢方式下的輸出量E［S］;

③如果輪詢的通量E［S］大于隨機(jī)接入模式的通量，將采用輪詢模式，并在可用時(shí)隙的每個(gè)微型時(shí)隙內(nèi)發(fā)送某無(wú)線終端標(biāo)識(shí)符和其他指令;

④如果輪詢的通量E［S］小于隨機(jī)接入模式的通量，可用時(shí)隙就利用隨機(jī)接入模式傳輸動(dòng)態(tài)參數(shù)，這種傳輸將使用時(shí)隙ALOHA協(xié)議;

⑤在每個(gè)可用時(shí)隙完成傳輸任務(wù)時(shí)，不管是輪詢方式還是隨機(jī)接入方式，基站都將給出傳輸結(jié)果的評(píng)估，并更新無(wú)線終端的動(dòng)態(tài)參數(shù)，同時(shí)將計(jì)算器值ki全部歸零。

6 仿真與結(jié)果

在SUN Sparc工作站上，利用了時(shí)間驅(qū)動(dòng)技術(shù)［9，10］，已經(jīng)對(duì)上面的協(xié)議進(jìn)行了仿真。這里研究的系統(tǒng)參數(shù)是單一鏈路信道，每個(gè)時(shí)隙能傳輸640 bit，占用時(shí)間0.05 ms，它包括了全部協(xié)議和一個(gè)512 bit的數(shù)據(jù)包，可用時(shí)隙被分為3個(gè)微時(shí)隙。服務(wù)質(zhì)量參數(shù)最大延時(shí)可以達(dá)到40 ms，其接收損失率只有千分之一。仿真中假設(shè)傳輸是無(wú)誤碼的集中傳輸，而且不考慮移動(dòng)性問(wèn)題，測(cè)量的主要參數(shù)是:①數(shù)據(jù)包的平均延時(shí):即到達(dá)發(fā)送器和接收器的延時(shí);②數(shù)據(jù)包損失概率:即超過(guò)允許延時(shí)的數(shù)據(jù)包比例。

比特率改變的概率曲線如圖3和圖4所示?？梢钥闯?，平均信息損失率為8*10－3和2*10－3。這2種情況下的平均延時(shí)約4.5 ms和12.5 ms，遠(yuǎn)小于最大允許延時(shí)。與VBR視頻應(yīng)用傳統(tǒng)的固定帶寬傳輸方法相比，該方法能保證更多用戶的服務(wù)質(zhì)量，如果考慮一定質(zhì)量的衰減，那么這種方法能獲得更大的復(fù)用效益(約20個(gè)無(wú)線終端)。當(dāng)然大多數(shù)VBR視頻應(yīng)用是容許發(fā)生隨機(jī)損失的，只要這些損失不會(huì)過(guò)多地影響傳輸質(zhì)量，所以本文的這一方法是合理的。

圖3 數(shù)據(jù)包平均損失率(20個(gè)終端)

圖4 平均允許延時(shí)

7 結(jié)束語(yǔ)

為無(wú)線鏈路中的瞬時(shí)帶寬需求提供了一個(gè)合理的解決辦法，能提高通信質(zhì)量。關(guān)于現(xiàn)實(shí)中的VBR視頻源的研究還有很多要做，因?yàn)檫€要進(jìn)一步估計(jì)輪詢方式成功的概率。此外，還需對(duì)更高效的隨機(jī)算法進(jìn)行分析(例如分離算法)，從而消除隨機(jī)接入模式下信道中不穩(wěn)定的因數(shù)。

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