無線多媒體網(wǎng)絡區(qū)分服務建模及其傳輸性能研究.pdf

1、伴隨著個人數(shù)字通信和網(wǎng)絡社會化的快速發(fā)展，功能強大的數(shù)據(jù)終端以及多元化的網(wǎng)絡業(yè)務，正推動著網(wǎng)絡技術從有線向無線、從固定到移動、從文字業(yè)務向多媒體業(yè)務演化，同時網(wǎng)絡業(yè)務的服務質量也從忽略向支持、從單一服務向多優(yōu)先級區(qū)分服務進化。在這種大環(huán)境下，能實現(xiàn)“任何人在任何時間、任何地點以任何方式與任何人通信”的無線多媒體網(wǎng)絡(WMN，Wireless Multimedia Network)得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應用，既能彌補傳統(tǒng)有線多媒體網(wǎng)絡的

2、不足，又能提供足夠的帶寬滿足語音、視頻、圖像等多媒體業(yè)務傳輸?shù)男枨?。因此，基于服務區(qū)分的無線多媒體網(wǎng)絡技術引起了學術界和工業(yè)界的廣泛研究。
　　本文在國家自然科學基金(61070043，61379123)和“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAD10B01)等項目的資助下，面向基于IEEE802.11e EDCA協(xié)議的無線多媒體網(wǎng)絡，對其區(qū)分服務機制和多媒體傳輸性能進行深入的研究和分析，取得了如下研究成果:
　　(1)針對

3、無線多媒體傳輸建模復雜問題，首先建立基于離散Markov鏈的EDCA區(qū)分服務飽和模型與非飽和模型，以該模型為基礎進一步提出視頻流的丟包模型和時延模型，并結合視頻編碼結構，最終形成完整的飽和與非飽和狀態(tài)下無線多媒體傳輸模型。根據(jù)IEEE802.11e EDCA協(xié)議的二進制退避機制，建立了基于Markov鏈的EDCA飽和模型，并通過該模型獲取各狀態(tài)的概率分布、狀態(tài)間轉移概率以及各優(yōu)先級隊列的碰撞概率、發(fā)送概率等。由于EDCA協(xié)議默認將所有的

4、視頻流數(shù)據(jù)映射至隊列AC(2)，綜合考慮飽和狀態(tài)下隊列AC(2)的碰撞丟包（內部碰撞和外部碰撞）和無線信道誤碼丟包，建立了視頻流的丟包模型;同時考慮網(wǎng)絡延遲對于實時多媒體傳輸質量的影響，在EDCA飽和模型的基礎上，建立了視頻流的時延模型。結合上述丟包模型和時延模型，深入分析MPEG-4視頻編碼技術，結合其編碼結構，提出實時視頻傳輸模型，并引入可解碼幀率DFR評估視頻流傳輸質量。針對數(shù)據(jù)流的突發(fā)性和動態(tài)網(wǎng)絡環(huán)境，在上述飽和狀態(tài)下多媒體傳輸

5、模型的基礎上，建立更符合實際的非飽和狀態(tài)多媒體傳輸模型。深入分析EDCA協(xié)議工作機制和后退避過程，引入特殊網(wǎng)絡狀態(tài)“空閑狀態(tài)”，建立了基于Markov鏈的EDCA非飽和模型。同時基于該模型，分別建立視頻流的丟包模型和時延模型，同時結合多媒體編碼結構，提出了非飽和狀態(tài)下多媒體傳輸模型。
　　(2)針對EDCA協(xié)議單時隙競爭機制所導致的各優(yōu)先級隊列傳輸碰撞問題，引入了混合時隙的概念，提出了混合多時隙信道分配機制，并分別建立了飽和與非飽

6、和狀態(tài)下混合多時隙分配機制的傳輸性能模型。通過系統(tǒng)優(yōu)化將三個時隙組合成一個混合時隙，各隊列以混合時隙為單元進行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)各隊列的優(yōu)先級別，將混合時隙中的第一個時隙固定分配至最高優(yōu)先級隊列AC(3)的數(shù)據(jù)傳輸，第二個時隙固定分配至次高優(yōu)先級隊列AC(2)的數(shù)據(jù)傳輸，而低優(yōu)先級隊列AC(1)和AC(0)共享第三個時隙。此外，根據(jù)基于Markov鏈的EDCA飽和與非飽和模型，分別建立了飽和狀態(tài)與非飽和狀態(tài)下混合多時隙分配機制的傳輸性能分析

7、模型。實驗結果和模型分析證明了所提混合多時隙分配機制顯著地降低傳輸碰撞概率，提高各隊列的吞吐量，降低各隊列的傳輸時延，從而改善多媒體的傳輸質量。
　　(3)針對EDCA協(xié)議中視頻幀映射問題，利用視頻編碼結構特征和視頻幀的重要性信息，通過跨層信息交互，分別提出了自適應前向映射機制、雙重后向映射機制和擁塞感知機制，并最終融合為動態(tài)參數(shù)自適應雙向映射機制。該機制在EDCA區(qū)分服務機制的基礎上，充分挖掘視頻分層編碼的結構特征和視頻幀的重要

8、性信息，通過應用層和MAC層的信息交互，實現(xiàn)視頻幀映射過程的跨層優(yōu)化。針對不同視頻幀重要性的區(qū)別和當前網(wǎng)絡負載程度，提出了動態(tài)自適應前向映射機制和雙重后向映射機制;又根據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境的時變特性，引入擁塞感知機制。通過與現(xiàn)有三種視頻幀映射機制的對比分析，驗證了所提參數(shù)自適應雙向映射機制的優(yōu)越性能。
　　(4)針對無線多媒體網(wǎng)絡中不同數(shù)據(jù)流業(yè)務中的服務質量問題，分別提出了基于LV生物競爭模型的無優(yōu)先級區(qū)分和多優(yōu)先級區(qū)分的仿生競爭模型，并采

9、用自適應粒子群算法實現(xiàn)模型參數(shù)優(yōu)化，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下使網(wǎng)絡資源利用率最大化。引入了Lotka-Volterra生物競爭模型，并系統(tǒng)地建立了生態(tài)系統(tǒng)與網(wǎng)絡系統(tǒng)之間的映射關系，分別提出了無優(yōu)先級區(qū)分的仿生競爭模型和多優(yōu)先級區(qū)分的仿生競爭模型（Bio-EDCA模型）。針對Bio-EDCA模型，求解模型的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)輸出值以及模型參數(shù)優(yōu)化等問題，在實現(xiàn)帶寬按特定比例分配的前提下最大化網(wǎng)絡帶寬利用率。在任意動態(tài)突發(fā)數(shù)據(jù)流條件下，該模型始終