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)字無線技術(shù)的新一代寬帶無線本地通信系統(tǒng)在未來將得到廣泛應(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)，可用來支持一系列的語音、視頻、數(shù)據(jù)和其他應(yīng)用。相對于有線傳媒，在無線介質(zhì)中實現(xiàn)這些功能是更加困難的［2］。為了克服這個困難，提出了一個模型，能夠保證與有線系統(tǒng)具有相似的服務(wù)質(zhì)量。

對于MAC方案，一個物理信道存在多個邏輯信道，當多個移動臺同時使用這條物理信道進行信息傳輸時，會發(fā)生沖突。提出的新MAC方案能夠根據(jù)用戶的實時需求，最大程度避免沖突，給用戶提供一個連續(xù)的無線通信系統(tǒng)。

一個無線小區(qū)的多路轉(zhuǎn)換器包括多個無線終端(WTS)和一個基站(BS)［3］，如果每一個無線終端都存在一個中央控制單元，它能夠?qū)Σ捎肕AC協(xié)議給無線終端分配時隙的數(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)上對算法改進的［5］。

1 VBR視頻模型

目前已有的實時應(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比特率可變(VBR)的服務(wù)系統(tǒng)。本文以VBR視頻通信為例進行研究說明。由于來自編碼器隨時間變化的比特率是一個隨機過程，當對這種隨機改變的比特率加以限制后，這個隨機過程就變成可控的了。希望能找到這樣一個控制比特流的描述方法，要求它既能被通信網(wǎng)絡(luò)接納，又不會在執(zhí)行時過多地影響服務(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):一個是尖峰期，這個是和每一幀圖像變化相對應(yīng)的;另一個是平穩(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)制過程來調(diào)制的信息。如圖1所示［5］，對于視頻信息，用馬爾可夫鏈 K{N1，N2，…，NK}來調(diào)制到來的信息。圖1中每一個狀態(tài)Ni代表一個幀的信息在傳輸時的編解碼器狀態(tài)，而狀態(tài)P代表了幀與幀改變時的編解碼器狀態(tài)。

圖1 VBR視頻源模型

這個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電平和一個與幾何分布占有時間相關(guān)的高峰電平值組成。因此采用上面這個模型來開發(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，它們在基站中作為一個整體運行。上行傳輸和下行傳輸使用不同頻率的物理信道，但卻是在同一時隙內(nèi)進行傳輸。在時分復(fù)用方式下，這種時隙被分為可用時隙和預(yù)留時隙2類?？捎脮r隙通常用來傳輸動態(tài)參數(shù)和接入請求，而預(yù)留時隙用來發(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題，基站負責(zé)產(chǎn)生輪詢指令來管理這個時隙［8］，從而避免沖突。輪詢指令包括WAT標識、循環(huán)冗余校驗碼(CRC)和一個序列指令(SC)位，無線終端在進行信息傳輸時，相應(yīng)的SC位交替設(shè)為0和1。如果基站在指定的時隙內(nèi)沒有接收到視頻數(shù)據(jù)，那么基站將給相應(yīng)的無線終端發(fā)送一個特定序列，使無線終端重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直至該數(shù)據(jù)包被成功接收。基站還決定一個可用時隙是在隨機接入模式下使用，還是在輪詢的模式下使用。如果是輪詢模式下的一個可用時隙，那么相應(yīng)無線終端會在這一時隙內(nèi)發(fā)送動態(tài)參數(shù)和其他相關(guān)指令。由于在這些時隙內(nèi)沒有發(fā)送真正的大容量視頻數(shù)據(jù)包，所以它們的信道負荷要求就小很多。這樣，可以把在每個小時隙內(nèi)傳輸?shù)闹噶?、參?shù)等視為一個小型數(shù)據(jù)包，進而再將可用時隙劃分為n個微時隙，在每個微時隙內(nèi)傳輸一個小型數(shù)據(jù)包。利用這種方式，相當于信道容量被擴大了n倍［5］。

對于下行傳輸，只有在相關(guān)指令完成從基站到無線終端的傳輸后，數(shù)據(jù)包的傳輸才可以進行。這些指令和數(shù)據(jù)包都被加以地址，以區(qū)別不同的無線終端。數(shù)據(jù)包的首部包含了一個目的無線終端的號碼和一個CRC碼。在接收到正確的數(shù)據(jù)包后，無線終端將在下一個時隙向基站發(fā)送一個確認信息。而在預(yù)留時隙中按輪詢方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包首部則包括了終端標識符和一個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基站產(chǎn)生的服務(wù)參數(shù)為基礎(chǔ)，同時也取決于最近一次基站接收到的動態(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 在一個時隙內(nèi)最大可允許的數(shù)據(jù)包延時Li;③連接的優(yōu)先權(quán)Si。

動態(tài)參數(shù)如下:

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

②無線終端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)送間隔時間或者是當前比特率ti。

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

圖2 移位寄存器

移位寄存器中的每個位置可以是空的，也可以被一個標識符填充，這個標識符表示在一個連接成功建立后，預(yù)留時隙中正等待被輪詢的某個無線終端。當某個無線終端與基站的連接建立好時，這個無線終端的標識符存放在移位寄存器的當前最高位。

在一些具體應(yīng)用場合中，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)送間隔時間內(nèi)。對于基站來說，數(shù)據(jù)包調(diào)度算法利用數(shù)據(jù)包發(fā)送的時間間隔來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)留時隙時長，而信源的數(shù)據(jù)包又以新的比特率進行傳輸，那么傳輸將發(fā)生錯誤。因此視頻數(shù)據(jù)包在發(fā)送時最好攜帶當前的動態(tài)參數(shù)。

4 可用時隙的輪詢問題

基站從上次動態(tài)參數(shù)傳輸?shù)奖敬蝿討B(tài)參數(shù)傳輸所經(jīng)歷的時隙數(shù)記為ki，并利用這個計數(shù)值ki來估計無線終端信源改變的概率。若在連接建立時，無線終端規(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是一個動態(tài)變量，表示上次動態(tài)參數(shù)傳輸完畢后到現(xiàn)在所經(jīng)過的時隙個數(shù)。

如果某個無線傳輸被輪詢方式識別了，并且動態(tài)參數(shù)也同時傳輸了，那么這次的傳輸過程就是成功的。相反，在傳輸數(shù)據(jù)包時，動態(tài)參數(shù)沒有被更新，也就是說基站認為比特率沒有發(fā)生改變，那么這次傳輸將會失敗。下面將對輪詢方式信道的容量進行估算，令x=［n*0.37］，M代表任意時刻有效的無線終端信源個數(shù)，規(guī)定m的取值范圍為x到M，S為輪詢方式下一個可用時隙內(nèi)平均微型時隙的個數(shù)，則:

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

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

因此，輪詢模式微型時隙的期望值如下:

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)送無線終端的動態(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個程序模塊來完成，一個是預(yù)定程序模塊，一個是信號處理程序模塊。預(yù)定程序部分負責(zé)給無線終端分配時隙，而信號處理程序負責(zé)管理可用時隙內(nèi)所要執(zhí)行的操作。

5．1 預(yù)定程序

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

(2)在每個時隙里:

①如果移位寄存器的位置0有某個標識符，那么基站將向該標識符對應(yīng)的無線終端發(fā)送預(yù)留時隙，供其傳輸數(shù)據(jù);

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

③如果上面2個條件都不滿足，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位置，直到發(fā)現(xiàn)一個非空的位置，然后發(fā)送一個預(yù)留時隙;

④如果沒有無線終端申請預(yù)留時隙，即移位寄存器是空的，那么就給無線終端發(fā)送可用時隙;

⑤如果某個預(yù)留時隙在之前已經(jīng)被指定分配給某個無線終端使用，那么移位寄存器將清除代表該預(yù)留時隙使用請求的標識符，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，來調(diào)度下一個來自無線終端數(shù)據(jù)包的傳輸。

⑥一個標識符如果暫時存儲在RR［0］，當移位寄存器RR向右移動一個位置時，RR［0］的信息將會丟棄，而重新分配原本的請求。

⑦ 隨著計數(shù)值ci的減小，當ci=li時，無線終端就將產(chǎn)生一個新的數(shù)據(jù)包，基站中的算法仍然要為傳輸這個新數(shù)據(jù)包預(yù)留一個時隙。

5．2 信號處理程序

(1)增加計數(shù)器值ki;

(2)如果當前的時隙是一個可用時隙:

①使用計數(shù)器值ki和靜態(tài)參數(shù)pi，計算出下一個時隙比特率發(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］大于隨機接入模式的通量，將采用輪詢模式，并在可用時隙的每個微型時隙內(nèi)發(fā)送某無線終端標識符和其他指令;

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

⑤在每個可用時隙完成傳輸任務(wù)時，不管是輪詢方式還是隨機接入方式，基站都將給出傳輸結(jié)果的評估，并更新無線終端的動態(tài)參數(shù)，同時將計算器值ki全部歸零。

6 仿真與結(jié)果

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

比特率改變的概率曲線如圖3和圖4所示?？梢钥闯觯骄畔p失率為8*10－3和2*10－3。這2種情況下的平均延時約4.5 ms和12.5 ms，遠小于最大允許延時。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個無線終端)。當然大多數(shù)VBR視頻應(yīng)用是容許發(fā)生隨機損失的，只要這些損失不會過多地影響傳輸質(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個終端)

圖4 平均允許延時

7 結(jié)束語

為無線鏈路中的瞬時帶寬需求提供了一個合理的解決辦法，能提高通信質(zhì)量。關(guān)于現(xiàn)實中的VBR視頻源的研究還有很多要做，因為還要進一步估計輪詢方式成功的概率。此外，還需對更高效的隨機算法進行分析(例如分離算法)，從而消除隨機接入模式下信道中不穩(wěn)定的因數(shù)。

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