無線鏈路保障QoS垂直映射技術

唐日照 ，房曙光

1.吉林大學 計算機科學與技術學院，長春 130012

2.無錫商業職業技術學院 信息工程學院，江蘇 無錫 214153

3.南京郵電大學 通信與信息工程學院，南京 210003

4.無錫商業職業技術學院 電子工程學院，江蘇 無錫 214153

1 背景及研究動機

無線信道所具有的可靠性低和容量可變特點使得無線網絡通信QoS保障成為一個極具挑戰性的問題。而在現代無線網絡中QoS保障是一個重要的指標，第三代和第四代無線網絡都需要網絡支持多種QoS需求和業務流特性[1-2]。在網絡QoS性能保障中，協議棧每一層承擔不同角色并與其相鄰協議棧相互作用，這種交互作用可以分為兩種不同的操作：一種稱為水平QoS映射；一種稱為垂直QoS映射[3]。本文僅討論垂直QoS映射問題，該技術是指網絡QoS性能依賴于網絡中每一協議層所能提供QoS性能并且基于相鄰協議層相互作用。如網絡層有效QoS保障需要數據鏈路層能夠確保對網絡層服務，否則網絡層QoS保障機制將是無效的，即網絡QoS需求業務流在協議棧中垂直流動并且必須能夠被所有協議層接受、理解和滿足。而在實際網絡中，不同協議層QoS需求分別以不同參數集所表征，并且不易被相互理解，如體驗質量為客戶角度所理解的服務質量，以客戶主觀滿意程度的表征量參數集作為判斷標準[4]。應用層質量是以應用層參數集表征的網絡服務質量；網絡層質量是以網絡層參數集表征的服務質量，大部分是IP依賴參數；數據鏈路層質量是以數據鏈路層參數集所表征的網絡質量，主要描述信道的隊列特性；物理層質量是以物理層參數集所表征的網絡服務質量，如比特差錯率等。這就要求采用某種機制以實現相鄰協議層次QoS指標參數集的相互理解和接受。

無線網絡通信中信道性能對網絡QoS保障是十分關鍵的[5]，上層（如網絡層）產生的具有QoS要求數據流轉發到物理接口并通過該物理接口沿著能夠為上層提供期望QoS水平的信道傳輸信息，網絡上層QoS性能的保障最終將依賴于信道的可靠性和有效性。在網絡通信協議棧中關于信道的功能層是物理層和數據鏈路層。近年來涌現了大量物理層革新技術以克服無線衰落信道影響并實現對異質移動用戶QoS需求多樣性的支持[6]，如多重編碼調制技術（Multiple Coding and Modulation Schemes）、高級天線技術、多輸入多輸出技術（Multiple Input Multiple Output，MIMO）、正交頻分復用技術（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing technologies，OFDM）以及超寬帶（UWB）技術等。這些技術可以集成于同一設備實現，如對于一個Wi-Media UWB設備，UWB基于MB-OFDM技術，多速率技術是通過多重編碼和調制技術實現，鏈路吞吐量通過MIMO技術獲得提高等[7]。物理層先進技術的采用使得鏈路延遲、吞吐量以及丟包率等性能獲得很大提高，然而物理層本身無法適應性調整其相關技術以提高鏈路延遲、吞吐量以及丟包率等性能[8]，實際上這些性能指標是表征數據鏈路層QoS性能的參數，直接自物理層模型對其刻畫是十分困難的。物理層模型提供了對物理層QoS指標參數的快速估計方法，如自物理層模型可得到數據傳輸速率，比特差錯率BER（Bit Error Rate）與信噪比SNR（Signal-Noise Rate）的關系等；鏈路延遲、吞吐量以及丟包率等性能指標是數據鏈路層QoS性能參數，涉及隊列分析相關技術，自數據鏈路層角度所刻畫的表征隊列特性的信道模型才能夠對這些指標予以刻畫。這就需要研究物理層和數據鏈路層QoS指標集的映射技術以實現物理層和數據鏈路層交互從而為網絡提供可靠有效通信鏈路。由于物理層和數據鏈路層的相鄰，無線網絡MAC層較低部分和物理層基帶往往集成于同一網卡設備甚至同一集成芯片，為該兩層技術實時交互提供了便利和技術上的可行性[9]?；谝陨戏治?，本文提出了一個物理層和數據鏈路層QoS指標垂直映射結構，并采用等效容量的數據鏈路層模型實現物理層和數據鏈路層QoS指標參數映射，通過仿真結果驗證了其有效性。

2 映射模型與關鍵技術

2.1 數據鏈路層與物理層QoS垂直映射模型

通信鏈路的有效性和可靠性依賴于數據鏈路層技術和物理層技術。物理層和數據鏈路層分別采用不同QoS性能指標表征其QoS性能，數據鏈路層QoS指標包括數據速率、最大延遲、延遲偏離概率、最大緩存尺寸、緩存溢出概率等，其依賴于數據鏈路層復雜的隊列行為[10]。物理層QoS性能指標包含比特差錯率、數據速率等，依賴于物理層調制技術、帶寬、信噪比、多普勒頻率等【11】。物理層QoS指標往往不能被數據鏈路層所直接理解，同樣數據鏈路層QoS指標也不易能被物理層所理解。而物理層所采用技術對數據鏈路層QoS性能形成制約作用，數據鏈路層QoS保障需要物理層提供相應的技術支持【12】。這就需要有效的物理層和數據鏈路層QoS指標映射機制，物理層QoS指標通過該機制能夠映射為數據鏈路層QoS指標?；诖?，提出一種數據鏈路層與物理層QoS指標垂直映射模型（如圖1所示），該模型包含三個基本構成要素：協議層模型；協議層QoS指標集；協議層參數集[13]。

圖1 數據鏈路層和物理層QoS垂直映射模型圖

（1）協議層QoS指標集：表征該協議層所能提供QoS性能，該指標集與對應協議層特征相聯系，不同協議層具有不同的QoS指標集。如物理層QoS指標集以符號差錯率、數據速率等表征；數據鏈路層QoS指標集以數據速率、最大延遲、延遲偏離概率、最大緩存尺寸、緩存溢出概率表征。

（2）協議層模型：協議層模型為表征該協議層特征的數學模型。物理層信道模型一般表征信號波動特性，像瑞利信道模型、一維或多維馬爾科夫模型等，表征物理層角度所獲得信道特征；數據鏈路層模型表征鏈路連接的隊列特性，如等效容量模型，自數據鏈路層角度描述信道特征。

（3）協議層參數：此處的協議層參數是指自協議層模型所抽象出的能夠構成層間映射的參數。該參數能通過相關技術映射到相鄰協議層參數，QoS垂直映射通過它實現。

2.2 基于等效容量模型的QoS垂直映射技術

基于圖1所示QoS垂直映射模型結構，實現物理層和數據鏈路層QoS垂直映射，需要對協議層QoS指標集、協議層模型以及協議層參數予以定義。物理層信道模型通常直接描述無線信號增益波動性特征，采用低信噪比狀態下瑞利平坦衰減信道模型，它提供了物理層QoS參數集估計方法，如符號差錯率與信噪比關系等[14-15]。數據鏈路層模型體現連接的隊列特性，采用文獻[3]提出的無線信道數據鏈路層等效容量（EC，Effective Capacity）模型，該模型能夠有效獲得數據鏈路層QoS性能。

2.2.1 模型中數據鏈路層定義

實際上該假設是有效的，例如，對于統計馬爾可夫過程，則r(t)的等效容量定義為：

其所表征的物理含義為自數據鏈路層角度，信道以偏離概率ε支持數據速率α(c)(u)。在等效容量α(c)(u)獲得后，可獲得以概率保障的數據鏈路層QoS指標。

假定數據鏈路層最大緩存尺寸為Qmax，對數據流的最大延遲限制為Dmax，則由恒定數據速率μ數據源所產生業務流送入該數據鏈路層后，由該數據鏈路層所產生的延遲偏離概率可表征為公式（3）：

由該數據鏈路層所產生的隊列長度Q超過Qmax的概率，即緩存溢出概率可表征為公式（4）：

對于給定的源數據速率μ，式（3）、（4）中的γ(c)(μ)=Pr{Q(t)≥0}，表征了在隨機選擇的時刻t數據鏈路層緩存非空概率；而θ(c)(μ)=μα-1(μ)，此處的α-1(μ)是α(c)(u)的反函數，稱之為鏈路的QoS指數。這樣函數對{γ(c)(r),θ(c)(r)}構建了數據鏈路層模型，它們表征了鏈路層所具有的隊列行為特性。

根據以上分析，圖1所示QoS垂直映射結構鏈路層信道模型定義為等效容量模型EC：{γ(c)(r)，θ(c)(r)}，數據鏈路層參數集定義為信道等效容量{α(c)(u)}，數據鏈路層QoS指標集以概率形式表征，包含數據速率R，最大延遲Dmax，延遲偏離概率εD，最大緩存Qmax，緩存溢出概率εQ，即為{R，Dmax，εD，Qmax，εQ}。在以上定義基礎上，根據式（3）、（4），獲得QoS指標的延遲背離概率εD以及緩存溢出概率εQ分別為：

數據速率R即為信道等效容量，由數據鏈路層模型和數據鏈路層參數集中參數獲得，即以概率滿足以下速率：

2.2.2 模型中物理層定義

物理層模型采用低信噪比狀態下瑞利衰減平坦信道模型，該模型可通過AR（p）模型仿真獲得[10]。根據該模型可獲得物理層QoS性能參數如BER與SNR關系，信號傳輸速率則可通過香農定理獲得。根據圖1模型結構要求，物理層參數需能夠與數據鏈路層參數形成映射，而在數據鏈路層中定義其參數為等效容量與連接QoS指數關系式α(c)(u)。在此定義物理層參數為功率譜密度PSD（Power Spectral Density）。文獻[9]提供了在低信噪比瑞利平坦衰減信道通過功率譜密度估計獲得α(c)(u)與QoS指數u關系的方法：

通過該方法可實現物理層參數與數據鏈路層參數的映射關系，該算法包含以下步驟：

（1）在時間間隔為δ，持續時間[0，t]內獲得Nf個信道增益測量值，將其表示為X=[x(0)，x(1)，…，x(Nf-1)]T，此處x(n)(n=0，1，…，Nf-1)代表復值信道增益。

（2）在給定信道增益測量值 X情況下，通過如周期圖法、Burg最大熵法【9-11】等估計方法可獲得功率譜密度{)，i=1，2，…，Nf}。

（3）以式（12）估計信道容量α(c)(u)。

這樣圖1所示QoS垂直映射模型中，物理層部分QoS指標包含符號差錯率、數據速率等；物理層模型采用瑞利平衰減信道模型；物理層參數集為信道功率譜密度S(fi)。

3 仿真環境與結果

對圖2所示離散時間隊列系統進行仿真，驗證圖1所示QoS垂直映射模型有效性。

圖2 用于仿真的隊列模型圖

系統中數據源（Data Source）以數據速率Rn產生數據包，該數據包首先送入發送器（Transmitter）隊列予以緩存，所支持最大隊列長度為Qmax，實時隊列長度Qn代表時刻n時隊列長度，當Qn＞Qmax時，所收到的數據將被丟棄；隊列中緩存數據包以數據速率rn在瑞利平坦衰減信道（Fading Channel）中傳輸，由接收器（Receiver）接收。

仿真中設定數據包尺寸極其微小，可予以忽略，同時物理層采用QPSK調制技術，瑞利平衰減信道樣本點x[n]使用一階自回歸AR（1）模型產生：

其中，w[n]是具有不相關實部和虛部的復高斯白噪聲過程，k表示濾波器系數[10]。假定發送器在每一采樣間隔能夠準確獲得信道信噪比SNR，則可獲得數據速率rn：

此處Bc表示信道帶寬，SNRavg為平均信噪比，即E|xn|2。仿真參數設定見表1。

表1 仿真參數設定

在仿真環境中，取樣間隔設置為1 ms。該假設是合理的，實際的3G WCDMA數據采樣數量級為10 ms，增強HSPA系統，采樣數量級為2 ms[9]。每次仿真運行1 000 s，由于信道采樣速率為1 000樣本/s，則對每次仿真可獲得1 000 000個瑞利平坦衰落樣本。

圖3、圖4和圖5顯示了當多普勒頻率不同時，物理層QoS參數比特差錯率與數據鏈路層QoS參數最大延遲偏離概率的對應關系。從圖3、圖4和圖5曲線可得出以下三點結論：

（1）物理層QoS參數誤比特率BER隨著物理層信噪比SNR增大而下降。這是由于隨著信噪比增大，信道正確傳輸數據概率增加，從而減少了數據傳輸錯誤的概率。

圖3 延遲偏離概率與比特差錯率映射關系(fm=5 Hz)

圖4 延遲偏離概率與比特差錯率映射關系(fm=10 Hz)

圖5 延遲偏離概率與比特差錯率映射關系(fm=15 Hz)

（2）對于固定的數據鏈路層數據速率R，隨著物理層信噪比增大和誤比特率減小，數據鏈路層最大延遲偏離概率呈現下降趨勢。根據香農定理，對于固定信道帶寬，隨著信噪比增大，信道傳輸速率會增大，從而使得數據鏈路層延遲偏離概率減小。

（3）在相同多普勒頻率、信道信噪比情況下，隨著數據鏈路層速率R增大，延遲偏離概率會呈現增大趨勢。在相同多普勒頻率和信道信噪比情況下，物理層傳輸速率固定，而此時增大數據鏈路層速率R會導致數據鏈路層數據丟包率增加，由于數據恢復機制的作用，使得正確傳輸數據延時增大，從而使延遲偏離概率呈現增大趨勢。

針對QoS垂直映射技術的研究是近年的熱點問題。典型的如文獻[4]基于協議層的技術依賴層和非技術依賴層劃分，采用隊列和仿真技術對QoS垂直映射進行研究，但未對無線鏈路中物理層和數據鏈路層QoS指標映射技術做研究；文獻[7]通過對物理層和數據鏈路層所采用具體技術的分析獲得物理層與數據鏈路層QoS指標映射關系，但文獻所提供方法是對數據鏈路層時延的具體求解，其求解只能通過仿真方法獲得。而本文研究無線網絡依賴層中物理層與數據鏈路層QoS映射技術以對網絡上層提供可靠有效信道，物理層與數據鏈路層映射基于等效容量技術給出了具體的數值算法，可通過簡潔的數值計算獲得物理層和數據鏈路層的QoS指標映射。但是，由于本文模型對數據鏈路層QoS指標時延的分析是以最大延遲偏離概率為分析指標的，而文獻[7]中是以具體的延遲時間為分析指標，故無法在仿真結果中予以具體對比。

4 結論

可靠有效鏈路技術是無線網絡QoS保障關鍵技術之一，與鏈路保障相關的協議層是數據鏈路層和物理層。為實現有效鏈路保障，提出一種物理層QoS指標與數據鏈路層QoS指標垂直映射模型，在該模型中以物理層功率譜密度和數據鏈路層等效容量形成映射關系，從而實現物理層QoS指標與數據鏈路層QoS指標映射，本文通過仿真驗證了該映射結構的有效性。

本文模型可用于通信系統數據鏈路層QoS保障分析，為數據鏈路層QoS保障分析提供了一種數值分析方法。由于該方面研究比較少，因此本文缺乏與相應模型仿真結果的對比，分析其優越性；同時，在該模型基礎上如何實現網絡層和應用層QoS保障分析的研究，將是下一步主要工作內容之一。

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