針對VBR業務的多址接入技術

藺玉柱，彭 偉，王 程

(安徽師范大學物理與電子信息學院，安徽蕪湖241000)

0 引言

隨著光纖通信技術的迅速發展，基于數字無線技術的新一代寬帶無線本地通信系統在未來將得到廣泛應用［1］。該系統將可以提供固定比特率(CBR)和可變比特率(VBR)2種服務，可用來支持一系列的語音、視頻、數據和其他應用。相對于有線傳媒，在無線介質中實現這些功能是更加困難的［2］。為了克服這個困難，提出了一個模型，能夠保證與有線系統具有相似的服務質量。

對于MAC方案，一個物理信道存在多個邏輯信道，當多個移動臺同時使用這條物理信道進行信息傳輸時，會發生沖突。提出的新MAC方案能夠根據用戶的實時需求，最大程度避免沖突，給用戶提供一個連續的無線通信系統。

一個無線小區的多路轉換器包括多個無線終端(WTS)和一個基站(BS)［3］，如果每一個無線終端都存在一個中央控制單元，它能夠對采用MAC協議給無線終端分配時隙的數據包調度程序［4］加以控制，那么就可以保證用戶的服務質量。該數據包調度程序是在Anirban Roy等人的研究基礎上對算法改進的［5］。

1 VBR視頻模型

目前已有的實時應用，比如聲音信息和視頻信息等，大多數都可以被建模成一個比特率可變(VBR)的服務系統。本文以VBR視頻通信為例進行研究說明。由于來自編碼器隨時間變化的比特率是一個隨機過程，當對這種隨機改變的比特率加以限制后，這個隨機過程就變成可控的了。希望能找到這樣一個控制比特流的描述方法，要求它既能被通信網絡接納，又不會在執行時過多地影響服務質量［6］。現在具體描述下面這種VBR視頻模型。

編解碼器有2種工作狀態:一個是尖峰期，這個是和每一幀圖像變化相對應的;另一個是平穩期，它代表了一幀圖像傳輸期間編解碼器的行為［7］。在一個給定的平穩期，編解碼器的行為因信息序列的不同而略有不同;2個不同平穩期的比特率可能有顯著的變化。

VBR視頻信源的建模目前廣泛使用的一種方法是利用馬爾可夫調制過程來調制的信息。如圖1所示［5］，對于視頻信息，用馬爾可夫鏈 K{N1，N2，…，NK}來調制到來的信息。圖1中每一個狀態Ni代表一個幀的信息在傳輸時的編解碼器狀態，而狀態P代表了幀與幀改變時的編解碼器狀態。

圖1 VBR視頻源模型

這個模型的比特流服從馬爾可夫鏈模型，編解碼器的比特率僅僅由幾個電平和一個與幾何分布占有時間相關的高峰電平值組成。因此采用上面這個模型來開發、模擬上述的協議。

2 多址接入方案

目前成熟的MAC協議［4］集中了數據包調度所需要的管理、控制功能，它們在基站中作為一個整體運行。上行傳輸和下行傳輸使用不同頻率的物理信道，但卻是在同一時隙內進行傳輸。在時分復用方式下，這種時隙被分為可用時隙和預留時隙2類。可用時隙通常用來傳輸動態參數和接入請求，而預留時隙用來發送視頻數據(以數據包的形式)。為了協調上行傳輸中的多址接入問題，基站負責產生輪詢指令來管理這個時隙［8］，從而避免沖突。輪詢指令包括WAT標識、循環冗余校驗碼(CRC)和一個序列指令(SC)位，無線終端在進行信息傳輸時，相應的SC位交替設為0和1。如果基站在指定的時隙內沒有接收到視頻數據，那么基站將給相應的無線終端發送一個特定序列，使無線終端重新發送數據，直至該數據包被成功接收。基站還決定一個可用時隙是在隨機接入模式下使用，還是在輪詢的模式下使用。如果是輪詢模式下的一個可用時隙，那么相應無線終端會在這一時隙內發送動態參數和其他相關指令。由于在這些時隙內沒有發送真正的大容量視頻數據包，所以它們的信道負荷要求就小很多。這樣，可以把在每個小時隙內傳輸的指令、參數等視為一個小型數據包，進而再將可用時隙劃分為n個微時隙，在每個微時隙內傳輸一個小型數據包。利用這種方式，相當于信道容量被擴大了n倍［5］。

對于下行傳輸，只有在相關指令完成從基站到無線終端的傳輸后，數據包的傳輸才可以進行。這些指令和數據包都被加以地址，以區別不同的無線終端。數據包的首部包含了一個目的無線終端的號碼和一個CRC碼。在接收到正確的數據包后，無線終端將在下一個時隙向基站發送一個確認信息。而在預留時隙中按輪詢方式傳輸的數據包首部則包括了終端標識符和一個CRC碼。

3 調度算法和數據包調度的需求

調度算法的一切操作行為都以連接建立時基站產生的服務參數為基礎，同時也取決于最近一次基站接收到的動態參數。具體的服務參數(靜態參數)如下:

①視頻源平均速率改變的概率Pi;② 在一個時隙內最大可允許的數據包延時Li;③連接的優先權Si。

動態參數如下:

①在無線終端i(WTi)的傳輸緩沖中線端數據包的剩余使用時間Ci;

②無線終端i(WTi)的數據包重復發送的次數ri;

③數據包的發送間隔時間或者是當前比特率ti。

調度算法在運行過程中會使用一個移位寄存器，稱為預留寄存器，這個寄存器的大小為L+1，L為上文提到的數據包最大延時，如圖2所示［5］。

圖2 移位寄存器

移位寄存器中的每個位置可以是空的，也可以被一個標識符填充，這個標識符表示在一個連接成功建立后，預留時隙中正等待被輪詢的某個無線終端。當某個無線終端與基站的連接建立好時，這個無線終端的標識符存放在移位寄存器的當前最高位。

在一些具體應用場合中，視頻源的比特率或者處于峰值或者是平穩值，而比特率的改變必然發生在數據包的發送間隔時間內。對于基站來說，數據包調度算法利用數據包發送的時間間隔來安排移位寄存器的相應位置，如果調度程序以之前的比特率保持預留時隙時長，而信源的數據包又以新的比特率進行傳輸，那么傳輸將發生錯誤。因此視頻數據包在發送時最好攜帶當前的動態參數。

4 可用時隙的輪詢問題

基站從上次動態參數傳輸到本次動態參數傳輸所經歷的時隙數記為ki，并利用這個計數值ki來估計無線終端信源改變的概率。若在連接建立時，無線終端規定的視頻源比特率改變概率為Pi，那么由基站估算出的概率為:

式中，Xi是一個動態變量，表示上次動態參數傳輸完畢后到現在所經過的時隙個數。

如果某個無線傳輸被輪詢方式識別了，并且動態參數也同時傳輸了，那么這次的傳輸過程就是成功的。相反，在傳輸數據包時，動態參數沒有被更新，也就是說基站認為比特率沒有發生改變，那么這次傳輸將會失敗。下面將對輪詢方式信道的容量進行估算，令x=［n*0.37］，M代表任意時刻有效的無線終端信源個數，規定m的取值范圍為x到M，S為輪詢方式下一個可用時隙內平均微型時隙的個數，則:

這樣，通過估算 Sm，得到了 {Sx，Sx+1，……，SM}，Pm(x)表達式如下:

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

因此，輪詢模式微型時隙的期望值如下:

E［E［S/m］］=E［S］=P(已經改變速率的信源 x)*Sx+

P(已經改變速率的信源x+1)*Sx+1+……+

P(已經改變速率的信源M)*SM。

為了成功發送無線終端的動態參數，其相應的ki值要設為0。

5 協議算法

協議的主要功能由2個程序模塊來完成，一個是預定程序模塊，一個是信號處理程序模塊。預定程序部分負責給無線終端分配時隙，而信號處理程序負責管理可用時隙內所要執行的操作。

5．1 預定程序

(1)任何新的時隙請求都被基站放在移位寄存器中，并從高位開始存放，如果這個位置已經有了某個標志符，那么就將這個指令放在該位置的右邊一位，以此類推。

(2)在每個時隙里:

①如果移位寄存器的位置0有某個標識符，那么基站將向該標識符對應的無線終端發送預留時隙，供其傳輸數據;

②如果連續2個預留時隙間的時隙數大于了閾值，那么在這2個預留時隙之間將發出一個可用時隙;

③如果上面2個條件都不滿足，那么基站的調度算法將從左到右搜索移位寄存器的每一個位置，直到發現一個非空的位置，然后發送一個預留時隙;

④如果沒有無線終端申請預留時隙，即移位寄存器是空的，那么就給無線終端發送可用時隙;

⑤如果某個預留時隙在之前已經被指定分配給某個無線終端使用，那么移位寄存器將清除代表該預留時隙使用請求的標識符，更新移位寄存器ci=ci+ti，如果ci＜ti，則將在移位寄存器中重新尋找合適的位置，來調度下一個來自無線終端數據包的傳輸。

⑥一個標識符如果暫時存儲在RR［0］，當移位寄存器RR向右移動一個位置時，RR［0］的信息將會丟棄，而重新分配原本的請求。

⑦ 隨著計數值ci的減小，當ci=li時，無線終端就將產生一個新的數據包，基站中的算法仍然要為傳輸這個新數據包預留一個時隙。

5．2 信號處理程序

(1)增加計數器值ki;

(2)如果當前的時隙是一個可用時隙:

①使用計數器值ki和靜態參數pi，計算出下一個時隙比特率發生改變的的概率;

②根據上文描述的調度算法，計算出輪詢方式下的輸出量E［S］;

③如果輪詢的通量E［S］大于隨機接入模式的通量，將采用輪詢模式，并在可用時隙的每個微型時隙內發送某無線終端標識符和其他指令;

④如果輪詢的通量E［S］小于隨機接入模式的通量，可用時隙就利用隨機接入模式傳輸動態參數，這種傳輸將使用時隙ALOHA協議;

⑤在每個可用時隙完成傳輸任務時，不管是輪詢方式還是隨機接入方式，基站都將給出傳輸結果的評估，并更新無線終端的動態參數，同時將計算器值ki全部歸零。

6 仿真與結果

在SUN Sparc工作站上，利用了時間驅動技術［9，10］，已經對上面的協議進行了仿真。這里研究的系統參數是單一鏈路信道，每個時隙能傳輸640 bit，占用時間0.05 ms，它包括了全部協議和一個512 bit的數據包，可用時隙被分為3個微時隙。服務質量參數最大延時可以達到40 ms，其接收損失率只有千分之一。仿真中假設傳輸是無誤碼的集中傳輸，而且不考慮移動性問題，測量的主要參數是:①數據包的平均延時:即到達發送器和接收器的延時;②數據包損失概率:即超過允許延時的數據包比例。

比特率改變的概率曲線如圖3和圖4所示。可以看出，平均信息損失率為8*10－3和2*10－3。這2種情況下的平均延時約4.5 ms和12.5 ms，遠小于最大允許延時。與VBR視頻應用傳統的固定帶寬傳輸方法相比，該方法能保證更多用戶的服務質量，如果考慮一定質量的衰減，那么這種方法能獲得更大的復用效益(約20個無線終端)。當然大多數VBR視頻應用是容許發生隨機損失的，只要這些損失不會過多地影響傳輸質量，所以本文的這一方法是合理的。

圖3 數據包平均損失率(20個終端)

圖4 平均允許延時

7 結束語

為無線鏈路中的瞬時帶寬需求提供了一個合理的解決辦法，能提高通信質量。關于現實中的VBR視頻源的研究還有很多要做，因為還要進一步估計輪詢方式成功的概率。此外，還需對更高效的隨機算法進行分析(例如分離算法)，從而消除隨機接入模式下信道中不穩定的因數。

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