移动流媒体QoS中分组丢失率仿真分析

移动流媒体QoS中分组丢失率仿真分
析
摘要文章首先从用户角度出发论述了流媒体的QoS组成，然后介绍了对QoS 影响较大的分组丢失率进行介绍，最后基于NS网络仿真，重点关注分组大小、分组速率与分组丢失率间的关系，并结合实际QoS管理策略得出结论。

关键词流媒体；移动网络；QoS；网络模拟
1 引言
移动流媒体业务是指把连续的影像和声音信息经过压缩处理后放到网络服务器上，以流的形式进行数字媒体的传送，使移动终端可以边下载边播放，从而使人们可在线欣赏到连续不断的多媒体节目。

面向现在更好的网络性能和稳定性，服务提供商的终极目标是在IP网络上去传递一个端到端的、有保障的QoS给用户数据流。

而影响移动流媒体QoS的因素会很多，分组丢失率是比较重要的因素之一，会直接影响服务的质量和网络的传输。

2 流媒体QoS组成
从最终用户角度来看，流媒体QoS由如下因素组成：a媒体质量(media quality)。

媒体质量是衡量流媒体服务的重要指标，对于视频或音频数据，可用峰值信噪比PSNR(Peek Signal Noise Ratio)等进行衡量。

b启动延迟(startup latency)。

启动延迟是指终端用户发出请求到接受服务之间的延迟。

c抖动(jitter)。

抖动是流媒体服务中特有的QoS问题。

流媒体的时间相关性很强，帧间的时间限制必须严格遵循，否则用户将明显感觉到视频不连贯。

d用户交互也是流媒体的一个特性，VoD系统有必要为用户提供VCR操作支持。

终端系统负责接收流媒体并完成解码操作。

终端系统影响流媒体QoS的主要因素是系统资源。

目前，若采用典型PC作为终端，则CPU、内存和硬盘几乎不会成为影响流媒体QoS的因素。

但随着无线网络的发展，无线终端往往缺乏大容量内存，从而限制了很多典型流媒体算法(如客户端缓存算法等)的应用，继而影响流媒体的QoS。

3 分组丢失率的分析
网络系统负责流媒体的传输，在网络系统中影响流媒体QoS的因素很多，典型的有带宽(bandwidth)、Internet分组丢失率(packet loss rate)、无线网络误码差错(error)、网络异构性(heterogeneity)以及网络延迟(delay)等。

分组丢失率(packet loss rate)是Internet的一个特性，亦是实时流传输中比较关心的问题，其计算公式为：
LostRate = L ostPacket / TotalPacket×100%
由于Internet的尽力(best effort)特性，当网络繁忙时，路由器不能处理到达队列中的所有数据而丢弃新到达的数据，从而造成分组丢失。

分组丢失会引起流媒体的媒体质量下降，甚至在严重情况下导致终端无法解码播放流媒体，表现在客户端为乱码、马赛克等，是影响流媒体QoS的一个重要因素。

在现有的Internet的条件下，降低分组丢失率策略是采用可靠的网络传输协议，如TCP协议。

然而，由于TCP协议的网络负载大，延时也大，并不适于流媒体。

因此，可改造TCP协议，使之适应流媒体需求，如TCP-Friendly系列协议，也可将TCP差错重传(retransmission)等ARQ策略引入专为流媒体设计的传输协议中。

丢包率的模拟旨在分析分组大小、流速率与丢包率之间的关系，同时发现在时间分布上存在一定的特点。

4 分组丢失率的模拟及其结论
在NS2(Network Simulation2)平台环境中，对移动流媒体系统进行了模拟。

在建立移动流媒体模型时，进行了如下改进：①只关注业务流的产生、传输和接收，将复杂的网络构架和网络协议进行了功能抽象和集合，使用简单的UDP代理(Agent)和数据流发生器(Traffic Generator)代替复杂的RTP/RTCP协议。

②将业务QoS管理集中到后期数据分析上，使模拟过程化繁为简，减小运算所占资源。

基于这个仿真模型，对恒定分组流和恒定流速率分别进行了一系列模拟，模拟得出的不同分组流的丢包率变化。

图1为其中的一次模拟结果，其模拟条件为在恒定流速率200kb/s的情况下，取样时间(粒度)为0.5s，分组大小分别为50kB、100kB、150kB。

从分组丢失率的一系列模拟中，可以做出如下结论：
（1）在流传输的过程中，存在某个区间比较适合特定分组流的传输。

（2）当分组大小数值与单位时间内所传输的数据流大小的差距较大时，丢包率对分组大小的变化或者流速率的变化不敏感。

图 1 速率200kb/s下各流的分组丢失率
参考文献
[1] 3GPP TS 23.107 v5.13.0-2004，Quality of Service (QoS) Concept and Architecture
[2] 3GPP TS 23.207 v6.4.0-2004，End-to-end Quality of Service (QoS) Concept and Architecture
[3] 中国移动通信企业标－2004，流媒体业务总体技术要求
[4] 钟玉琢，向哲，沈洪．流媒体和视频服务器[M]．北京：清华大学出版社，2003
[5] 徐雷鸣，庞傅，赵耀．NS与网络模拟．北京：人民邮电出版社，2003。