针对VBR业务的多址接入技术

蔺玉柱，彭 伟，王 程

(安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖241000)

0 引言

随着光纤通信技术的迅速发展，基于数字无线技术的新一代宽带无线本地通信系统在未来将得到广泛应用［1］。该系统将可以提供固定比特率(CBR)和可变比特率(VBR)2种服务，可用来支持一系列的语音、视频、数据和其他应用。相对于有线传媒，在无线介质中实现这些功能是更加困难的［2］。为了克服这个困难，提出了一个模型，能够保证与有线系统具有相似的服务质量。

对于MAC方案，一个物理信道存在多个逻辑信道，当多个移动台同时使用这条物理信道进行信息传输时，会发生冲突。提出的新MAC方案能够根据用户的实时需求，最大程度避免冲突，给用户提供一个连续的无线通信系统。

一个无线小区的多路转换器包括多个无线终端(WTS)和一个基站(BS)［3］，如果每一个无线终端都存在一个中央控制单元，它能够对采用MAC协议给无线终端分配时隙的数据包调度程序［4］加以控制，那么就可以保证用户的服务质量。该数据包调度程序是在Anirban Roy等人的研究基础上对算法改进的［5］。

1 VBR视频模型

目前已有的实时应用，比如声音信息和视频信息等，大多数都可以被建模成一个比特率可变(VBR)的服务系统。本文以VBR视频通信为例进行研究说明。由于来自编码器随时间变化的比特率是一个随机过程，当对这种随机改变的比特率加以限制后，这个随机过程就变成可控的了。希望能找到这样一个控制比特流的描述方法，要求它既能被通信网络接纳，又不会在执行时过多地影响服务质量［6］。现在具体描述下面这种VBR视频模型。

编解码器有2种工作状态:一个是尖峰期，这个是和每一帧图像变化相对应的;另一个是平稳期，它代表了一帧图像传输期间编解码器的行为［7］。在一个给定的平稳期，编解码器的行为因信息序列的不同而略有不同;2个不同平稳期的比特率可能有显著的变化。

VBR视频信源的建模目前广泛使用的一种方法是利用马尔可夫调制过程来调制的信息。如图1所示［5］，对于视频信息，用马尔可夫链 K{N1，N2，…，NK}来调制到来的信息。图1中每一个状态Ni代表一个帧的信息在传输时的编解码器状态，而状态P代表了帧与帧改变时的编解码器状态。

图1 VBR视频源模型

这个模型的比特流服从马尔可夫链模型，编解码器的比特率仅仅由几个电平和一个与几何分布占有时间相关的高峰电平值组成。因此采用上面这个模型来开发、模拟上述的协议。

2 多址接入方案

目前成熟的MAC协议［4］集中了数据包调度所需要的管理、控制功能，它们在基站中作为一个整体运行。上行传输和下行传输使用不同频率的物理信道，但却是在同一时隙内进行传输。在时分复用方式下，这种时隙被分为可用时隙和预留时隙2类。可用时隙通常用来传输动态参数和接入请求，而预留时隙用来发送视频数据(以数据包的形式)。为了协调上行传输中的多址接入问题，基站负责产生轮询指令来管理这个时隙［8］，从而避免冲突。轮询指令包括WAT标识、循环冗余校验码(CRC)和一个序列指令(SC)位，无线终端在进行信息传输时，相应的SC位交替设为0和1。如果基站在指定的时隙内没有接收到视频数据，那么基站将给相应的无线终端发送一个特定序列，使无线终端重新发送数据，直至该数据包被成功接收。基站还决定一个可用时隙是在随机接入模式下使用，还是在轮询的模式下使用。如果是轮询模式下的一个可用时隙，那么相应无线终端会在这一时隙内发送动态参数和其他相关指令。由于在这些时隙内没有发送真正的大容量视频数据包，所以它们的信道负荷要求就小很多。这样，可以把在每个小时隙内传输的指令、参数等视为一个小型数据包，进而再将可用时隙划分为n个微时隙，在每个微时隙内传输一个小型数据包。利用这种方式，相当于信道容量被扩大了n倍［5］。

对于下行传输，只有在相关指令完成从基站到无线终端的传输后，数据包的传输才可以进行。这些指令和数据包都被加以地址，以区别不同的无线终端。数据包的首部包含了一个目的无线终端的号码和一个CRC码。在接收到正确的数据包后，无线终端将在下一个时隙向基站发送一个确认信息。而在预留时隙中按轮询方式传输的数据包首部则包括了终端标识符和一个CRC码。

3 调度算法和数据包调度的需求

调度算法的一切操作行为都以连接建立时基站产生的服务参数为基础，同时也取决于最近一次基站接收到的动态参数。具体的服务参数(静态参数)如下:

①视频源平均速率改变的概率Pi;② 在一个时隙内最大可允许的数据包延时Li;③连接的优先权Si。

动态参数如下:

①在无线终端i(WTi)的传输缓冲中线端数据包的剩余使用时间Ci;

②无线终端i(WTi)的数据包重复发送的次数ri;

③数据包的发送间隔时间或者是当前比特率ti。

调度算法在运行过程中会使用一个移位寄存器，称为预留寄存器，这个寄存器的大小为L+1，L为上文提到的数据包最大延时，如图2所示［5］。

图2 移位寄存器

移位寄存器中的每个位置可以是空的，也可以被一个标识符填充，这个标识符表示在一个连接成功建立后，预留时隙中正等待被轮询的某个无线终端。当某个无线终端与基站的连接建立好时，这个无线终端的标识符存放在移位寄存器的当前最高位。

在一些具体应用场合中，视频源的比特率或者处于峰值或者是平稳值，而比特率的改变必然发生在数据包的发送间隔时间内。对于基站来说，数据包调度算法利用数据包发送的时间间隔来安排移位寄存器的相应位置，如果调度程序以之前的比特率保持预留时隙时长，而信源的数据包又以新的比特率进行传输，那么传输将发生错误。因此视频数据包在发送时最好携带当前的动态参数。

4 可用时隙的轮询问题

基站从上次动态参数传输到本次动态参数传输所经历的时隙数记为ki，并利用这个计数值ki来估计无线终端信源改变的概率。若在连接建立时，无线终端规定的视频源比特率改变概率为Pi，那么由基站估算出的概率为:

式中，Xi是一个动态变量，表示上次动态参数传输完毕后到现在所经过的时隙个数。

如果某个无线传输被轮询方式识别了，并且动态参数也同时传输了，那么这次的传输过程就是成功的。相反，在传输数据包时，动态参数没有被更新，也就是说基站认为比特率没有发生改变，那么这次传输将会失败。下面将对轮询方式信道的容量进行估算，令x=［n*0.37］，M代表任意时刻有效的无线终端信源个数，规定m的取值范围为x到M，S为轮询方式下一个可用时隙内平均微型时隙的个数，则:

这样，通过估算 Sm，得到了 {Sx，Sx+1，……，SM}，Pm(x)表达式如下:

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

因此，轮询模式微型时隙的期望值如下:

E［E［S/m］］=E［S］=P(已经改变速率的信源 x)*Sx+

P(已经改变速率的信源x+1)*Sx+1+……+

P(已经改变速率的信源M)*SM。

为了成功发送无线终端的动态参数，其相应的ki值要设为0。

5 协议算法

协议的主要功能由2个程序模块来完成，一个是预定程序模块，一个是信号处理程序模块。预定程序部分负责给无线终端分配时隙，而信号处理程序负责管理可用时隙内所要执行的操作。

5．1 预定程序

(1)任何新的时隙请求都被基站放在移位寄存器中，并从高位开始存放，如果这个位置已经有了某个标志符，那么就将这个指令放在该位置的右边一位，以此类推。

(2)在每个时隙里:

①如果移位寄存器的位置0有某个标识符，那么基站将向该标识符对应的无线终端发送预留时隙，供其传输数据;

②如果连续2个预留时隙间的时隙数大于了阈值，那么在这2个预留时隙之间将发出一个可用时隙;

③如果上面2个条件都不满足，那么基站的调度算法将从左到右搜索移位寄存器的每一个位置，直到发现一个非空的位置，然后发送一个预留时隙;

④如果没有无线终端申请预留时隙，即移位寄存器是空的，那么就给无线终端发送可用时隙;

⑤如果某个预留时隙在之前已经被指定分配给某个无线终端使用，那么移位寄存器将清除代表该预留时隙使用请求的标识符，更新移位寄存器ci=ci+ti，如果ci＜ti，则将在移位寄存器中重新寻找合适的位置，来调度下一个来自无线终端数据包的传输。

⑥一个标识符如果暂时存储在RR［0］，当移位寄存器RR向右移动一个位置时，RR［0］的信息将会丢弃，而重新分配原本的请求。

⑦ 随着计数值ci的减小，当ci=li时，无线终端就将产生一个新的数据包，基站中的算法仍然要为传输这个新数据包预留一个时隙。

5．2 信号处理程序

(1)增加计数器值ki;

(2)如果当前的时隙是一个可用时隙:

①使用计数器值ki和静态参数pi，计算出下一个时隙比特率发生改变的的概率;

②根据上文描述的调度算法，计算出轮询方式下的输出量E［S］;

③如果轮询的通量E［S］大于随机接入模式的通量，将采用轮询模式，并在可用时隙的每个微型时隙内发送某无线终端标识符和其他指令;

④如果轮询的通量E［S］小于随机接入模式的通量，可用时隙就利用随机接入模式传输动态参数，这种传输将使用时隙ALOHA协议;

⑤在每个可用时隙完成传输任务时，不管是轮询方式还是随机接入方式，基站都将给出传输结果的评估，并更新无线终端的动态参数，同时将计算器值ki全部归零。

6 仿真与结果

在SUN Sparc工作站上，利用了时间驱动技术［9，10］，已经对上面的协议进行了仿真。这里研究的系统参数是单一链路信道，每个时隙能传输640 bit，占用时间0.05 ms，它包括了全部协议和一个512 bit的数据包，可用时隙被分为3个微时隙。服务质量参数最大延时可以达到40 ms，其接收损失率只有千分之一。仿真中假设传输是无误码的集中传输，而且不考虑移动性问题，测量的主要参数是:①数据包的平均延时:即到达发送器和接收器的延时;②数据包损失概率:即超过允许延时的数据包比例。

比特率改变的概率曲线如图3和图4所示。可以看出，平均信息损失率为8*10－3和2*10－3。这2种情况下的平均延时约4.5 ms和12.5 ms，远小于最大允许延时。与VBR视频应用传统的固定带宽传输方法相比，该方法能保证更多用户的服务质量，如果考虑一定质量的衰减，那么这种方法能获得更大的复用效益(约20个无线终端)。当然大多数VBR视频应用是容许发生随机损失的，只要这些损失不会过多地影响传输质量，所以本文的这一方法是合理的。

图3 数据包平均损失率(20个终端)

图4 平均允许延时

7 结束语

为无线链路中的瞬时带宽需求提供了一个合理的解决办法，能提高通信质量。关于现实中的VBR视频源的研究还有很多要做，因为还要进一步估计轮询方式成功的概率。此外，还需对更高效的随机算法进行分析(例如分离算法)，从而消除随机接入模式下信道中不稳定的因数。

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