针对移动视频流介于UMTS和WiMAX网络间的切换方案*

陶 静，许艺瀚

(南京林业大学 信息科学与技术学院,江苏 南京 210037)



针对移动视频流介于UMTS和WiMAX网络间的切换方案*

陶 静，许艺瀚

(南京林业大学 信息科学与技术学院,江苏 南京 210037)

下一代移动网络(NGMN)倾向于融合多个无线接入技术(RATs)来为用户提供无处不在的访问服务。而作为一个无处不在系统,能够有一个解决方案来支持日益流行的视频应用程序也是至关重要的。由于移动视频应用程序的高带宽要求和对延迟敏感的特点，如何让移动视频应用程序在不同的RATs之间进行无缝切换并保证服务质量(QoS)是我们面临的一个挑战。为了加快实现在异构网络中提供无缝视频流服务，通过运用IEEE 802.21规定的媒体独立信息服务的服务器提出了一种移动端发起-网络端控制的移动网络切换方案。仿真结果表明,该方案在丢包率、延迟和峰值信噪比等方面提高了性能。

IEEE 802.21；独立媒体信息服务(MIIS)；视频流；异构网络

0 引 言

我们可以预料到移动视频流的需求在目前的软件应用程序市场上不断增加。然而移动视频流在蜂窝网络中的高成本难以满足用户对更高的性价比的需求。因此，融合多个不同特点的RATs已经成为提供无线移动视频流服务的趋势。尽管聚合多种RATs给用户带来了多方面的好处，它也引入了一个新的挑战，即如何保证视频流在移动跨越边界时对用户来说是透明的。在这种情况下，一个有效的无缝切换方案是至关重要的[1]。IEEE 802.21已经初次尝试制定标准来处理不同的技术网络之间切换的相关问题[2]。本文专注于MIIS服务器的功能并指出如何促进异构网络环境中的切换技术使得无缝地传输视频。基于NS2的仿真结果表明，文中提出的方案提高了移动视频流在丢包率、延迟和峰值性噪比(PSNR)等方面的切换性能。

1 IEEE 802.21媒体独立切换(MIH)

本节概述了MIH的体系结构。在2004年，IEEE 802.21工作组成立来解决媒体独立切换(MIH)标准等相关问题。MIH的总体想法是在网络层和链路层中引入介绍MIH层来简化网络的操作和管理从而优化切换。MIH层不需要知道下层之间的差异。图1给出了指定IEEE 802.21指定的MIH架构。在网络检测、网络选择和执行切换过程中，媒体独立切换功能(MIHF)使用服务接入点(SAP)来连接链路层和网络层提供同步和非同步服务包括事件服务,指令服务和信息服务。

图1 MIH的体系结构

2 提出方案

尽管IEEE 802.21标准已经定义了MIIS。但是它的基础架构并没有完全定义。在本节中,将提出的MIIS的功能以及用操作流程来解释它如何加速视频流的无缝切换。为了描述提出的方案，文中做了几个假设。首先，移动节点(MN)可以用一些定位技术来实时地测量其位置。其次，MIIS服务器在一定的地理区域记录接入点(PoAs)的示意图，并且当有一个新的网络被部署时进行更新。第三，假设总是可用的PoAs数量是有限的。

起初，每个MN在覆盖范围内从周围可用的接入点(PoAs)和接入网络中测量其位置并监控连接状态，然后将检测到的信息通知给服务器。通过收集这些信息，MIIS构建数据库。整个切换过程可分为三个阶段：邻居网络发现、网络选择和切换执行。在这个过程中，MIIS服务器的作用是提高网络发现和网络选择的进程来实现在切换时无缝地传输视频。文中提出的基于MIIS服务器的网络发现从UMTS网络到WiMAX网络切换的详细过程如图2所示。与此同时，需要切换时，MIIS服务器会通过网络选择算法的馈送信息来选择最好的目标网络，在这个工作中所使用的算法是基于负载感知的算法[3](在以前的工作提出)。

图2 所提出的邻居网络发现过程的信令流程图

3 仿真和结果

在本文中，用由NIST[4]和EvalVid[5]开发的ns2(版本2.31)[6]的MIH模块来进行仿真研究。该视频流是从通信设备(CN)到MN。这个拓扑包含了7个UMTS网格覆盖于7个WiMAX网络如图3所示。UMTS网格的覆盖半径为3 km由节点NB标出，而WiMAX网络的覆盖半径为2 km由BS标出。CN连接到数据传输速率为100 Mb/s和链接延迟为30 ms的主干网。所有的NB连接到接入路由器，所有的BSs都连接到另一个有着100 Mb/s数据传输速率和30 ms的链接延迟的路由器。两个接入路由器都经过一个链接延迟为30 ms的路由器与CN通讯。此外，MIIS服务器连接到数据传输速度为10 Mb/s的路由器。这里分别设置MN的数量为20、40、60和80，将其随机地定位于在拓扑中心长为6 km宽为5.5 km的矩形区域内并且在自由移动速度为3～30 m/s之间互相通信。本仿真中，我们将对基础的MIH方案来和现提出的方案作对比。

图3 网络的拓扑结构

图4给出了部署不同数量MN的平均丢包率的仿真结果。从仿真结果可以看到，提出的方案平均丢包率为0.58%而基础方案为1.8%，相较而言，现提出的方案在丢包率这一性能上更好。根据IEEE 802.20工作组的建议[7]，视频在移动网络中的丢包率在1%之内是可以接受的。

图4 丢包率

图5是提出的方案和基础方案在切换延迟上的比较。从IEEE 802.20工作组的建议[7]可知，对于非交互视频而言，280 ms切换延迟是可以接受的。对于交互视频,根据ITU-T的建议Y.1541[8],对于class 0，切换延迟100 ms是可以接受的；对于class 1，切换延迟400 ms是可以接受的。因此可以看到，提出的方案完全满足了要求。

图5 切换延迟

图6给出了部署不同数量的MN所得到的不同的PSNR。很明显，随着MN的数量的增加，两个方案的峰值性噪比都在下降。然而,我们也可以看到，现提出的方案在PSNR上显示了更好的性能。因此，这进一步表明，现提出的方案能加速视频在执行切换期间进行无缝传输。

图6 峰值性噪比(PSNR)

4 结 语

在本文中，我们提出了一种新颖的MIIS服务器来解决移动视频流在异构环境中实现无缝切换这一挑战。通过大量的仿真,结果表明，该方案提高了在丢包率、延迟和PSNR等方面的性能，并进一步表明我们的方案可以满足各种服务需求而不仅仅是在视频应用程序上。未来，我们的工作可能会专注于研究视频流在异构网络中更高效的算法以及不同的网络模型。

[1] 周建民.无线异构网络的垂直切换[J].通信技术，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 静(1994—)，女，学士，主要研究方向为多媒体通信、下一代移动通信技术、计算机网络等；

许艺瀚(1985—)，男，博士，副教授，主要研究方向为多媒体通信、确定性优化算法、下一代移动通信技术等。