设计特定无线环境下基于QoE的通信技术研究

AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofBachelorofEngineeringQoE-basedwirelessSupervisor:ProfessorTaoJiangHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ofJune,摘要成为了一种新的主流理念。随着无线设备的普及，无线业务所占据的网络流量越来越巨大，而网络资源则越来越紧缺，如何提升用户的体验质量变得越来越重要，然而无线环境的复杂性、用户的随机移动性、的开放性使得管理体验质本文详细介绍了体验质量、无线信道和流传输的特点、机理和内在联系，将注意力放在过程的延时和卡顿花屏上，考虑上缓冲区上溢和下溢的概率及其对用户体验质量的影响，并运用扩展吉尔伯特模型对无线的传输进行了仿真，得出缓冲区大小与延时在一定卡顿花屏概率下的关系，为提升用户的关键字：无线，体验质量，，传Qualityofservice(QoS)can’tlushowpeoplefeelabouttheservicetheyget.However,qualityofexperience(QoE)describeshowtomeasurepeople’ssubjectivefeeling.Tooptimizethenetworkenvironmentatthesacrificeofcomputerabilityhas eanewideathatpredominates.Aswirelessdevicemanufacturingindustryprosper,wirelessservicetakesupabigpercentageintheflourishingnetworkflow.However,availablenetworkresourceshaveshrunk.HowtoimproveQoEis ingmoreandmoreimportant.However,thecomplexityofthewirelessenvironment,therandommovabilityofusersaswellastheopennessofwirelesstransmissionmakeitatoughtasktomanageQoE.Inthispaper,weexplicitlyintroducethecharacteristicsandmechanismofQoE,wirelesschannelandtransmission.Wealsoexintheirinherentrelationshipandfinallyfocusondelayandjittereventin youtduration.PossibilityofunderflowandoverflowinthedecoderbufferistakenintoconsiderationforabetterQoE.TheextendedGilbertmodelisappliedinthispapertosimulatethewirelesschannelfortransmissionandtherelationshipbetweenbufferanddelaywithacertainprobabilityisobtained,whichisanewwayofthinking.Index 摘要第一章绪论 一 的研究背景及来源 二 的意义及研究内容 三、国内外研究现状 四、本文的结构 第二章体验质量 一、体验质量的概念 二、体验质量的衡量指 三、体验质量与 第三章无线信道 一、无线信道特 的开放性 接收环境的复杂性· 用户的随机移动 马尔可夫模 吉尔伯特模 三、无线环境下的体验质量 第四 流传输 一、传输相关曲线分析 二、接收技术 缓冲 延时 三、无线相关要求 第五章仿真与分析 一、场景介绍 二、特征曲线 三、概率模型分析及仿真 .概率模型分析 2.概率模型仿真 第六章总结与展望 一、总结 二、展望 致谢 第一章绪论一 这些便携式设备产生，而流的传输又占据了其中巨大的比例。但是另外一方二 无线使人们的生活变得更加方便快捷，智能的普及使得很大一部分的用户能够在硬件设备上享受无线服务，无线用户热衷于参与性好、互动性强、有其中传输占据了无线网络流量的很大一部分，业务本身又极易与用户本身频传输技术，是十分具有现实意义的。的研究内容是利用设备强大的计算能力和能力来改善现有的无线网络环境，减轻网络负载，增大网络的吞吐量，最终对服务质量的要求也越来越高，基于 的方式等，例如文献“ACross-LayerDesignforPerceptualOptimizationOfH.264/SVCwithUnequalErrorProtection”[23]和“ChannelCodingOptimizationBasedonSliceVisibilityforTransmissionofCompressed overOFDMChannels”[24]中提及的不等错误保护，给不同的片来分配不同的优先级从而获取不同层级的资源感知，所以是需要建立在已有的一些体验质量模型基础上的，但是就研究现状而言，的体验质量不能完全使用服务质量的一些指标来直接进行衡量，因此需要提出评估标准以及建立体验质量的模型。如文献“Agenerictativerelationshipbetweenqualityofexperienceandqualityofservice”[25]和“TheQoEEvaluationMethodthroughtheQoS-QoECorrelationModel”[26]中就提出了某种体验质量和服务质量的关到比较好的近曲线。也有利用其它指标对体验质量进行建模的，如文献“ManagingQualityofExperienceforWirelessVOIPUsingNoncooperativeGames”[27]就提出了将用户对为了继续接听而做出的努力作为衡量的标准，文献“Aqualityofexperiencehandoverarchitectureforheterogeneouswirelessmultimedia较常用的平均意见值MOS以及质量监测VQM。尽管建模的方式多种多样，但是相对以上更加精细。比如文献“Onmanagingqualityofexperienceofmultiple终整体优化每次资源分配完成后用户利用缓存可以的时间。而文献“EffectofDelayandBufferingonJitter-StreamingOverRandomVBRChannels”[11]则建立某个在有一定初始缓存时间和一定大小的缓存的情况下流畅的概率，虽第一章绪论，简单介 关注传输的研究，因此介绍了一些关于质量的衡量标准，建立起客观参数和感受之间的关联，便于日后继续相关工作的建模，文此带来的体验质量的，给出了两种常见的无线信道模型以及其优缺第四章流传输，本章是本文的重点，本章简要介绍了无线传输的过第二章体验质量前身。ITU-TRecE.800最初定义服务质量为“决定用户满意程度的服务性能的综合运营商最终目标是为终端用户提供各式各样的业务并带来方便，所以用户的需求是最重要的。然而每个用户对服务及质量的评价是根据其自身的具体感受形成的，是的。在这种情况下，可以用“体验质量”的概念来了解相应的服的无线网络环境下相关服务的要求也越来越高，与此同时，及移动设备都拥有了相比以往更加强大的计算能力和能力，这使得以计算和换取用户体验质行平均，但是由于人的性及观察者的单体差异性，对于同样的、图验质量而。一个的概念，体现的是被服务者对服务的满意程度，而满意程度也需要一个参数来体现，因此出现了MOS的概念。是让被测试者在一个安静的房间内为听到打分。表2.1为MOS与话音质量2.1话音质量与MOS54好32差吵1MOS打分方式延伸，人们可以得到针对其他对象的MOS打分方式，最后得分可以进行更改，并不局限于上述的1~50~50~100分。从测试的方法可以看出，这为苛刻，为了简化验证某种数学模型的操作，可以对这种MOS打分方式进行建模。后文采用的是一种介于0~5MOS打分方式[17]。除了MOS外，人们还提出了许多其他用于衡量质量的指标，下面给出一表2.2各质量评估指标性能弱无好无无 过程中流畅程度，毕竟等的时间过长或者不流畅都会使用户对的评价下降[21](如图2.1)，甚至有观念认为即使牺牲初始时延也要不流畅的发生。其次，无线网络发展迅速，传输流量急剧上升，为了更好的感受，产生了更高的分辨率，而随之出现的，就是文件的巨大化，相较传统的，人们更倾向于或者获取资料，毕竟耗时比的流初始延时要长得多，而且完成的文件在完毕后对于没有收藏需要的用户来说，只度的下降，不妨从管理缓冲区和构造延时策略的角度来考虑用户对的体验质第三章无线信道在理想情况下，无线电波的传输当作直射波来看，直射波可按自由空间来碍物吸收，也不会反射或者散射，但是由于辐射能量的扩散，电波的在经过一T 4dTLfs 其中：PT是发送功率，PR是接收功率。可看出自由空间中电波传输损耗只和工作频率f和距离d有关。因此无线电波的越远，其衰减越严重，通俗点来讲，离越远，信号越不好，另外，衰减还和工作频率f有关，不过对于特定的无线，其工作频段是固定的，不会有很大的变动，因此对于自由空间中的无线根据以上直射波的特性，在保证一定的前提下，用户在离较近的的用户都能对收到的信号进行，譬些频段的信号需要才能接收，还有(1)无线环境是十分复杂的，各种各样的物、反射平面存在于无线环境中的各个角落，介质也多种多样，特性各异，不可能做到如自由空间般只和单一的距离还有工作频率有关，无线电波本身的特性，导致传输的途径多样化，下绕射在实际情况下，电波的直射路径上存在各种物，在途径中遇到大的物时，电波就会绕开物向前，而绕开物会导致电波传输的反射电波过程中，如果遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面尺寸比折射定律，电波速度和大气折射率成反比，这样，不同高度的电波速度不同，电波方向发生弯曲，产生了电波的折射。其金属元素对电磁波的吸收尤为严重，甚至可能会出现信号的现象。因此根据以上介绍，电波由于周围环境的复杂性会产生出各种各样的方式，于是作为接收方的用户接收到的信号就是来自多种方式的信号之和。然而，正是由于方式的不同，到达信号的幅度和相位也会有很大的差异，于是合成以后的信号波产生随机的变化，形成总的接收场的，即多径效应，产生的称为多径。在无线环境中，电磁波经多径传输到达后，如果没有直射的信号，则莱斯。(2)干物的尺寸限制，然而无线电波的波长和频率有关，因此，实际上的无线可都可能是干扰。尤其像现在，可用频率资源越来越少，人们的关注于增加频谱产生干扰的概率上升。体现的尤为严重的就是蜂窝网的使用，因为蜂窝网的覆盖范围较广，一个的服务面积较大，而的布置也相对密集，容易在覆盖交叠部分产生干扰，即区间干扰，而与之相对的就是小区内的干扰[2]，这部分的干扰主要来自多径、延时等带来的符号间的串扰以及为了提高频谱利用率而使用多址技术所带来的来自其他用户的。容易受外界环境的干扰，而且由于、干扰、移动性等特性，无线网络的速度受音业务的服务，无论室内还是室外都可以很方便的接入网络享受网上冲浪的。由于本更加关心最后用户能够得到多少资源，并不十分在意传输衰减的问题。实际的无线信道传输过程中，会监测当前信道状态从而决定究竟采用何种设有随机过程XnnT，若对于任意的整数nT(TT0,1,

)和任意的i0,i1,in1I(I为离散的状态集合且I )，条件PXn1 X0, X1,1i PnX1n1in 则称Xn,nT为马尔可关于该过程的研究，1931年A.H.柯尔莫哥在《概率论的解析方法》一文3.1特卡洛仿真来得到比较贴近真实情况的概率。中突发丢包现象，这种模型是由吉尔伯特在1960年。事实上吉尔伯特模型型，如图3.2。p 3.2XX

状态的概率。p又可以表示为P01，其表达式为：P(X1|X0)发生丢 的次数 P(X0|X1)发生丢 的次数 1-pP00P(X0|X1)，1-qP11P(X1|X1)[11]的示意图 Pr{0|10k- 3.3图3.3中：Sk表示的是连续丢包的数目为k，这样，扩展吉尔伯特模型比普通的吉在实际的无线传输过程中，并非一直以恒定速率传输，为了更加适应当前法，监测网络环境的一些指标(如SINR)，从而根据不同情况决定当前时刻究竟第四章流传一、传输相关曲线分由于帧的像素信息在时间上和空间上都存在一定的冗余，因此流在无的“格式”，常见的编码有MPEG系列和H.26x系列。最后流在接收端接收，现在的设备在计算能力上相较以往的设备已经有了需要处理的过程，下面就在接收端可能会处理的一些曲线进行介绍，图4.1同图4.1接收 4.14.1中出现的一些符号所4.1LB曲线描述的是用户在过程中累计的数据量，因此，其斜率代表的是数据的速率，如果将纵坐标换成帧数的话，那么其斜率代表的就是的帧率，对于恒定帧率的而言，其斜率是一个常数，那么这样得到的曲线就是一条笔直的斜线。图中描述的情况是在过程中一次都没有出现卡顿或者花屏的现象，因此其曲线和本身的特性是直接重合的，并没有因为上述现象而导致某些点及以后的曲线的平移。实际中的曲线则可能并不会像图中那样完用，会发现虽然已达到一定的接收数据量，但是此数据量所对应的帧却无法解码，因此考虑到应该在接收端处设立缓存和防抖动缓存来调整接收到的数二、接收技匀速信服务UMTS匀速信服务UMTS延时、抖动补器可变比特编可变比特编图 UMTS网络传输流

用户图4.2是UMTS网络中传输全过程示意图[15]，下面大致说明流程：首先原始的在经过编之后变成了变比特率(每帧大小不同，因为有些帧只需在如图4.2，图中出现了两个缓冲区，一个去抖动缓冲区，一个缓冲区，都环，可以一定限度内保证不会出现卡顿的情况。缓冲区可以保证流畅，那么是不是可以设很大，这样就都不会出缓冲区空，没有可以的内容，自然发生卡顿，也不能太大，这样会造成缓冲区溢出，溢出的部分视为直接丢弃，像现在的实时，流动性很大，人们可能并不三、无线相关要下面给出一些现行的一些对于质量的要求[16]1）加入时间，指的是从向服务器或请求开始到器开始的延时，对于用户来说，这段时间当然是越短越好，现在流盛行的大背景下，实D2D实现近距离通信等等。缓冲次数比率，指的是缓冲的次数与全程时间的比，对于不同的缓冲策平均比特率，指的是本身的平均比特率，此项要求和本身的质量有从上面的描述也可以看出，对传输的要求几乎都是从用户的角度出发所做的考虑，这点也更加明确了传输与体验质量间的关系。本工作是在提升体验质量的基础上进行传输，为了更加明确时延与缓冲区大小和体验质量间的关系，不妨引入MOS参数[17]，并进行缓冲区大小和延时与MOS间关系的仿真，MOS的表达式如下：MOS[aaFRaIn(SBR)] 1aPERa 其中：FR指的是帧率，SBR指的是发送比特率，DP指的丢包率。根据前述，MOS 只采用了其中的一种，根据参考文献[17]，(4.1)中a1~a5分别设为4.9027，-0.10068，0.30128，2.30327，7.21067。图5.25给出的是初始延吉尔伯特模型时，缓冲区大小与MOS之间的关系曲线，期望的结果是缓冲区过小或者过大时， 3210 4.3缓冲区大小与MOS

x3210 4.4初始延时大小与MOS460000bit时，MOS的数值几乎没有变化，小于460000bit380000bit时几乎也没什么变化，这和预期5.252.5s时，MOS依然可以保持比2.5s后，MOS5.5s左右趋于平稳，这点也第五章仿真与分析下文针对文章“EffectofDelayandBufferingonJitter-StreamingOverRandomVBRChannels”[11]进行仿真与分析。条可变比特率WiFi还是其他、同时传输多个二、特征曲0 图 图图5.1是所处理的本身的特征曲线，图5.2是文中对应的特征曲线，的数目体现的，一个数据包的大小为3600bit。数据‘alphinski.txt’是来自于和通常的数据不同，txt文件中只含有某一帧的数据大小，一般的数yuv文件为例，yuv文件包含的信息有亮度、色度信息，它包据就行了。从这个角度看，处理txt文件是合乎情理的。Pr{R(tf)p(L)}min{Pr{R(t1)RB(t1)},Pr{R(0)RBPr{R(L)p(L)}(1Pr{R(tB)RB(tB

l 其中：L指的是时长；R()是接收函数，指的是接收到的数据包数目与时间之间的关系；p()是函数，指的是已的数据包数目与时间之间的关系；线上离接收曲线间隔时间最远的时间点(作差取正值最大)l，

首先考虑下溢的情况，为了方便后文叙述，给出图5.3、5.4作为示意图图5.3完成时接收完成各曲线示意0图5.4完成前未接收完成各曲线示意所谓的完成，指的是本身的特性，即已经有了全部的数据，直接进行的情况，而实际接收的情况则不同，根据信道状态的不同，接收的数据流速率也会有所不同，可能会比的速率快，可能比的速率慢，这样，研究实际的接收速率与本身的特性间的关系就很有必要，可以利用设备的强5.3Rbest(Lp(L，即以最快速率传输恰好不下溢时刚好播完的情况；图5.4Rbest(Lp(L，即以最快速率传输恰好不下溢时可提前接收完的情况。图5.3中我们定义t0inf{tR(t)Rbest(t)}前者大于后者的情况)，如果t0LR(t)Rbest(t对所有tt0皆成立，于是R(L)Rbest(L)p(L) Pr{tL,R(t)Pr{tL,R(t)Rbest tcmax{t:Rbest(t)

tp(L) ff

如果t0tf，则不会发生下溢；如果tct0tfPr{t0tf}Pr{tL,(R(t)p(t))&&(tct0tfPr{ttf,R(t)RbestPr{R(tf)p(L)} 导致缓冲区上溢从而导致丢包，用tB表示缓冲区上溢的争议点(4.1)其中：tB的表达式为tBmin{argmax{Rbest(t) 就最容易比加上缓冲区大小后的曲线在该点的值要小，即最容易发生上溢。BRbest(tB)p(tB

Bmin

R(t)

(tmin{p(t)Bt}) b mabmaPr{tL,p(t)R(t)p(t)Pr{tL,R(t)p(t)}Pr{(tL,R(t)p(t)B)&&(tL,R(t)Pr{R(tf)p(L)}Pr{tL,R(t)p(t)B} 在有一定初始延时的前提下，我们得到和初始延时 有关的点 ，其中t1min{t:bmax(t)p(t) 代表刚好发生上溢的点，很明显，如果R(t1)RB(t1)，则 的所有时刻都R(t)RB(t)，过程绝对不会发生上溢。因此我们可以得Pr{R(t1)RB(t1)}Pr{tL,R(t)p(t) Pr{R(t1)RB(t1)}Pr{tL,R(t)p(t)

Pr{R(tf)p(L)}Pr{R(t1)RB(t1)} Pr{R(tf)p(L)}Pr{R(0)RB(0)} Pr{tL,R(t)p(t)B}Pr{R(tB)RB(tB)} Pr{tL,p(t)R(t)p(t)Pr{tL,R(t)p(t)}Pr{(tL,R(t)p(t))&&(tL,R(t)p(t)Pr{tL,R(t)p(t)}(1Pr{tL,R(t)p(t)B|tL,R(t)p(t+B})Pr{R(L)p(L)}(1-Pr{R(tB)RB(tB)}) 根据前面的介绍，人们更倾向于可以经过少量的延时来，这样，人们可以不用耗费的时间去而且可以达到比较好的效果。然而，无线固定时间点的曲线间概率关系有关，这样，过程量成了瞬时量，极大简化了分 0 Startup图 图1 01

lowerboundsimulation Startup图 图 lowerbound lowerbound 0 Startup图 图 lower lowerbound 0 Startup图 图图5.5~图5.12是关于初始延时与流畅发生概率的关系曲线，其中：图5.5、5.7、5.9、5.11是本人根据(5.1)和(5.2)仿真得到的，5.6、5.8、5.10、5.123600kbit和无穷的四种情况，将对应的图作比较，这样看起来更加直观。将二者对1 0

x图 图1 lower lowerboundsimulation 0

x图 图 lower lowerboundsimulation 0

x图 图 lower lowerboundsimulationupperbound 0

x图 图图5.13~图5.20是关于缓存大小与流畅发生概率之间的关系曲线，其8s、10s2000次循环产生马尔可夫链作为输入得1时，用户才能得到一个大小为3600bit的数据包。将这几幅图作比较，会发现所做的仿真图和1 lowerboundlowerboundupperbound0

x图 图4BufferBufferSize3

x Startup图 图5.23是仿真的图，图5.24是文中的原图，在仿真过程中可以得到许多的确定在某种约束下的最优点是怎样的，如图中的(1)B缓冲区大小间的关系，如图5.25。

x54bufferbuffer210 packet第六章总结与展望随着智能、pad等移动终端的普及，人们对移动终端上的服务要求越来越无线传输的流程，包括以下几个方面：基于体验质量的无线传输有许多待改进的地方，尽管模型的建立在一些特定的场景下适用，但是将其运用在实际的传输中仍然有许多问题需要解决，许需要大量切合实际的数据进行相关的拟合实验，的许多其他特性也可以利用作求到接受服务时间等提升用户体验质量的措施，结合D2D等新型无线网络通信手段加快用户速度，节省网络资源，建立合理的数学模型，提出更优秀的传输机致谢潜力。有时会听到学长们讨论自己的课题，虽然有些和研究的方向并不相 期——李红蕾，凌捷，徐少强.关于图象质量评价指标PSNR的注记.工 期——王安义，郭伟.TD-SCDMA系统小区内干扰分析.辽宁工程技术大学学报:自然科学版，2008，27(5):734-737.书籍——李建东，郭梯云，邬国扬.移动通信.西安电子科技大学书籍——刘次华.随机过程.华技大学.——杨艳.基于多特征类型的无线质量用户体验(QoE)方法研究.——张月莹.基于QoE的无线资源管理算法研究.邮电大学, 期——WangZ，BovikAC，SheikhHR，etal.Imagequalityassessment:fromerrorvisibilitytostructuralsimilarity.ImageProcessing，IEEETransactionson，2004，13(4):600-612.期——SongC，QuZ，BlummN，etal.Limitsofpredictabilityinhumanmobility[J].Science，2010，327(5968):1018-1021. 期——WangY.Surveyofobjectivequalitymeasurements.EMCCorporationHopkinton，MA，2006，1748:39. 期——KhanA，SunL，JammehE，etal.Qualityofexperience-drivenadaptationschemeforapplicationsoverwirelessnetworks.Communications,IET，2010，4(11):1337-1347.期——LiangG.Effectofdelayandbufferingonjitter- streamingoverrandomVBRchannels.Multimedia，IEEETransactionson，2008，10(6):1128-1141. 会议——UrgaonkarR，NeelyMJDelay-limitedcooperativecommunicationwithreliabilityconstraintsinwirelessnetworks，2009，IEEE.IEEE，2009: 会议——ShenY，LiuY，QiaoN，etal.QoE-basedevaluationmodelonstreamingservicequality， Workshops(GCWkshps)，2012IEEE.IEEE，2012:1314-1318.——KlaueJ，RathkeB，WoliszA.Evalvid–Aframeworkfortransmissionandqualityevaluation，ComputerPerformanceEvaluation.ModellingTechniquesandTools.SpringerBerlinHeidelberg，2003:255-272.技术文档——3GPPTR26.937V8.0.0(2008- 会议——DobrianF，SekarV，AwanA，etal.Understandingtheimpactofqualityonuserengagement.ACM MComputerCommunicationReview，2011，41(4):362-373. 期——JiangT，WangH，VasilakosAV.QoE-drivenchannelallocationschemesformultimediatransmissionofpriority-basedsecondaryusersovercognitiveradionetworks.SelectedAreasinCommunications，IEEEJournalon，2012，30(7): 期——StockhammerT，JenkacH，KuhnG.Streamingovervariablebit-ratewirelesschannelsMultimedia，IEEETransactionson，2004，6(2268- 会议——GolrezaeiN，MolischAF，DimakisAGBase-stationassisteddevice-to-devicecommunicationsforhigh-throughputwirelessnetworks.Communications(ICC)，2012IEEEInternationalConferenceon.IEEE，2012: 会议——DuttaP，SeetharamA，AryaV,etal.Onmanagingqualityofexperienceofmultiplestreamsinwirelessnetworks. ，2012ProceedingsIEEE.IEEE，2012:1242-1250. 会议——HossfeldT，EggerS，SchatzR，etalInitialdelayvsinterruptions:betweenthedevilandthedeepbluesea.QualityofMultimediaExperience(QoMEX)，2012InternationalWorkshopon.IEEE，2012:1-6. 期——F.Fi