譚國平,徐立中,嚴(yán)錫君,花再軍
(河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,江蘇 南京210098)
隨著無線寬帶網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展,實(shí)時多媒體多播業(yè)務(wù)已吸引了越來越多研究者的注意。眾所周知,基于IP多播的數(shù)字視頻廣播(DVB)[1]系統(tǒng)通常采用傳統(tǒng)的實(shí)時傳輸協(xié)議(RTP)來提供關(guān)于接收端與接收質(zhì)量等信息。然而,傳統(tǒng)RTP不提供任何機(jī)制保證實(shí)時多播業(yè)務(wù)的QoS。由于無線信道受衰落、干擾等影響,應(yīng)用層分組丟失無法避免。因分組丟失錯誤為典型的刪除錯誤,因而可利用各種糾刪技術(shù)進(jìn)行恢復(fù)?,F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),這種刪除錯誤的嚴(yán)重程度會隨著多播數(shù)據(jù)速率的變化而變化[2]。因此,有必要在應(yīng)用層采用特定的糾刪控制策略來保證DVB業(yè)務(wù)的目標(biāo)分組丟失率(PLR)要求。
有鑒于此,文獻(xiàn)[3]提出了一種基于純自動請求重傳技術(shù)(ARQ)的糾刪方案,該方案在一定程度上可以改善系統(tǒng)的性能,但效率較低。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于 ARQ技術(shù)的改進(jìn)方案:基于分組重復(fù)技術(shù)的混合糾錯方案(HEC-PR),該方案可有效地保證實(shí)時多播業(yè)務(wù)在嚴(yán)格時延限制下(如 100ms)的目標(biāo)PLR要求(如10-6)。理論分析和仿真結(jié)果表明,與簡單ARQ方案相比較,HEC-PR方案具有更好的性能,且所需冗余信息也更少,從而可有效地節(jié)省帶寬[4]。
值得注意的是,文獻(xiàn)[4]對HEC-PR的性能評估基于以下假設(shè)條件:無線信道在應(yīng)用層被視為簡單的獨(dú)立同均勻隨機(jī)分布(即 i.i.d)刪除錯誤信道模型。然而,研究者發(fā)現(xiàn)基于2種狀態(tài)的Markov模型非常適合對無線環(huán)境中的刪除錯誤信道進(jìn)行建模[2,5,6]。此類模型實(shí)質(zhì)上屬于Gilbert[7]和Elliott[8]提出的具有突發(fā)錯誤記憶效應(yīng)的隱Markov模型(簡稱GE模型)。顯然,刪除錯誤信道模型的準(zhǔn)確性對具體糾刪方案的性能評估具有直接而深刻的影響。實(shí)際上,準(zhǔn)確評價(jià)許多算法的性能都需要建立精確的信道模型。移動通信系統(tǒng)中的調(diào)度算法[9]與移動自組網(wǎng)中的可用帶寬估計(jì)技術(shù)[10]均需要對信道質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)或預(yù)測,因而對信道模型的精確性均有所依賴。在本文中,為了對HEC-PR方案的性能做出準(zhǔn)確評估,必須采用更加精確的GE模型進(jìn)行評估。鑒于此,本文提出基于GE信道模型的分析方法,研究提出一種分析HEC-PR方案在GE信道中的閉式表達(dá)式。此外,有別于文獻(xiàn)[4]采用的仿真研究方法,本文還將采用基于實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法,用于評估GE信道模型的精確性以及各種具體糾刪方案的性能。為此,本文設(shè)計(jì)了基于IEEE 802.11a的實(shí)際DVB實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng),并在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了HEC-PR方案。通過測量實(shí)際系統(tǒng)中的突發(fā)刪除錯誤長度和連續(xù)無刪除錯誤長度,采用極大似然參數(shù)估計(jì)方法,探討GE模型是否匹配IEEE 802.11a中承載實(shí)時多媒體多播業(yè)務(wù)時的刪除錯誤模型。在此基礎(chǔ)上,對采用HEC-PR方案的理論分析結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)行了比較研究,從而對本文提出的性能分析表達(dá)式的準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。最后,雖然本文是以 WLAN為對象進(jìn)行研究,但其提出的性能分析與評估方法同樣適用于對其他無線實(shí)時多播系統(tǒng)(例如 LTE中的MBMS系統(tǒng)[11]等)進(jìn)行類似的研究。
本節(jié)將首先介紹GE信道模型的主要特征,然后,推導(dǎo)出分析HEC-PR方案在GE信道中性能的閉式表達(dá)式。
GE信道模型本質(zhì)上是一種具有 2種狀態(tài)(“Good”(G)狀態(tài)和“Bad”(B)狀態(tài))的隱 Markov模型,這2種狀態(tài)之間的概率轉(zhuǎn)移關(guān)系如圖1所示。
圖1 GE信道模型中的隱Markov模型
在圖1中,每種狀態(tài)對應(yīng)一定的實(shí)際信道質(zhì)量:即在“Good”(G)狀態(tài),鏈路PLR可視為非常低 (用PLR(G)表示);而在“Bad”(B)狀態(tài),鏈路PLR可視為非常高(用PLR(B)表示)。在以往的研究中大多假設(shè)PLR(G)為0且PLR(B)為1(例如文獻(xiàn)[5,6]),因該假設(shè)符合絕大多數(shù)實(shí)際情況,所以本文將繼續(xù)采用該假設(shè)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。此外,為了研究方便,假設(shè)信道狀態(tài)躍遷總是發(fā)生每個分組傳輸?shù)拈g隔。由圖可知,信道狀態(tài)越遷的概率如下:從G狀態(tài)越遷到B狀態(tài)的概率為1-α,而停留在G狀態(tài)的概率為α;從B狀態(tài)越遷到G狀態(tài)的概率為1-β,而停留在B狀態(tài)的概率為β。利用該模型的參數(shù)α和β,其m步狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣可由式(1)計(jì)算[12]。
現(xiàn)用PG(m)表示GE信道在m時刻處于G狀態(tài)的概率;且用PB(m)表示GE信道在m時刻處于B狀態(tài)?的 概率。信道初始狀態(tài)處于G或B的概率由向量 ps(0)表示:
結(jié)合式(1)和式(2),可立即獲得GE信道在m時刻處于G或B 狀態(tài)的概率,即
注意通過計(jì)算GE信道處于穩(wěn)態(tài)時的概率,可推導(dǎo)出信道中的平均分組丟失率表達(dá)式[12],即
現(xiàn)用隨機(jī)變量X和Y分別表示連續(xù)刪除錯誤長度(即連續(xù)丟失RTP分組的個數(shù))與連續(xù)無刪除錯誤長度(即連續(xù)正確接收 RTP分組的個數(shù))。依據(jù) GE信道模型中隱Markov鏈的特征,X和Y的概率分布函數(shù)(PDF)符合二次分布[5,12],即有:
根據(jù)式(5)和式(6),可計(jì)算隨機(jī)變量 X和Y的期望值E(X)和E(Y)[5]:
本節(jié)將推導(dǎo)出文獻(xiàn)[4]提出的 HEC-PR方案在GE信道中的性能。注意給定系統(tǒng)參數(shù)與 HEC-PR方案的參數(shù),衡量其性能必須包含以下2個指標(biāo):一是最終在接收端所獲得的PLR性能;另一個是付出的代價(jià),即所需的冗余信息。根據(jù)文獻(xiàn)[4],可知HEC-PR方案的性能主要取決于參數(shù)RTT和每次重傳過程中的重傳拷貝個數(shù)。因此,下面將集中于根據(jù)該方案中每次重傳過程中重傳次數(shù)的分布來分析其性能。為了便于理解,以下分別介紹HEC-PR方案中發(fā)送端與接收端的操作過程。
1) 發(fā)送端操作:發(fā)送端以多播方式向多播組中的所有接收端發(fā)送帶序號的實(shí)時數(shù)據(jù)分組,如果發(fā)送端接收到某個或者某幾個接收端的NACK消息,發(fā)送端將向全部接收端重發(fā)所有 NACK消息中要求重傳的數(shù)據(jù)分組,在重傳過程中,發(fā)送重傳數(shù)據(jù)分組的拷貝個數(shù)允許大于1。
2) 接收端操作:接收端通過檢測接收到的數(shù)據(jù)分組的序號進(jìn)行分組丟失檢測,如果發(fā)現(xiàn)分組序號不是連續(xù)的,將判定有分組丟失發(fā)生;分組丟失發(fā)生時,接收端將根據(jù)實(shí)時業(yè)務(wù)的時延要求判斷是否允許重傳,如果時延不允許,接收端將放棄請求發(fā)送端重傳數(shù)據(jù)分組;如果時延允許,接收端將立即構(gòu)造包含丟失分組序號的NACK消息,然后盡快將該消息反饋給發(fā)送端,因此,該HEC-PR方案本質(zhì)上是一種基于選擇重發(fā)和 NACK消息機(jī)制的多播傳輸方案。
此外,為簡化分析,對系統(tǒng)作如下假設(shè):反饋信道中 NACK消息的傳送完全可靠,沒有丟失情況發(fā)生;在無線多播場景中的接收端之間相互獨(dú)立。
為便于分析HEC-PR方案的性能,分別定義系統(tǒng)參數(shù)和方案的參數(shù),如表1和表2所示。
表1 系統(tǒng)參數(shù)定義
表2 HEC-PR方案參數(shù)定義
根據(jù)表1的定義,可知接收端從發(fā)現(xiàn)RTP分組丟失開始,到接收到相應(yīng)的RTP分組,其時間間隔至少為tlp,即
因RTP分組將在單位時間ts內(nèi)被傳送,因此tlp可離散化為ts的個數(shù),即
注意式(11)中的起始點(diǎn)表示接?收 端 發(fā)現(xiàn)RTP分組丟失(即刪除錯誤)開始,因此 p ( 0) = [0,1 ]。根據(jù)式(11)和式(1),得:
因多播場景中接收端之間的獨(dú)立性,任意接收端的性能僅取決于HEC-PR方案所采用的參數(shù),而與其他接收端無關(guān)。此外,在本文中,假設(shè)重傳分組按序號先后順序進(jìn)入重傳緩沖區(qū),且按FIFO規(guī)則以單位時間ts為間隔被重傳。因此,在FIFO緩沖區(qū)據(jù)X的概率密度函數(shù) PXi和 pB( Tlp+ j),便可計(jì)算出經(jīng)過 M 次重傳輪數(shù)后的平均分組丟失個數(shù)。最終,依據(jù)式(10)并結(jié)合E(X)和E(Y),任意接收端在經(jīng)歷M次重傳輪數(shù)后的PLR性能便可通過下式計(jì)算得到:
顯然,對多播場景中的所有接收端,其計(jì)算相似。最終,系統(tǒng)的總?cè)哂嘈畔獒槍γ總€接收端的獨(dú)立計(jì)算之和。至此,推導(dǎo)出了計(jì)算HEC-PR方案在GE信道中的PLR性能與所需冗余信息的2個閉式表達(dá)式,即式(14)和式(15)。因此,給定系統(tǒng)參數(shù)與HEC-PR方案的參數(shù),可通過這2個表達(dá)式立即計(jì)算出該方案的性能。
本節(jié)將介紹一種基于極大似然估計(jì)(MLE)理論的參數(shù)估計(jì)方法,即通過統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程中的連續(xù)刪除錯誤長度與連續(xù)無刪除錯誤長度來估計(jì)出GE信道模型的參數(shù)。本文采用的參數(shù)估計(jì)方法與文獻(xiàn)[5]類似,不同之處在于:本文研究的是基于IEEE 802.11a的實(shí)時多播場景;而文獻(xiàn)[5]研究的是基于IEEE 802.11g的單播場景。具體地,本文建立的實(shí)驗(yàn)平臺采用的是基于改進(jìn)的 RTP及UDP/IP/802.11a的協(xié)議棧,因而可在接收端通過統(tǒng)計(jì)連續(xù)發(fā)生刪除錯誤而被丟棄的RTP分組的個數(shù)以及連續(xù)正確接收RTP分組的個數(shù),分別獲得隨機(jī)變量X和Y的觀測值?,F(xiàn)假設(shè)X和Y均符合二次分布,根據(jù)MLE的理論且結(jié)合式(5)或式(6),便可從充分的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中估計(jì)出 GE信道模型的參數(shù)(即α?和β?)。
不失一般性,現(xiàn)以通過隨機(jī)變量 X的統(tǒng)計(jì)觀測值來估計(jì)參數(shù)β?為例進(jìn)行闡述。根據(jù)MLE的理論,參數(shù)β?的似然函數(shù)可通過其概率分布函數(shù)來表示,即
其中,ni(i=1,2,…,N) 表示X的觀察值的集合,N表示總的觀察次數(shù)。將式(5)代入式(16),即有:
對式(17)兩邊取自然對數(shù),即有:
然后,計(jì)算函數(shù)Λ關(guān)于參數(shù)β?的偏微分,即得到:
設(shè)式(19)等于0,即有:
最終,整理式(20),即得:
根據(jù)式(21)可看出,參數(shù)β的極大似然估計(jì)實(shí)際上取決于隨機(jī)變量X的期望值表達(dá)式(7)。類似地,參數(shù)α的極大似然估計(jì)也將取決于隨機(jī)變量 Y的期望值表達(dá)式(8)。顯然,GE信道模型可由以下2個二次分布函數(shù)來描述:PXj和 PYi。因此,根據(jù)充分的實(shí)驗(yàn)觀察次數(shù)及關(guān)于X和Y的統(tǒng)計(jì)觀測值,便可通過類似式(21)對參數(shù)α或β進(jìn)行極大似然估計(jì)。
首先,為了驗(yàn)證GE信道模型是否匹配WLAN中實(shí)時多媒體多播系統(tǒng)的實(shí)際刪除錯誤信道,設(shè)計(jì)了基于IEEE802.11a的實(shí)際測試驗(yàn)證系統(tǒng)。該系統(tǒng)由2個移動工作站和一個無線接入點(diǎn)(即AP)組成,2個移動工作站將通過AP接收實(shí)時的多媒體多播數(shù)據(jù)流。在該驗(yàn)證系統(tǒng)中,采用的協(xié)議棧為改進(jìn)后的RTP與UDP/IP/IEEE 802.11a,且傳送實(shí)際的實(shí)時多媒體多播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流(本實(shí)驗(yàn)采用的是標(biāo)準(zhǔn)DVB數(shù)據(jù)流)。為了實(shí)現(xiàn)HEC-PR方案,對原始RTP協(xié)議的改進(jìn)如下:增加了一條RTCP控制消息,用于傳送NACK信息;為了適應(yīng)實(shí)時多播的需求,去掉了原始RTP協(xié)議中的5s停等機(jī)制,而改為在盡短的時間內(nèi)傳送RTCP控制消息,將重傳延時控制在盡可能小的范圍。
為評估實(shí)際實(shí)時多播場景中的刪除錯誤信道模型是否與GE模型相匹配,本實(shí)驗(yàn)將多播速率分別設(shè)為 7Mbit/s、9Mbit/s和 13Mbit/s。在每次實(shí)驗(yàn)過程中,發(fā)送RTP分組的總數(shù)為2×107。通過在接收端統(tǒng)計(jì)連續(xù)分組丟失的個數(shù)(即連續(xù)刪除錯誤長度X)以及連續(xù)正確接受分組的個數(shù)(即連續(xù)無刪除錯誤長度Y)的值,便可通過第3節(jié)介紹的MLE方法估計(jì)出GE模型的參數(shù),表3列出在2個接收端的參數(shù)估計(jì)值。
表3 GE模型的參數(shù)估計(jì)
從表3可以看出,由于2個接收端位置不同,其無線環(huán)境會有差異,因此其GE模型的參數(shù)明顯不同,且差異較大。因此,在無線實(shí)時多播場景中,不同的接收端與發(fā)送端之間的無線鏈路狀況可認(rèn)為是相互獨(dú)立的。此外,為了驗(yàn)證實(shí)際分組丟失模型是否與GE模型相一致,將GE模型關(guān)于X以及Y概率分布與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。不失一般性,以接收端1為例,多播速率為7Mbit/s的比較結(jié)果如圖2所示。實(shí)際上,對其他多播速率可得到類似的圖。限于篇幅,本文僅以此圖為例進(jìn)行說明。
圖2 隨機(jī)變量X與Y的概率分布分析圖(多播數(shù)據(jù)速率為7Mbit/s)
在這組圖中,GE模型的分析結(jié)果是依據(jù)表 3中的估計(jì)參數(shù),然后通過式(5)和式(6)計(jì)算所得;而測試結(jié)果是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,通過統(tǒng)計(jì)X與Y的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算所得。從這些圖可以看出,GE模型的分析結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)非常匹配。特別是關(guān)于X的概率分布,其模型值與實(shí)際值幾乎完全一致,而糾刪方案的性能分析主要建立在X的概率分布的基礎(chǔ)上,因此,以GE模型為基礎(chǔ)進(jìn)行分析,將會對性能做出比較準(zhǔn)確的評估。換句話說,該GE模型非常匹配IEEE 802.11a中承載實(shí)時多媒體多播業(yè)務(wù)時的刪除錯誤信道模型,因此可用于對該環(huán)境中采用的各種糾刪方案進(jìn)行準(zhǔn)確的性能評估與分析。
表4 HEC-PR方案的性能分析
為了評估HEC-PR方案在實(shí)際環(huán)境中的性能是否與分析結(jié)果一致,在上述驗(yàn)證系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了HEC-PR方案,下面將對測試結(jié)果與分析結(jié)果進(jìn)行比較研究。與文獻(xiàn)[4]相似,這里將目標(biāo) PLR設(shè)置為10-6,端到端的時延限制設(shè)置為 100ms;因系統(tǒng)中原始鏈路PLR通常小于10%,這里將最大的可能重傳次數(shù)NT設(shè)置為3;為使所需的RI最小,HEC-PR方案中的最大可能重傳輪數(shù)設(shè)置為 2,且[N1,N2]= [ 1,2]。rtrt
根據(jù)測試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)發(fā)送端與接收端之間的RTT平均為10ms左右。對不同的數(shù)據(jù)速率,其發(fā)送分組的間隔ts分別為1.6ms、1.2ms和0.8ms。為簡化分析,這里假設(shè)tsw和trw可忽略不計(jì)。顯然,依據(jù)上述實(shí)測參數(shù)與 2.2節(jié)得到的性能分析表達(dá)式,便可獲得關(guān)于HEC-PR方案在GE信道中性能的分析結(jié)果。表4展示了測試結(jié)果和分析結(jié)果。在分析結(jié)果中,鏈路PLR為根據(jù)表3和式(4)計(jì)算所得;最終的 PLR及所需冗余信息為根據(jù)表3和式(14)、式(15)分別計(jì)算所得。
根據(jù)表 4,可看出鏈路PLR的分析結(jié)果和測試結(jié)果非常一致,這再次說明GE模型非常符合實(shí)際場景中的刪除信道模型。這里值得特別說明的是,因i.i.d信道可視為相關(guān)系數(shù)注注 相關(guān)系數(shù)可通過α+β-1進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)表 3可知該系數(shù)在本實(shí)驗(yàn)中小于0.1。
①為0的特殊GE信道,而本實(shí)驗(yàn)中GE信道的相關(guān)系數(shù)小于0.1,因此,該結(jié)果與采用i.i.d信道非常相近。但是,當(dāng)GE信道的相關(guān)系數(shù)很大時,將不能采用簡單的i.i.d模型模擬近似。因此,GE模型的相關(guān)系數(shù)對糾刪方案性能評估的影響值得深入探討和研究。
此外,在第2.2節(jié)的分析中總是假設(shè)反饋信道是完全可靠的。但是,在實(shí)際測試中,當(dāng)NACK消息以多播模式傳送時,并不能被看成是完全可靠的。主要原因在于:IEEE 802.11a處于多播模式時,沒有任何機(jī)制保證消息傳送的可靠性,因而造成許多NACK消息的丟失。因此,在實(shí)際測試過程中,采用了單播模式傳送NACK消息,以保證其傳輸?shù)目煽啃?。因而,?shí)際系統(tǒng)中的反饋信道可視為近似完全可靠。
從表4中還可看出,在第1輪重傳后,測試結(jié)果和分析結(jié)果基本相符。然而,在第2輪重傳后,實(shí)際測試結(jié)果比分析結(jié)果要差很多。其中的主要原因在于:沒有對重傳的 RTP分組采用任何保護(hù)機(jī)制,由于重復(fù)傳送的RTP分組是連續(xù)發(fā)送,因此將以很大的概率經(jīng)歷同樣的信道狀態(tài)。特別是處于強(qiáng)干擾或衰落狀態(tài)時,信道可能長時間處于“Bad”狀態(tài),導(dǎo)致這些在該時間端內(nèi)連續(xù)發(fā)送的所有重傳數(shù)據(jù)分組都將會發(fā)生刪除錯誤而被丟棄。為此,需要繼續(xù)研究一種可靠的機(jī)制來保證重傳分組的可靠性。最直接的思路是采用比較精確的信道預(yù)測方法,通過對信道質(zhì)量的預(yù)測,可避免在信道處于“Bad”狀態(tài)時發(fā)送數(shù)據(jù)分組。
另一方面,從表4可以看出,在測試中所需的總的RI要稍大于分析結(jié)果。 由于在第2輪重傳過程發(fā)生后,在第2輪重傳過程中所需要重傳的數(shù)目非常少,因此分析結(jié)果和測試結(jié)果的區(qū)別將很小。最后,測試結(jié)果表明最大的端到端的延時可以控制在目標(biāo)規(guī)定的100ms以內(nèi),達(dá)到了實(shí)時多播業(yè)務(wù)的特定業(yè)務(wù)質(zhì)量要求。
針對無線實(shí)時多播系統(tǒng)中的糾刪方案,本文提出基于GE信道模型的性能分析方法,推導(dǎo)出了一種混合糾刪方案的性能分析閉式表達(dá)式。此外,采用基于從實(shí)際系統(tǒng)中獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法,對GE信道的精確性以及各種糾刪方案的性能進(jìn)行了準(zhǔn)確的評估。本文設(shè)計(jì)了基于IEEE 802.11a的實(shí)際 DVB測試驗(yàn)證系統(tǒng),并在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了待評估的混合糾刪方案。一方面,利用從實(shí)際系統(tǒng)中獲得的充分測試數(shù)據(jù),本文采用極大似然的參數(shù)估計(jì)方法,對實(shí)時多媒體多播系統(tǒng)中的實(shí)際刪除錯誤信道進(jìn)行了評估。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)GE信道模型與系統(tǒng)中的實(shí)際刪除錯誤信道非常匹配,因而驗(yàn)證了GE信道模型的精確性。另一方面,通過比較分析待評估糾刪方案的理論分析結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)兩者基本一致,從而驗(yàn)證了通過GE信道模型評估糾刪方案性能的精確性。最后,本文提出的基于GE模型的性能分析方法與基于實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析評估方法,顯然適用于對其他無線實(shí)時多播系統(tǒng)進(jìn)行類似的性能分析與評估研究,因而具有普遍參考與借鑒意義。
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