（计算机应用技术专业论文）多速率实时VBR业务系统的呼叫接纳控制策略研究.pdf

多速率实时v b r 业务系统的呼叫接纳拧制策略研究 摘要 宽带综合业务网( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ，i s d n ) 实际上是个多 速率业务的系统，它旨在为用户提供多样性的服务，传输语音、视频、电子邮件 ( e m a i l ) 以及计算机文件等各种形式的信息，使得通信网络的通信信息量飞速 增加。另一方面，由于网络资源的有限性，压缩编码技术得到了广泛应用，从而 导致网上传输的实时信息流绝大多数是可变比特率( v a r i a b l eb i tr a t e ，v b r ) 业务。 各种v b r 业务有着不同的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 要求。当多个媒体 流统计复用进入系统时，必须判断系统能否保证它们各自的q o s 要求，或在保证 各自的q o s 约束条件下，最多能允许多少个媒体流进入信道，所以，呼叫接入控 制( c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ，c a c ) 必不可少。基于多速率v b r 业务系统的呼叫 接纳控制已经成为一个重要的研究课题。 本文首先介绍了多速率v b r 系统和c a c 的一些基本概念，对典型的资源共 享管理和c a c 策略进行了研究和分析，指出了完全共享、部分共享和混合共享 三种策略的优缺点及呼叫损失概率的计算方法，并针对峰值法中的控制参数只能 取整数，推广到多速率v b r 业务系统中来会掩盖了各类业务的平均信息速率这 一重要的统计特性，考虑到难以与网络带宽分配手段结果以获得良好性能。为解 决这个问题，将实时v b r 流用o n o f f 模型进行简化，提出一种以在线的各类 v b r 业务连接的平均带宽需求和预期的分组丢失率门限为依据的c a c 策略。该 策略只需一个可动态调整的控制参数容量缩放因子，并根据容量缩放因子与物理 容量之积、各类业务的在线连接数和呼叫请求的类型决定是否接纳一个呼叫。在 此基础上，给出了呼叫损失概率、分组丢失率的计算方法及容量缩放因子的求解 方法，并与峰值法性能进行了比较。 计算结果表明，以平均带宽为尺度的c a c 策略，确定控制参数所需的计算 量少于峰值法，总体性能更好，并因为考虑了v b r 信源平均信息速率可为任意 实数这一事实，从而可以获得更高的容许分组丢失率，提高了带宽需求大的业务 的呼叫被接纳的概率，因而提高了系统的吞吐量。实现了改进目标，是行之有效 的，具有研究和实用价值。 关键词：多速率；可变比特率；呼叫接纳控制；服务质量 h 硕i j 学f 连论文 a b s t r a c t b i s d ni sa c t u a l l yam u l t i - r a t eo p e r a t i o ns y s t e m ，w h i c ha i m st op r o v i d eu s e r s w i t hm u l t i f a r i o u ss e r v i c e s ，s u c ha sv o i c e ，v i d e o ，e - m a i lt r a n s f e r s ，a sw e l la sc o m p u t e r f i l e sa n do t h e rf o r m so fi n f o r m a t i o n ，m a k i n gt h ea m o u n to fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s i n f o r m a t i o nr a p i d l yg r o w i n g o nt h eo t h e rh a n d ，b e c a u s eo ft h el i m i t e dn e t w o r k r e s o u r c e ，c o m p r e s s i o nc o d i n gt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e d ，i n d u c i n gt h em a j o r i t yo f o n 1 i n et r a n s m i s s i o no fr e a l t i m ei n f o r m a t i o nf l o wi sv b r ( v a r i a b l eb i tr a t e ) s e r v i c e v a r i o u sv b rs e r v i c eh a v ed i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n t s w h e nan u m b e ro fs t a t i s t i c a l m u l t i p l e x i n gm e d i as t r e a m sg o e si n t ot h es y s t e m ，i ti si m p o r t a n tt od e t e r m i n ew h e t h e r t h es y s t e mc a ne n s u r et h e i rr e s p e c t i v er e q u i r e m e n t so fq o s ，o ru n d e rt h e i rq o s c o n s t r a i n t sc o n d i t i o n s ，t h em a x i m u mn u m b e ro fm e d i as t e a m sw i l lb ep e r m i t t e di n t o t h ec h a n n e l t h e r e f o r e ，c a c ( c a l la d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) i se s s e n t i a l c a l la d m i s s i o n c o n t r o ls y s t e mb a s e do nm u l t i r a t ev b rs e r v i c eh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c h s u b je c t t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e ds o m eb a s i cc o n c e p t so fm u l t i - r a t ev b rs y s t e ma n d c a c ，a n da n a l y z e dt h et y p i c a lr e s o u r c em a n a g e m e n ta n dc a l l a d m i s s i o nc o n t r o l s t r a t e g y w ep o i n t e d o u tt h em e t h o do fc a l c u l a t i n gt h ec a l ll o s sp r o b a b i l i t yo f c o m p l e t e ds h a r i n g ，p a r ts h a r i n g ，a n dm i x e ds h a r i n g ，a sw e l la st h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sb a s e do nv a r i o u ss t r a t e g i e s a sa ni m p o r t a n ts t a t i s t i c a lp r o p e r t i e s ，t h e c o n t r o lp a r a m e t e ri np e a km e t h o dc a no n l yb ei n t e g e r ，w h i c hw o u l d c o v e rt h ea v e r a g e r a t eo fv a r i o u ss e r v i c ei n f o r m a t i o nw h e nu s e di nm u l t i r a t ev b r s e r v i c es y s t e m ，i ti s d i f f i c u l tt oa l l o c a t em e a n sa n dr e s u l t st on e t w o r kb a n d w i d t hf o rab e t t e rp e r f o r m a n c e t of i xt h i sp r o b l e m ，w es i m p l i f i e dt h er e a l t i m ev b rs t r e a mw i t ho n - o f fm o d e l ，a n d p u tf o r w a r dac a l l a d m i s s i o nc o n t r o ls t r a t e g yt h a tb a s e do nt h ea v e r a g eb a n d w i d t h n e e d so fo n 1 i n ev a r i o u sv b rs e r v i c ea n de x p e c t a t i o n so ft h ep a c k e tl o s sr a t e t h e s t r a t e g yj u s tn e e d sad y n a m i ca d j u s t m e n to ft h ec o n t r o lp a r a m e t e r s - c a p a c i t ys c a l i n g f a c t o r ，a n do t h e rf a c t o r st od e c i d ew h e t h e rt oa c c e p tac a l l ，s u c ha st h ep r o d u c to f s c a l i n gf a c t o r ，c a p a c i t ya n dp h y s i c a lc a p a c i t y ，a n da l lt y p e so fs e r v i c ec o n n e c t i o n s o n l i n ea n dt h et y p eo fc a l lr e q u e s t t h e nf o l l o w i n gt h em e t h o do fc a l c u l a t i n gt h e p r o b a b i l i t yo fc a l ll o s sa n dp a c k e tl o s sr a t e ，a sw e l la st h es o l u t i o no fc a p a c i t ys c a l i n g f a c t o r ，i ta l s oc o m p a r ew i t ht h ep e r f o r m a n c eo fp e a km e t h o da tt h es a m et i m e t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti nc a c s t r a t e g yw i t ha v e r a g eb a n d w i d t hm e a s u r e ，t h e n i 多速卒实时v b r 、i k 务系统的呼叫接纳拎制策略研究 c o m p u t a t i o n a le f f o r t sr e q u i r e dt od e t e r m i n et h ec o n t r o lp a r a m e t e r sw a sl e s st h a np e a k m e t h o d ，l e a d i n gt oab e t t e ro v e r a l lp e r f o r m a n c e ，b e c a u s eo ft h ef a c tt h a tt h ea v e r a g e i n f o r m a t i o nr a t eo fv b rs o u r c ec o u l db ea n yr e a ln u m b e r ，w h i c ha l l o w i n gah i g h e r r a t eo fp a c k e tl o s s ，t h ep r o b a b i l i t yo fc a l l a c c e p t e df o rb i gb a n d w i d t hd e m a n d e d s e r v i c e i n c r e a s e d ，s od i dt h et h r o u g h p u to ft h es y s t e m t h es t r a t e g ya c h i e v e dt h e g o a lo fi m p r o v i n g ，w i t hv a l u e si nr e s e a r c h i n ga n da p p l y i n g k e yw o r d s ：m u l t i r a t e ；v a r i a b l eb i tr a t e ；c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ；q u a l i t yo fs e r v i c e i v 硕i j 学化论丈 插图索引 图3 1 呼叫接纳控制流程示意图1 9 图3 2 呼叫拉纳控制策略的分类2 l 图3 3 两状态m a r k o v 链状态转移图2 3 图3 4o n o f f 排队模型2 4 图3 5o n o f f 业务源模型2 4 图4 1 含两种v b r 业务的带宽完全共享系统的状态聚合图2 9 图4 2 分组丢失概率随容量缩放因子的变化规律3 2 图4 。3 呼损率随容量缩放因子的变化规律3 2 图4 4c a c 策略计算的层次调用图3 2 图4 5 计算容量缩放因子的流程图3 2 多速：# 实时v b r 业务系统的呼叫接纳摔制策略研究 附表索引 表2 1 典型的共享策略性能比较1 4 表4 1 呼损率的数值计算结果3 l 表4 2 容量缩放因子的求解及与峰值法的性能比较3 4 v i i i 湖南大学 学位论文原创性l 声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：飙年月2 二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“”) f ：t 期：乙加占年7 月- l 同 f 1 期：如口艿年r 月2 ，z ，f ：t 记f y 丝 硕f j 学化论文 第1 章绪论 1 1 研究课题的来源 本课题得到湖南省自然科学基金( 编号：0 6 j j 2 0 0 3 0 ) 的资助。 1 2 研究的背景及意义 近几年来，计算机网络飞速发展，从1 9 4 6 年世界上第一台计算机( e n i a c ) 问 世，1 9 5 4 年随着一种叫做收发器( t r a n s c e i v e r ) 的终端研制成功，第一代计算机网 络产生。第一代计算机网络，是以单个主机为中心的星形网络结构，是面向终端 的，各终端通过通信线路共享主机的硬件和软件资源。1 9 6 9 年，第二代计算机网 络产生，第二代计算机网络强调了网络的整体性，用户不仅可以共享主机资源， 而且还可以共享其他用户的软、硬件资源。2 0 世纪8 0 年代，第三代计算机网络 产生，它可以实现不同厂家生产的异种机( 机器硬件和操作系统均不同) 之间的互 连互通。1 9 8 4 年，国际标准化组织成立了一个专门机构，提出了一个各种计算机 能够在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型 o s i r m ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n r e f e r e n c em o d e l ，o s i r m ) ，简称为o s i 。 进入2 0 世纪9 0 年代，微电子技术、大规模集成电路技术、光通信技术以及建立 在计算机和网络技术基础上的计算机网络技术得到迅猛的发展，而网络应用正迅 速朝着智能化、高速化、综合化、实时化和多媒体化的方向不断发展。 综合化是指采用交换的数据传送方式将多种业务综合到一个网络中完成。例 如，人们一直在用一种与计算机网络很不相同的电话网传送语音信息。但是，现在 已经可以将多种业务，如语音、数据、图像等信息以二进制代码的数字形式综合 到一个网络中来传送。这样的网络就叫综合业务数据网( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a l n e t w o r k ，i s d n ) 。宽带综合业务网旨在为用户提供多样性的服务，它传输各种 形式的信息：语音、视频、电子邮件( e m a i l ) 以及计算机文件，使得通信网络 的通信信息量飞速增加。其中话音、视频等业务是最常见的实时业务。它们的信 息速率有较大的差别，在a t m 网络中，就将这些业务分为五类： 恒定比特率( c o n s t a n tb i tr a t e ，c b r ) 、实时可变比特率( r e a lt i m ev a r i a b l e b i tr a t e ，r t v b r ) 、非实时可变比特率( n o tr e a lt i m ev a r i a b l eb i tr a t e ，n r t - v b r ) 、 不指明比特率( u n s p e c i f i e db i t er a t e ，u b r ) 和可利用比特率( a v a i l a b l eb i tr a t e ， a b r ) 。另一方面，由于网络资源的有限性，压缩编码技术得到了广泛应用，从 而导致网上传输的实时信息流绝大多数是v b r 业务。综合看来，实际的网络是 彩速j # 实时v b r 业务系统的呼 l q 接纳摔m 4 策略研究 一个多速率业务的系统。 网络不断的发展，从提供单信道的话音信道分配演变为多媒体的多信道分配， 从面向电路的交换方式演变为面向分组的交换方式，从恒比特速率( c b r ) 业务接 入演变为变比特速率( v b r ) 业务接入等，而为用户提供各种实时业务服务是宽带 综合业务网的主要功能之一。由于网络资源特别是带宽资源的紧缺，采用面向连 接的网络通信方式和分组交换技术是保证实时业务q o s 的必要手段。分组交换网 络中的统计复用技术使多个信息速率可变并容忍一定分组丢失率的通信者通过共 享系统带宽从而降低链路成本，在最大限度地提高固定网资源利用率的静提下， 不至于由于负荷过重，出现性能恶化、服务崩溃的现象。因此资源管理和用户q o s 的保证是现代计算机通信网中的重要课题， 呼叫接纳控制( c a c ) 是资源管理的主要分支，是决定用户q o s 的一个重 要环节。它实质上是一种预防性的流量控制方案，对于保证业务量负荷过载和系 统的稳定性非常重要。多速率v b r 系统能够支持多种业务，并且能够对业务的 q o s 提供保证的一种更加高速和安全的系统，但因为多速率v b r 系统各业务的 传输速率和q o s 不同，使得它的呼叫接纳控制( c a c ) 变得复杂。作为链路层最 重要的技术之一，呼叫接纳控制( c a c ) 要能够支持不同业务的q o s 要求和对功 率分配的容量进行最有效的利用，并依据一定的准则决定呼叫请求接入的允许或 拒绝。呼叫接纳控制( c a c ) 策略直接影响网络的性能和资源利用率。所以一种 好的呼叫接纳控制( c a c ) 策略能带来统计复用增益，提高链路利用路，对其性 能的研究非常重要。也是近年来相关研究领域的热门课题之一。 1 3 研究的现状 当今通信网络已步入宽带化和综合化时代，这就要求能够提供相应的机制以 便提高资源利用率的同时确保不同业务类型的q o s 。呼叫接纳控制( c a c ) 则是 其中非常重要的一种机制。呼叫接纳控制( c a c ) 最初在a t m 网络中提出【2 j ，a t m 论坛和i t u t 定义为：对于一个已知呼叫连接请求按照其服务质量( q o s ) 要求， 并根据整个网络资源是否满足现己连接业务的质量决定是否接纳一个新连接。它 是网络保护自己免受过载负荷的第一道防线。 呼叫接纳控制( c a c ) 在网络中具有十分重要的作用，主要体现为： ( 1 ) c a c 是网络流量管理的重要手段之一。网络流量管理的主要作用有两 点，第一点是防止网络和用户发生拥塞以便获得预期的网络性能指标；第二点是 提高网络资源的利用率。c a c 是网络流量管理的重要手段，表现为：c a c 只有 在网络资源充足的条件下才会接受一个新的连接建立请求，并不影响现在连接， 因此c a c 在预防网络和用户发生拥塞方面起着十分重要的作用；一个高效的c a c 机制能够在满足网络性能指标的前提下尽可能多地接受连接建立请求，从而提高 2 硕i j 学化论史 网络资源的利用率。 ( 2 ) c a c 是网络提供q o s 确保最重要的一种机制。网络一个十分重要的特 征就是能提供q o s 服务保证，c a c 能够支持不同业务的q o s 要求和对功率分配 的容量进行最有效的利用，如果一个新的连接的q o s 要求无法被网络满足或者该 连接会影响已建立连接的q o s ，则c a c 将拒绝该连接的建立请求。 目前，a t m 和i t u t 均只对c a c 进行了功能上的简单定义，而未对其行为、 机制进行描述和规范。如何在网络中建立高效和实用的c a c 机制，是近年来国 内外学者广泛研究的热点【3 1 。 恒定比特率( c b r ) 业务是a t m 网络中普遍存在的一种业务，其业务特性 由其峰值速率进行描述。峰值带宽分配法即非统计带宽分配法，假设一个信源的 平均带宽是2 0 m b i t s ，峰值带宽是4 5 m b i t s ，则峰值带宽分配法需要在出端口上 为这个信源保留4 5 m b i t s 的带宽，而不管信源是否真的以4 5 m b i t s 的速率不问断 地传送信元1 4 。这种方法实现起来比较简单，但通过排队性能分析可以发现【5 。】， 由于c b r 业务具有严格的q o s 要求，导致有时必须为其分配更多的带宽以确保 其q o s ，即输出链路的资源利用率比较低。 人们对多速率系统c a c 策略及其性能已有不少研究，如文献 8 1 3 】。这些策 略大体可分为资源完全共享和部分共享两类。文献【h 】分析了完全共享队列的研 究，在j o s e p h 提出的一维递推算法上，给出一种基于巨型综合业务的呼叫阻塞概 率的快速算法。文献【l5 】对宽带实时v b r 业务与尽力而为业务复用系统进行了研 究，并导出了实时业务丢包率等几个主要性能指标的计算公式，得出了实时v b r 业务丢包率随呼叫级负荷增加并非单调增加的新结论。文献【16 】给出了一种基于综 合业务系统中切换呼叫损失概率的计算方法。这些都为迸一步呼叫接纳控制( c a c ) 研究铺垫了基础。文献【l 7 】是较早考虑业务系统呼叫接纳控制( c a c ) 策略的代表性 工作之一，对含一种v b r 业务进行了研究。文献【l8 】从多维m a r k o v 链的全局平衡 条件出发，研究了支持多种可变比特率业务系统且采取资源预留的系统中呼叫级 和分组级性能指标的精确计算问题。文献【l9 j 提出一种基于共享缓存，支持可变比 特率业务的接入网系统模型，并建立了一种联合连接层与分组层的c a c 策略， 该策略考虑有缓存的情况，对实时和延迟系统都适用，能有效降低呼损率和丢包 率，满足不同业务的q o s 的需要，对基于单速率v b r 的c a c 研究取得了一定的 进展。文献【2 0 】通过改变可变系数d 动态调整系统为切换请求用户预留容量提出了 c d m a 系统中基于剩余容量的呼叫接纳控制算法。通过计算，反映出此算法降低 了切换请求用户掉线概率，且充分利用系统资源，大大提高了系统总体性能。文 献i j 介绍了几种不同的c d m a 多速率方案的支持基本原理，并对其性能进行了 分析和比较。文献【2 2 】提出了一种适合于多媒体码分多址系统的呼叫接纳控制策 略。文献【23 】结合可移动边界算法和保护信道策略，提出了一种有效的多业务呼叫 3 多速二簪实时v b r 、f k 务系统的l l 乎 l 【 接纳挣制策略纠究 接入控制算法，提高了系统的性能。文献【2 4 】通过对小区内外的干扰情况和 o n o f f 信源特性的研究提出一种以小区掉线概率作为准则的呼叫接纳判决算 法。文献【25 】提出了基于多协议标记交换( m p l s ) 传送机制的区分服务( d i f f s e r v ) 网 络中引入带宽代理( b b ) 资源管理实体条件背景下的呼叫接纳控制模型和算法，并 设计了算法实现流程，并通过仿真实验表明，此方法能确保各类业务所需的q o s ， 又能有效地提高网络资源利用率。 1 4 本文的研究工作及章节安排 本文研究多速率v b r 系统的呼叫接纳控制( c a c ) 策略。在阐述多速率v b r 系统性能的同时，介绍了典型的资源共享管理和呼叫接纳控s t ( c a c ) 策略，指出 了完全共享、部分共享和混合共享三种典型策略的优缺点和主要性能参数的计算 方法，并针对峰值法中的控制参数只能取整数，推广到多速率v b r 业务系统中 来会掩盖了各类业务的平均信息速率这一重要的统计特性，考虑到难以与网络带 宽分配手段结果以获得良好性能。 为解决这个问题，将实时v b r 流用o n o f f 模型进行简化，提出一种以在 线的各类v b r 业务连接的平均带宽需求和预期的分组丢失率门限为依据的呼叫 接纳控s t ( c a c ) 策略。并给出了呼叫损失概率、分组丢失率的计算方法及容量缩 放因子的求解方法，同时将提出的新c a c 策略与峰值法c a c 策略进行比较，得 出以平均带宽为尺度的c a c 策略总体性能更好，确定控制参数所需的计算量少 于峰值法，并因为考虑了v b r 信源平均信息速率可为任意实数这一事实，从而 可以获得更高的容许分组丢失率，提高了带宽需求大的业务的呼叫被接纳的概率 和系统的吞吐量这一重要结论。 本文大体结构如下： 第一章介绍了多速率v b r 业务系统呼叫接纳控s r j ( c a c ) 研究的意义和现状， 给出了论文的主要研究内容以及结构安排。 第二章介绍了多速率v b r 业务系统的概念，详细的比较了v b r 与c b r 业 务的性能，并介绍了各自的应用领域，重点阐述了多速率v b r 业务系统的典型 资源共享策略，对其性能进行分析，并罗列出研究c a c 策略时关心的主要指标。 指出呼损率是一个最重要的指标，但对于分组交换系统，还有分组丢失率等指标 关系到用户能否接受提供的网络服务质量问题( q o s ) 。给出了在完全共享、部 分共享和混合共享三种情况下的呼叫损失率等主要指标的计算方法。 第三章介绍了呼叫接纳控$ 1 j ( c a c ) 策略的基本概念、分类和工作过程等，阐 述了影响呼叫接纳控制的因素，并对常见的v b r 业务的c a c 研究进行了详细介 绍，指出各种c a c 策略的优缺点，重点介绍了峰值法，并将其简化为o n o f f 模型进行分析。然后，将o n o f f 模型扩展应用于多种v b r 业务流并存情况， 4 硕l 学位论文 建立复用系统模型，研究系统平均剩余容量、丢包率等性能参数，得出它们的定 量解析式，为后节的工作打下理论基础。最后，针对于峰值法的不足，提出了一 种以平均带宽为尺度的呼叫接纳控制策略。 第四章是本文的创新点。首先介绍了以平均带宽为尺度的呼叫接纳控制策略 的基本思想，通过理论分析与仿真计算，给出呼损率、分组丢失率计算方法及容 量缩放因子的求解方法，最后，与峰值法相比较，通过仿真，得出以平均带宽为 尺度的c a c 策略确定控制参数所需的计算量少于峰值法，总体性能更好的结论， 证实了以平均带宽为尺度c a c 策略的可行性。 最后是对本文的总结及对今后工作的展望。 5 多速率实时v b r 业务系统1 1 勺呼 l q 接纳拧制策略研究 第2 章多速率v b r 系统的资源共享管理与性能分析 2 1 多速率系统的概述 2 1 1 多速率系统的概念 宽带综合业务网旨在为用户提供多样性的服务，其中话音、视频等实时业务 是最常见的实时业务。它们的信息速率有较大的差别，因而实际的网络是一个多 速率业务的系统。另一方面，由于网络资源的有限性，通过多路复用使许多用户 共享通信线路是现代远距离通信的基础，因此压缩编码技术得到了广泛应用，从 而导致网上传输的实时信息流绝大多数是v b r 业务。综合看来，网络中的实时 业务的主体构成一个多速率v b r 业务系统。 多速率也可以称为复合速率，是相对于单速率而言的一个概念，单速率可以理 解成为一次连接只提供一种速率，那么多速率就是一次连接可以提供多种速率， 一般有单速率c b r 、单速率v b r 、多速率c b r 、多速率v b r 流之分。多速率 v b r 流可以抽象为水管放水的过程：a 、b 两处有许多水管连接，水可以以不同 的、变化的速率从a 处流往b 处，即各类信源以可变的速率从a 处到b 处。 2 1 2 多速率系统的特点 ( 1 ) 资源利用率和传输速率高。宽带综合业务网传送形式十分丰富，特别是 视频等多媒体的传送，使得通讯网络的通信信息量飞速增加。因为使用到统计复 用技术和采用多速率v b r 传输，资源利用率极高，让每个用户享有很高的上网速 度，现在一般提供百兆到大楼，十兆到桌面的高速接入。这样，能够有效的解决 网络瓶颈的产生，防止网络拥塞，使图像、声音、数据传送的清晰度和连贯性得 到了高质量的保证，无论是通过电子邮件收发大型文件还是下载图像或软件均可 在瞬间完成。 ( 2 ) 支撑各种多媒体业务。使得视频点播、视频电话、远程教育、网上娱乐 等深层次应用成为现实，极大地丰富了互联网的应用。各种多媒体业务可通过统 计复用网络资源来保证各自的服务质量( q o s ) 。可以轻松实现高速上网、视频点 播等功能。 ( 3 ) 资费相对便宜。一方面因为高速的连接而节约了大量上网等待时间，大 大降低了上网的费用。另一方面，宽带接入技术都不通过传统的电话交换网络， 不存在占用电话线的问题，无需缴纳电话费，进一步减少了用户的上网费用。 6 硕l 学位论文 2 2v b r 业务的性能分析 2 2 1v b r 的概述 a t m 网络是一种能够同时传输多种不同类型通信业务的网络，在网络内部处 理每一种业务流量的方式，依赖于该业务流的特性和应用需求。a t m 论坛将这些 业务分为血类：恒定比特率( c o n s t a n tb i tr a t e ，c b r ) 、实时可变比特率( r e a l t i m ev a r i a b l eb i tr a t e r t v b r ) 、非实时可变比特率( n o tr e a lt i m ev a r i a b l eb i t r a t e ，n r t v b r ) 、不指明比特率( u n s p e c i f i e db i t er a t e ，u b r ) 和可利用比特率 ( a v a i l a b l eb i tr a t e ，a b r ) 。五类宽带承载业务可以从两个方面来区分。从业 务特性上区分，它们描述业务本身的流量特性，又称为源流量参数，如峰值信元速 率、最小信元速率、可维持信元速率、最大突发长度；但另一些业务特性参数并 不表示业务本身的流量，而是体现业务对时间特性的要求，如业务所能允许的信 元抖动容限等。从业务的a t m 层服务质量上区分，包括峰峰信元时延抖动、最 大信元传送时延、严重出错的信元块比例、信元错误率、信元丢失率、信元误插 入率等。 v b r 并不是一种新的编码方式或编码算法，它是一个与c b r 相对应的概念。 是可变速率( v a r i a b l eb i tr a t e ) 的缩写，它不使用固定的平均速率压缩数据，每个数 据的平均码率是可变的，它可以根据数据的内容改变。这种服务的比特率能够根据 网络状况变化，当网络完全没有拥塞的时候，在整个永久虚拟电路上可以达到预 先设置的最大值，当然，这是不能保证在特定的时间段，平均数据吞吐量可以在 a t m 接入设备和交换机之间进行协商，短时间内可以保证的最大比特率也可以协 商。它主要有实时和非实时两类。 实时可变比特率( r t v b r ) ：主要用来描述具有可变数据流，属于实时业务，对 时延和抖动都有严格的要求，常被用于对时延敏感的应用。与c b r 的不同之处在 于r t v b r 不要求恒定带宽，其传输速率在整个过程中也是变化的，该类业务适用 于具有较大突发特性的信源，比如压缩图像的传输。r t v b r 业务的特点是面向连 接，比特率可变，通信端点之间存在定时关系，信源发送信元具有突发性，通信 端点占用的带宽随不同时间内终端信息发送速率的变化而变化，它被认为是在 a t m 网络上发送语言、视频和其它对延时和抖动敏感的通信的最有效的方法。 非实时可变比特率( n r t v b r ) ：主要用于定时发送的通信场合，属于非实时业 务。使用此类服务，需要指明的参数在端系统的有：峰值信元速率，持续信元速率 和最大突发大小速率。n r t v b r 业务的传输速率在整个过程中也是变化的，它能 够用于要求严格时问响应的数据传输，如银行业务、过程监测和电子邮件等。 n r t v b r 业务的特点是面向连接，比特率可变，通信端点之间不存在定时关系。 通信端点占用的带宽随不同时间内终端信息发送速率的变化而变化，a t m 网络对 7 多速二簪实时v b rq k 务系统的呼叫接纳柠制策略研究 通信终端给予持续信元速率保证并提供低的c l r ，同时要求通信终端以不大于的 速率发送信息。主要应用于要求低信元丢失率的对时延和时延变化要求不严格的 数据传送。 恒定比特率( c b r ) 是固定码率的缩写，主要用来模仿铜线或者光导纤维，是 一种实时业务，它没有差错校验，没有流量控制，也没有其余的处理，并要求在 整个连接持续期间具有稳定的恒定带宽，对传输时延有严格的要求。c b r 在当前 的电话系统和将来的b i s d n 系统中作了一个比较圆滑的过渡，常用于实时通信， 如交互语音等。例如在图像中，它可以保持每个图像组( g o p ) 都有相同的平均码 率。其视频编码算法一般对图像组内的l 帧、p 帧和b 帧已有确定的“码率预分配 方案”，因此虽然在每个图像组中的每帧的码率不同，但对于每一个图像组而言它们 的码率是相同的。 不指明比特率( u b r ) ：它使用c b r 和v b r 业务未使用的剩余带宽，是一种“尽 最大努力”( b e s te f f o r t ) 的服务，网络对u b r 信源不做任何承诺，也不向其提供任 何拥塞信息。该业务适用于能够容忍可变时延和一定的数据丢失的应用。 可用比特率( a b r ) ：a b r 也是使用c b r 和v b r 业务未使用的剩余带宽， 它是a t m 论坛最后提出的一种业务类型，针对u b r 无任何保障的的缺点用以改 善突发信源的业务质量的。但是a b r 的应用需要指明峰值信源速率和最小信源 速率m c r 。网络向a b r 信源提供m c r 的带宽保障，在有剩余未用资源时就由 a b r 信源来共享，但不超过。另外a b r 有一种完整的流量控制机制，网络向a b r 信源发送显式反馈以控制信源发送速率。 2 2 2v b r 与c b r 业务的比较 恒定比特率( c b r ) 业务实际上可看成信源以概率l 均速发送信元的一种特 殊的可变比特率( v b r ) 业务。其特点是面向连接，有固定比特率，通信端点之 间存在定时关系。在整个连接过程中通信终端可以在任意时刻、时段内以等于或 小于的信元速率进行传输，可变比特率( v b r ) 类似于恒定比特率( c b r ) ，也是 一种预留带宽的服务。在呼叫建立时，网络向终端站点分配资源以响应终端站点 所要求的参数。但与恒定比特率( c b r ) 有所不同，在可变比特率( v b r ) 中， 除了峰值速率以外，还需要建立可维持速率和最大的突发业务量，应该来说，比 较起c b r 业务，v b r 业务更接近实际情况。 2 2 3v b r 业务的特性 v b r 对信元时延的限制较为严格，适用于对时间不太敏感的突发性数据应用， 用于支持诸如具有静音检测的语音业务和压缩编码的视频图像业务等实时性要求 高的业务。r t v b r 被用于有一个在样品之问的固定时间关系的连接。n r t v b r 被用于在样品之间没有固定时间关系的连接。 颀i j 学位论文 ( 1 ) 话音业务。在宽带综合业务网中，人们最熟悉和最容易定义的一种业务 可能就是话音业务。一直以来，话音业务是主流，话音业务的特点是移动数据应 用以小流量、低速业务为主，它速率比较低，一般为6 4 k b i t s ，若采用语音压缩技 术可能达1 6 k b i t s 以下，短信业务正是其典型代表。另一方面，话音业务对时延、 丢包率和呼叫建立时间等因素的特殊要求非常严格。当回音与自己发出的声音间 的时延超过2 5 m s 时，人耳就能区分出来，而根据日本n e c 的试验，当时延大于 1 8 m s 时就应加回波抑制，也就是说对于6 4 k b i t s 的话音，无回波抵消器时最大传 输距离允许2 4 2 5 k m ，更长距离的通话就不得不加回波抑制了。由于速率低，对 于6 4 k b i t s 速率的话音，组装一个5 3 字节的信元要5 8 7 5 m s ，所以说一个a t m 信元组装需要较长的时间。对更低速率的话音，问题就更为严重。为了解决这个 问题，唯一方法就是设法减小组装信元的时延，这种方法有个优点，就是不用加 回波抑制器，减少成本。方法主要有两种：一是话音数据未装满一个信元就发送， 这时减小时延的代价是浪费了带宽；二是将多路话音复用在一个a a l l ( a t m a d a p t a t i o nl a y e rt y p e1 ，a t m 适配层类型1 ) 之上，这样对于单路话音来说组装 信元的时延就小了，代价是控制复杂，因为必须有额外的信息用于收端重新从信 元中恢复各路话音。 目前还在研究的另一个问题是利用语音的静音消除技术提高网络效率，它的 出发点和以往的话音插空技术的是一样的。在话音通信时，只有4 0 的时间真正 是有话音的，其余6 0 的时间是语默期，如果合理利用静音消除技术，同样带宽 的通路上就可以接入2 5 倍的用户。 因此，虽然以往将话音业务视为恒定速率电路交换业务的一个典型代表，但 它实际上是一种v b r 业务。这是目前通信的主要业务形式。a t m 网必须很好地 支持电路交换业务，a t mf o r u m 专门为此制定了电路仿真建议，目前已有设备实 现了电路仿真。 ( 2 ) 视频业务。在宽带综合业务网中，因为传输语音、视频、电子邮件等各 种形式的信息，使通信信息量飞速增加。其中，视频图像用户和业务量将占统治 地位。由于压缩编码技术的引入，视频传输速率大大下降，同时因每帧图像的信 息冗余不同，恒定图像质量的视频业务具有很高的突发度。如果以峰值恒定速率 传送v b r 视频，将造成网络资源的极大浪费，同时用户也将承受较高的费用。 a t m 网络能够很经济地支持具有突发性的可变比特率业务，然而，人们对于v b r 视频特性的了解远远不如对话音和数据通信特性的熟悉。 v b r 广泛的应用在图像技术中，v b r 编码方式的一个主要目的是保持解码 后的图像的主观质量基本恒定。它采用一种叫做“图像质量”的参数来决定图像压 缩后的码率，图像质量共分为3 2 个等级，等级越高，它压缩后的图像就会越清晰。 这种技术优点是能大大的提高了传输和存储媒体的资源的利用率。并能显著的减 9 多速；# 实时v b r 业务系统的呼f i 接纳拧制策略研究 少“填充比特”，如果就主观图像质量来说，它可以明显的消除在固定码率压缩中出 现的高速运动和色彩鲜艳的图像中的锯齿。综合业务网内容千变万化( 有时活动， 有时静止；有时边缘纹理较多，有时则平坦区较多等) ，解码后重建的主观质