陶 靜，許藝瀚

(南京林業(yè)大學 信息科學與技術學院,江蘇 南京 210037)

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針對移動視頻流介于UMTS和WiMAX網(wǎng)絡間的切換方案*

陶 靜，許藝瀚

(南京林業(yè)大學 信息科學與技術學院,江蘇 南京 210037)

下一代移動網(wǎng)絡(NGMN)傾向于融合多個無線接入技術(RATs)來為用戶提供無處不在的訪問服務。而作為一個無處不在系統(tǒng),能夠有一個解決方案來支持日益流行的視頻應用程序也是至關重要的。由于移動視頻應用程序的高帶寬要求和對延遲敏感的特點，如何讓移動視頻應用程序在不同的RATs之間進行無縫切換并保證服務質(zhì)量(QoS)是我們面臨的一個挑戰(zhàn)。為了加快實現(xiàn)在異構網(wǎng)絡中提供無縫視頻流服務，通過運用IEEE 802.21規(guī)定的媒體獨立信息服務的服務器提出了一種移動端發(fā)起-網(wǎng)絡端控制的移動網(wǎng)絡切換方案。仿真結果表明,該方案在丟包率、延遲和峰值信噪比等方面提高了性能。

IEEE 802.21；獨立媒體信息服務(MIIS)；視頻流；異構網(wǎng)絡

0 引 言

我們可以預料到移動視頻流的需求在目前的軟件應用程序市場上不斷增加。然而移動視頻流在蜂窩網(wǎng)絡中的高成本難以滿足用戶對更高的性價比的需求。因此，融合多個不同特點的RATs已經(jīng)成為提供無線移動視頻流服務的趨勢。盡管聚合多種RATs給用戶帶來了多方面的好處，它也引入了一個新的挑戰(zhàn)，即如何保證視頻流在移動跨越邊界時對用戶來說是透明的。在這種情況下，一個有效的無縫切換方案是至關重要的[1]。IEEE 802.21已經(jīng)初次嘗試制定標準來處理不同的技術網(wǎng)絡之間切換的相關問題[2]。本文專注于MIIS服務器的功能并指出如何促進異構網(wǎng)絡環(huán)境中的切換技術使得無縫地傳輸視頻?；贜S2的仿真結果表明，文中提出的方案提高了移動視頻流在丟包率、延遲和峰值性噪比(PSNR)等方面的切換性能。

1 IEEE 802.21媒體獨立切換(MIH)

本節(jié)概述了MIH的體系結構。在2004年，IEEE 802.21工作組成立來解決媒體獨立切換(MIH)標準等相關問題。MIH的總體想法是在網(wǎng)絡層和鏈路層中引入介紹MIH層來簡化網(wǎng)絡的操作和管理從而優(yōu)化切換。MIH層不需要知道下層之間的差異。圖1給出了指定IEEE 802.21指定的MIH架構。在網(wǎng)絡檢測、網(wǎng)絡選擇和執(zhí)行切換過程中，媒體獨立切換功能(MIHF)使用服務接入點(SAP)來連接鏈路層和網(wǎng)絡層提供同步和非同步服務包括事件服務,指令服務和信息服務。

圖1 MIH的體系結構

2 提出方案

盡管IEEE 802.21標準已經(jīng)定義了MIIS。但是它的基礎架構并沒有完全定義。在本節(jié)中,將提出的MIIS的功能以及用操作流程來解釋它如何加速視頻流的無縫切換。為了描述提出的方案，文中做了幾個假設。首先，移動節(jié)點(MN)可以用一些定位技術來實時地測量其位置。其次，MIIS服務器在一定的地理區(qū)域記錄接入點(PoAs)的示意圖，并且當有一個新的網(wǎng)絡被部署時進行更新。第三，假設總是可用的PoAs數(shù)量是有限的。

起初，每個MN在覆蓋范圍內(nèi)從周圍可用的接入點(PoAs)和接入網(wǎng)絡中測量其位置并監(jiān)控連接狀態(tài)，然后將檢測到的信息通知給服務器。通過收集這些信息，MIIS構建數(shù)據(jù)庫。整個切換過程可分為三個階段：鄰居網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡選擇和切換執(zhí)行。在這個過程中，MIIS服務器的作用是提高網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)和網(wǎng)絡選擇的進程來實現(xiàn)在切換時無縫地傳輸視頻。文中提出的基于MIIS服務器的網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)從UMTS網(wǎng)絡到WiMAX網(wǎng)絡切換的詳細過程如圖2所示。與此同時，需要切換時，MIIS服務器會通過網(wǎng)絡選擇算法的饋送信息來選擇最好的目標網(wǎng)絡，在這個工作中所使用的算法是基于負載感知的算法[3](在以前的工作提出)。

圖2 所提出的鄰居網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)過程的信令流程圖

3 仿真和結果

在本文中，用由NIST[4]和EvalVid[5]開發(fā)的ns2(版本2.31)[6]的MIH模塊來進行仿真研究。該視頻流是從通信設備(CN)到MN。這個拓撲包含了7個UMTS網(wǎng)格覆蓋于7個WiMAX網(wǎng)絡如圖3所示。UMTS網(wǎng)格的覆蓋半徑為3 km由節(jié)點NB標出，而WiMAX網(wǎng)絡的覆蓋半徑為2 km由BS標出。CN連接到數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mb/s和鏈接延遲為30 ms的主干網(wǎng)。所有的NB連接到接入路由器，所有的BSs都連接到另一個有著100 Mb/s數(shù)據(jù)傳輸速率和30 ms的鏈接延遲的路由器。兩個接入路由器都經(jīng)過一個鏈接延遲為30 ms的路由器與CN通訊。此外，MIIS服務器連接到數(shù)據(jù)傳輸速度為10 Mb/s的路由器。這里分別設置MN的數(shù)量為20、40、60和80，將其隨機地定位于在拓撲中心長為6 km寬為5.5 km的矩形區(qū)域內(nèi)并且在自由移動速度為3～30 m/s之間互相通信。本仿真中，我們將對基礎的MIH方案來和現(xiàn)提出的方案作對比。

圖3 網(wǎng)絡的拓撲結構

圖4給出了部署不同數(shù)量MN的平均丟包率的仿真結果。從仿真結果可以看到，提出的方案平均丟包率為0.58%而基礎方案為1.8%，相較而言，現(xiàn)提出的方案在丟包率這一性能上更好。根據(jù)IEEE 802.20工作組的建議[7]，視頻在移動網(wǎng)絡中的丟包率在1%之內(nèi)是可以接受的。

圖4 丟包率

圖5是提出的方案和基礎方案在切換延遲上的比較。從IEEE 802.20工作組的建議[7]可知，對于非交互視頻而言，280 ms切換延遲是可以接受的。對于交互視頻,根據(jù)ITU-T的建議Y.1541[8],對于class 0，切換延遲100 ms是可以接受的；對于class 1，切換延遲400 ms是可以接受的。因此可以看到，提出的方案完全滿足了要求。

圖5 切換延遲

圖6給出了部署不同數(shù)量的MN所得到的不同的PSNR。很明顯，隨著MN的數(shù)量的增加，兩個方案的峰值性噪比都在下降。然而,我們也可以看到，現(xiàn)提出的方案在PSNR上顯示了更好的性能。因此，這進一步表明，現(xiàn)提出的方案能加速視頻在執(zhí)行切換期間進行無縫傳輸。

圖6 峰值性噪比(PSNR)

4 結 語

在本文中，我們提出了一種新穎的MIIS服務器來解決移動視頻流在異構環(huán)境中實現(xiàn)無縫切換這一挑戰(zhàn)。通過大量的仿真,結果表明，該方案提高了在丟包率、延遲和PSNR等方面的性能，并進一步表明我們的方案可以滿足各種服務需求而不僅僅是在視頻應用程序上。未來，我們的工作可能會專注于研究視頻流在異構網(wǎng)絡中更高效的算法以及不同的網(wǎng)絡模型。

[1] 周建民.無線異構網(wǎng)絡的垂直切換[J].通信技術，2011，44(05)：97-99，102. ZHOU Jian-ming. Vertical Handoff of Wireless Heterogeneous Network[J]. Communications Technology，2011，44(05)：97-99，102.

[2] IEEE Standard P802.21/D11.00.2012.Draft standard for local and metropolitan area networks: Media independent handover services [S].1-90. http://ieeexplore.ieee.org/servlet/opac?punumber=6178219.

[3] Xu Yi-Han, Chow Chee-Onn, Choong Khong-Neng ,et al. Media independent handover (MIH) scheme with QoS provision across UMTS and WiMAX networks [J]. China Communications，2012,9(07)：55-70.

[4] Seamless and Secure Mobility[S].2009. http://www.nist.gov/itl/antd/emntg/ssm seamlessandsecure.cfm,2009.

[5] Klaue J, Rathke B,Wolis A. EvalVid: A framework for video transmission and quality valuation[C]//The 13th International Conference on Modelling Techniques and Tools for Computer Performance Evaluation, Urbana, IL, USA:IEEE, 2003:pp.255-272.

[6] The Network Simulator-ns2, http://www.isi.edu/nsnam/三ns/.

[7] IEEE 802.20 Working Group.2006. Mobile Broadband Wireless Access (MBWA)[S]. http://www.ieee802.org/20/.

[8] ITU-T recommendation Y.1541.2006.Network Performance Objective for IP-Based Services[S]. http://www.itu.int/rec/T-REC-Y.1541/en.

A Novel Handover Scheme for Mobile Video Streaming Between UMTS and WiMAX Networks

TAO Jing, XU Yi-han

(College of Information Science and Technology, Nanjing Forestry University, Nanjing Jiangsu 210037,China)

NGMN (Next Generation Mobile Network) trends to integrate multiple RATs (Radio Access Technologies) to provide ubiquitous access service to users. In such network, it is of great significance to find a solution to support increasingly popular video application programs. With the features of higher bandwidth requirement and delay-sensitivity of mobile video application programs, seamless handover for mobile video application between different RATs with a guaranteed QoS (quality of service) is one of the challenges. In order to accelerate the seamless video streaming over heterogeneous networks, a mobile-initialed network-controlled handover scheme is proposed through implementing IEEE 802.21 specified MIIS (Media Independent Information Service) server. Simulation results show that the proposed scheme could improve the performance in terms of packet-loss rate, delay and PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio).

IEEE 802.21; MIIS; video streaming; heterogeneous networks

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.014

2014-12-25；

2015-03-28 Received date:2014-12-25；Revised date：2015-03-28

TN91

A

1002-0802(2015)05-0579-03

陶 靜(1994—)，女，學士，主要研究方向為多媒體通信、下一代移動通信技術、計算機網(wǎng)絡等；

許藝瀚(1985—)，男，博士，副教授，主要研究方向為多媒體通信、確定性優(yōu)化算法、下一代移動通信技術等。