基于始終最佳體驗(yàn)的終端聚合的研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：統(tǒng)一業(yè)務(wù)終端通過(guò)分布式的終端設(shè)備協(xié)同提供應(yīng)用體驗(yàn)，是B3G系統(tǒng)終端架構(gòu)的一個(gè)發(fā)展方向。統(tǒng)一業(yè)務(wù)終端形成的終端業(yè)務(wù)環(huán)境提供始終最佳體驗(yàn)的服務(wù)模式，并主要體現(xiàn)在其對(duì)分布式終端組件的動(dòng)態(tài)聚合重構(gòu)上。在動(dòng)態(tài)重構(gòu)聚合的實(shí)現(xiàn)中，首先對(duì)體驗(yàn)質(zhì)量進(jìn)行量化建模，將各分布式終端的能力映射到能力服務(wù)器（CS），推導(dǎo)出滿意度的評(píng)估函數(shù)及其約束條件，ABE服務(wù)模型。其次，基于此服務(wù)模型詳細(xì)設(shè)計(jì)出終端聚合控制機(jī)制，并且提出解決UST頻繁切換所引起的性能瓶頸的快速判決算法。

關(guān)鍵詞：統(tǒng)一業(yè)務(wù)終端； 聚合重構(gòu)； 始終最佳體驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－3695(2008)06－1864－03

0引言

B3G的網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)與終端的演進(jìn)不僅是實(shí)現(xiàn)技術(shù)的飛躍，更強(qiáng)調(diào)給用戶帶來(lái)的體驗(yàn)質(zhì)量。文獻(xiàn)[1]中提出體驗(yàn)質(zhì)量QoE的概念，從用戶的角度度量系統(tǒng)的整體性能，從而區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)單一的QoS性能評(píng)估指標(biāo)。WWRF 提出用戶行為建模的思想[2]，力圖實(shí)現(xiàn)面向用戶感知的業(yè)務(wù)模式。MUSE （mobile ubiquitous service environment）[3]從網(wǎng)絡(luò)與終端、業(yè)務(wù)多個(gè)角度出發(fā)，依托協(xié)同融合的技術(shù)路線，提出始終最佳體驗(yàn)（ABE）的服務(wù)模式。ABE是對(duì)于VHE[4]的延伸，構(gòu)想業(yè)務(wù)、終端和網(wǎng)絡(luò)通過(guò)自組織及協(xié)同機(jī)制，主動(dòng)向用戶呈現(xiàn)始終最佳的業(yè)務(wù)。得益于微電子、計(jì)算機(jī)與通信的大力發(fā)展，終端呈現(xiàn)出智能化與泛在化的趨勢(shì)。UST[5]通過(guò)聚合機(jī)制將分散隔離的終端協(xié)同成一個(gè)虛擬終端提供統(tǒng)一服務(wù)，形成能夠提供始終最佳體驗(yàn)的終端業(yè)務(wù)環(huán)境。本文介紹了UST的基本架構(gòu)，研究基于終端業(yè)務(wù)環(huán)境的體驗(yàn)質(zhì)量量化表示以及ABE服務(wù)模型，進(jìn)而提出一種基于ABE服務(wù)模型的終端重構(gòu)聚合機(jī)制。

1UST架構(gòu)

UST是基于ABE的B3G智能終端的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，定義如下：根據(jù)用戶的偏好，能夠利用無(wú)線或有線的個(gè)人域連接技術(shù)，將具有一種或若干種終端能力的組件聚合在一起而形成的虛擬終端。

UST可以利用不同組件的不同能力，聯(lián)合提供應(yīng)用，或利用不同組件的同類功能，協(xié)同提供服務(wù)；可以感知組件能力、狀態(tài)的變化、運(yùn)行的應(yīng)用變化以及用戶狀態(tài)和所處環(huán)境的變化，并智能地進(jìn)行重構(gòu)。UST本身是動(dòng)態(tài)變化的，隨時(shí)隨地根據(jù)用戶的偏好，利用當(dāng)時(shí)可用的組件來(lái)訪問網(wǎng)絡(luò)、提供業(yè)務(wù)、實(shí)現(xiàn)ABE目標(biāo)。

UST系統(tǒng)是由若干個(gè)分布式設(shè)備聚合在一起形成的一個(gè)虛擬終端。其架構(gòu)如圖1所示，由以下部分組成：

a)框架。實(shí)施策略控制的中心，負(fù)責(zé)鑒權(quán)認(rèn)證、聚合控制、業(yè)務(wù)提供、計(jì)費(fèi)等策略的存儲(chǔ)與判決。框架中的聚合控制模塊控制UST分布式組件的聚合和分離，根據(jù)業(yè)務(wù)需求對(duì)UST的能力資源進(jìn)行評(píng)估，為業(yè)務(wù)提供最佳能力提供方案，并配置執(zhí)行環(huán)境。框架是UST實(shí)現(xiàn)基于上下文信息聚合、分離分布式終端組件的核心，為分布式終端帶來(lái)更多的靈活性和容錯(cuò)能力。

b)能力服務(wù)器（CS）。封裝了UST系統(tǒng)的各個(gè)能力特征，方便地為業(yè)務(wù)提供能力服務(wù)。一個(gè)CS 只封裝一種能力特征。在運(yùn)行應(yīng)用時(shí)，客戶端向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，服務(wù)器向客戶端提供服務(wù)。CS可以處于運(yùn)行狀態(tài)或休眠狀態(tài)。如果當(dāng)前UST系統(tǒng)內(nèi)無(wú)應(yīng)用執(zhí)行或應(yīng)用的執(zhí)行無(wú)須當(dāng)前服務(wù)器的參與，服務(wù)器處于休眠狀態(tài)，此時(shí)服務(wù)器將不接收任何客戶端發(fā)送的請(qǐng)求；否則服務(wù)器所在的組件激活此服務(wù)器，使它處于運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)服務(wù)器可以隨時(shí)接收客戶端的請(qǐng)求并給予一定的服務(wù)。

c)能力登記。負(fù)責(zé)控制組件在聚合過(guò)程中的相關(guān)流程與數(shù)據(jù)、向框架功能進(jìn)行注冊(cè)，并在組件能力發(fā)生變化時(shí)更新注冊(cè)數(shù)據(jù)。能力登記模塊向框架提供控制接口，框架可以通過(guò)這個(gè)接口調(diào)整各CS 的能力和狀態(tài)。

d)執(zhí)行環(huán)境。業(yè)務(wù)運(yùn)行的位置，對(duì)UST系統(tǒng)CS的具體調(diào)度和協(xié)同工作進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)，并為業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一的終端運(yùn)行接口。執(zhí)行環(huán)境首先是一種或若干種標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言的解釋器/解析器，如Java Byte Code、 HTML/XHTML/CLI等。執(zhí)行環(huán)境還要提供一組運(yùn)行時(shí)庫(kù)（runtime library），在業(yè)務(wù)運(yùn)行時(shí)為業(yè)務(wù)調(diào)用各服務(wù)器提供的CS。這個(gè)庫(kù)中的各個(gè)接口都應(yīng)該是通過(guò)一定注冊(cè)機(jī)制由CS注冊(cè)的接口，會(huì)隨著終端的變化而動(dòng)態(tài)變化。

以上提供了構(gòu)建UST的基本體系架構(gòu)。作為業(yè)務(wù)應(yīng)用的最終呈現(xiàn)環(huán)境，UST需要基于這一架構(gòu)有機(jī)組合，形成一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)體，即UST的聚合重構(gòu)過(guò)程。該過(guò)程對(duì)應(yīng)UST的聚合控制機(jī)制，是實(shí)現(xiàn)UST分布式能力協(xié)同特性的關(guān)鍵。

2聚合控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)

2．1聚合控制原理

UST系統(tǒng)必須指定一個(gè)具有框架和執(zhí)行環(huán)境功能模塊的基本設(shè)備組件作為主控設(shè)備，用于完成整個(gè)UST的控制以及與外部環(huán)境（應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)）的交互。主控設(shè)備啟動(dòng)后將運(yùn)行框架和執(zhí)行環(huán)境，并從框架中載入必要的數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個(gè)最基本的UST。其余設(shè)備可在主控設(shè)備框架的控制下，進(jìn)行聚合流程成為UST的組件。框架同時(shí)也將跟蹤終端業(yè)務(wù)環(huán)境上下文變化情況，在上下文發(fā)生改變時(shí)觸發(fā)組件及組件能力的更新以及重構(gòu)過(guò)程，同時(shí)保證應(yīng)用的連續(xù)性。

UST在應(yīng)用的執(zhí)行過(guò)程中對(duì)業(yè)務(wù)能力的聚合重構(gòu)控制應(yīng)該基于上下文信息。因此必須充分考慮UST環(huán)境中的用戶偏好以及多種上下文，對(duì)環(huán)境和用戶進(jìn)行智能適配。為此，1．2節(jié)引入基于ABE服務(wù)模型，以實(shí)現(xiàn)UST聚合重構(gòu)機(jī)制。

2．2ABE服務(wù)模型

UST選取一組最優(yōu)的終端組件進(jìn)行聚合以向用戶提供始終最佳的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。首先需要對(duì)用戶的體驗(yàn)質(zhì)量進(jìn)行量化建模。體驗(yàn)質(zhì)量的量化建模過(guò)程即是各分布式終端組件能力向用戶滿意度映射的過(guò)程。首先是分離組件的自身服務(wù)能力和覆蓋范圍到CS的映射；其次是CS到用戶滿意度的映射。

單一終端組件節(jié)點(diǎn)的服務(wù)能力與其自身服務(wù)能力和覆蓋范圍有關(guān)，當(dāng)框架中注冊(cè)N個(gè)終端組件時(shí)，聚合控制模塊需要對(duì)其中的m個(gè)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚合。

構(gòu)造節(jié)點(diǎn)j對(duì)應(yīng)能力服務(wù)器i的歸一化能力映射函數(shù)為fi(cji，r j）。其中：cji為第j個(gè)終端節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)能力服務(wù)器i的服務(wù)能力；r j為第j個(gè)終端節(jié)點(diǎn)到用戶的距離。

對(duì)于已經(jīng)按上下文信息選擇的m個(gè)聚合到UST的終端節(jié)點(diǎn)，即使已經(jīng)在執(zhí)行環(huán)境中啟動(dòng)的終端組件中，CS總是選擇服務(wù)能力最強(qiáng)的一個(gè)終端作為該CS的映射。因此分離終端節(jié)點(diǎn)組件j到能力服務(wù)器i的服務(wù)能力的映射gi為

這樣，對(duì)于一組無(wú)序的終端節(jié)點(diǎn)，可以按照上述模型判決出一組滿足用戶偏好的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚合控制。

2．3聚合重構(gòu)流程

基于ABE服務(wù)模型，設(shè)計(jì)統(tǒng)一業(yè)務(wù)終端的動(dòng)態(tài)重構(gòu)聚合機(jī)制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

a)應(yīng)用在UST執(zhí)行。

b)通過(guò)UST提供的業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，應(yīng)用程序發(fā)現(xiàn)UST可用的業(yè)務(wù)能力。

c)根據(jù)可用業(yè)務(wù)能力列表，應(yīng)用和框架經(jīng)過(guò)協(xié)商，確定應(yīng)用所需的業(yè)務(wù)支持能力列表，并保存在應(yīng)用和框架中負(fù)責(zé)處理該應(yīng)用的例程中。如果協(xié)商不能達(dá)到一致，即UST不能提供該應(yīng)用的基本業(yè)務(wù)支持能力，終止該應(yīng)用。

d)框架通過(guò)應(yīng)用需求及上下文信息，判斷用戶對(duì)各CS的偏好p，按ABE模型的目標(biāo)∑ni=1λi(1-|maxjfi(cji，rj)-pi|)及其約束條件，搜索出此次事件觸發(fā)下進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚合重構(gòu)的UST中分布式終端能力列表。

e)框架根據(jù)更新的分布式終端能力列表在UST中進(jìn)行CS調(diào)用，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的業(yè)務(wù)能力。

f)應(yīng)用正常運(yùn)行。

g)在應(yīng)用的運(yùn)行過(guò)程中框架繼續(xù)跟蹤UST業(yè)務(wù)環(huán)境上下文。當(dāng)用戶和周圍環(huán)境狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，如果達(dá)到需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚合重構(gòu)的條件（支持本應(yīng)用的可用能力服務(wù)器出現(xiàn)，并且使用它符合用戶的偏好；正在使用的能力服務(wù)器不可用，有可替換者或者撤銷該能力服務(wù)器的使用等），回到步驟c)，重新進(jìn)行聚合控制。

在動(dòng)態(tài)配置的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)頻繁切換而導(dǎo)致的判決開銷成為UST性能的瓶頸，因此引入快速判決算法提高聚合控制的效率，該算法在2.4節(jié)中介紹。

2．4快速判決算法

對(duì)于框架中注冊(cè)可用的N個(gè)分布式終端組件，遍歷算法需要進(jìn)行2N次搜索。實(shí)時(shí)地利用基于上下文信息的ABE服務(wù)模型進(jìn)行判決是一個(gè)冗雜過(guò)程，可能面臨組合爆炸，導(dǎo)致頻繁切換的開銷成為UST性能的瓶頸。因此引入一種啟發(fā)式的快速搜索算法，以提高UST聚合控制模塊進(jìn)行判決的速度。為了兼顧搜索速率和可靠性，在搜索策略中引入附加參數(shù)T，用來(lái)改變從搜索空間的一個(gè)點(diǎn)移到另一個(gè)點(diǎn)的概率。通過(guò)參數(shù)T的變化來(lái)控制解空間迭代，以逐步向最優(yōu)解靠近。

定義注冊(cè)在框架中的終端組件都有兩種狀態(tài)，即被選做聚合控制和未被選做聚合控制，用變量Statek表示：

3性能分析

基于ABE服務(wù)模型和快速判決算法進(jìn)行性能仿真，首先構(gòu)造歸一化能力映射函數(shù)fi(cji，rj)。由于終端節(jié)點(diǎn)對(duì)用戶所表現(xiàn)出的能力映射與節(jié)點(diǎn)距離用戶的距離有關(guān)，一種參考映射關(guān)系如下：

用戶分別取不同的M進(jìn)行1 000次仿真。從圖2可見，終端設(shè)備選取越多，越能符合用戶的偏好，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)更多設(shè)備的開銷。因此聚合控制是一個(gè)兼顧設(shè)備開銷和用戶滿意度的過(guò)程。



圖3說(shuō)明了算法的復(fù)雜度，為1 000次仿真的平均結(jié)果。可見快速判決算法可以在保證近似最優(yōu)的前提下，有效降低頻繁判決所帶來(lái)的開銷。由于ABE目標(biāo)本身必須參考高效的因素，可以認(rèn)為采用該算法的聚合控制機(jī)制得到的系統(tǒng)配置是滿足ABE要求的。

為對(duì)比UST與傳統(tǒng)終端的性能，本文支持的項(xiàng)目搭建了測(cè)試床進(jìn)行驗(yàn)證。評(píng)估結(jié)果顯示UST各KPI（關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)）的MOS[6]值大于傳統(tǒng)單一終端。對(duì)于體驗(yàn)質(zhì)量的評(píng)估測(cè)試，目前這個(gè)擴(kuò)展MOS的主觀判決方法還需要在未來(lái)尋求更客觀的評(píng)估方式來(lái)替換。

4結(jié)束語(yǔ)

本文介紹基于ABE服務(wù)模式的B3G系統(tǒng)分布式終端UST的基本架構(gòu)。對(duì)體驗(yàn)質(zhì)量進(jìn)行量化建模，建立ABE服務(wù)模型作為UST聚合控制機(jī)制的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。進(jìn)而提出統(tǒng)一業(yè)務(wù)終端根據(jù)上下文信息聚合、分立分布式組建的聚合重構(gòu)機(jī)制。為提高UST整體的聚合性能，提出聚合控制的快速判決算法。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文