移動(dòng)環(huán)境下支持QoS的挑戰及對策淺析

摘要　移動(dòng)環(huán)境中的服務(wù)質(zhì)量保障是一個(gè)復雜的急需解決的問(wèn)題。文章首先介紹了QoS的基本概念，然后闡述了在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中提供QoS的現狀和面臨的挑戰，詳細說(shuō)明了移動(dòng)環(huán)境中提供QoS保障的相關(guān)技術(shù)和策略并給出了結論。

關(guān)鍵詞　服務(wù)質(zhì)量　資源管理　移動(dòng)IP　Ad Hoe網(wǎng)絡(luò )　情景意識

　　隨著(zhù)便攜式移動(dòng)設備的進(jìn)一步普及、功能的大幅度增強以及成本的迅速降低，人們已經(jīng)不再滿(mǎn)足于通過(guò)移動(dòng)設備實(shí)現簡(jiǎn)單的數據和話(huà)音通信。用戶(hù)希望通過(guò)具有移動(dòng)意識能力的應用來(lái)提供與位置相關(guān)的服務(wù)，包括旅館、飯店、天氣等信息。一些特殊的用戶(hù)(如現場(chǎng)工程技術(shù)人員)需要一種獲得綜合數據、聲音和三維圖像的有效途徑，即需要提供一種交互式的多媒體應用。但是在移動(dòng)環(huán)境下，通信信道質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化、移動(dòng)用戶(hù)位置的不確定性、便攜式終端有限的電池能量和受限的I/O設備都給多媒體業(yè)務(wù)的提供帶來(lái)了諸多困難。盡管當前在固定網(wǎng)絡(luò )上提供QoS保障以及移動(dòng)通信本身都取得了很大進(jìn)展，但在移動(dòng)環(huán)境中支持QoS的研究才剛剛起步。

1、QoS的定義和分類(lèi)

　　QoS定義了一個(gè)系統的非功能化特征，通常指用戶(hù)對通信系統提供的服務(wù)的滿(mǎn)意程度。在計算機網(wǎng)絡(luò )中，QoS的目標是獲得更加確定的通信行為，以便能更加安全可靠地保護網(wǎng)絡(luò )承載的信息，并更加高效地使用網(wǎng)絡(luò )資源。QoS是指網(wǎng)絡(luò )為用戶(hù)提供的一組可以測量的預定義的服務(wù)參數，包括時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、帶寬和分組丟失率等，也可以看成是用戶(hù)和網(wǎng)絡(luò )達成的需要雙方遵守的協(xié)定。QoS論壇將QoS定義為網(wǎng)絡(luò )元素(包括應用、主機或路由器等網(wǎng)絡(luò )設備)對網(wǎng)絡(luò )數據的傳輸承諾的服務(wù)保證級別。RFC2386將QoS看作為網(wǎng)絡(luò )在從源節點(diǎn)到目的節點(diǎn)傳輸分組流時(shí)需要滿(mǎn)足的一系列服務(wù)要求。不同的應用有不同的QoS要求。網(wǎng)絡(luò )提供特定QoS的能力依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò )自身及其采用的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的特性。對于傳輸鏈路而言，包括鏈路時(shí)延、吞吐量、丟失率和出錯率；對于網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)而言，包括處理速率和內存空間等；此外，運行在網(wǎng)絡(luò )各層的各種QoS控制算法會(huì )影響網(wǎng)絡(luò )的QoS支持能力。

　　在多媒體系統中QoS通常指圖像的質(zhì)量或數據傳輸的時(shí)間，具體包括吞吐量、時(shí)延和分組丟失率等指標。QoS特征可分為基于技術(shù)的QoS特征和基于用戶(hù)(應用)的QoS特征，如表1和表2所示。

表1　基于技術(shù)的QoS特征

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表2　基于用戶(hù)(應用)的QoS特征

2、移動(dòng)環(huán)境中支持QoS的現狀和挑戰

2.1　移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )上提供QoS保障的現狀

　　隨著(zhù)移動(dòng)通信的不斷發(fā)展和多媒體業(yè)務(wù)的日益普及，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )上提供QoS保障的研究逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn)。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )可分為有基礎設施支持的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )(如蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò ))和不依賴(lài)基礎設施的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )(如Ad Hoe網(wǎng)絡(luò ))。有基礎設施支持的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )通過(guò)基礎設施(如基站和中心節點(diǎn))進(jìn)行集中控制和管理，其面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)是如何實(shí)現基礎設施之間的平滑切換和移動(dòng)主機的無(wú)縫通信問(wèn)題，對此已經(jīng)進(jìn)行了大量有意義的研究，并提出了包括小區切換機制和移動(dòng)IP在內的大量的協(xié)議和相關(guān)技術(shù)，這個(gè)問(wèn)題的研究目前正朝著(zhù)更加深入的方向發(fā)展，如3G中的QoS保障問(wèn)題。

　　對于拓撲經(jīng)常發(fā)生變化、帶寬很窄、能源和內存非常受限的Ad Hoe網(wǎng)絡(luò )而言，提供QoS支持是一個(gè)復雜而全新的課題。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )中存在大量的背景噪聲和干擾，主機可自由移動(dòng)，無(wú)線(xiàn)信道的質(zhì)量差且網(wǎng)絡(luò )帶寬有限。同時(shí)移動(dòng)主機處理能力受限，通?？侩姵毓╇?，并且容易遭受敵方的有意破壞和干擾，特別是當網(wǎng)絡(luò )規模較大時(shí)這些問(wèn)題將更加突出。因此在這種網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中提供QoS將面臨許多不同于傳統網(wǎng)絡(luò )的新問(wèn)題和挑戰。該問(wèn)題在90年代以后逐漸被提上議事日程，并已成為一個(gè)廣受關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

2.2　移動(dòng)性挑戰

　　移動(dòng)系統與固定系統的一個(gè)顯著(zhù)區別在于前者需要適應由于移動(dòng)引起的不斷變化的QoS，而難以提供硬性QoS。移動(dòng)系統可以采用多種通信技術(shù)和鏈路，因此具有不同的通信能力和成本，例如無(wú)線(xiàn)LAN的覆蓋范圍較小，而GSM的覆蓋范圍較大。無(wú)線(xiàn)系統可提供的帶寬遠低于固定有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，容易受到周?chē)h(huán)境的影響。此外，用戶(hù)的移動(dòng)會(huì )引起基站之間的切換，造成暫時(shí)的通信中斷和部分數據的丟失。一種解決方法是基于移動(dòng)預測信息在相關(guān)的小區提前預約資源，從而減少數據丟失和提高資源使用率，但這種方法不能克服無(wú)線(xiàn)環(huán)境的影響(如衰落、多徑效應等)，并且移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )存在盲區(如隧道和建筑物內)，通信的中斷仍會(huì )發(fā)生。即移動(dòng)環(huán)境中的QoS變化比有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )頻繁和劇烈，因此需要采用自適應的動(dòng)態(tài)QoS管理機制，規定一個(gè)用戶(hù)可以接受的QoS范圍，并且應用需要具有QoS意識和自適應能力，而不是將它與底層網(wǎng)絡(luò )的QoS變化相隔離，同時(shí)，網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和算法應能適應移動(dòng)設備和環(huán)境的變化。此外還需解決移動(dòng)環(huán)境下IP地址的管理問(wèn)題及移動(dòng)節點(diǎn)共享和競爭網(wǎng)絡(luò )資源等問(wèn)題。 {{分頁(yè)}}

2.3　移動(dòng)終端的影響

　　便攜式移動(dòng)設備對支持業(yè)務(wù)的QoS存在諸多限制，其設備通常由壽命有限的電池提供能量，因此需要低功耗的處理器和顯示器，并最好具有智能的關(guān)機和休眠功能。但低功耗的處理器則意味著(zhù)較低的處理功率，從而限制了處理復雜任務(wù)和計算的能力。由于移動(dòng)通信傳輸數據需要較大的功率，為降低功耗，傳輸通常以間歇式的方式進(jìn)行，而這種工作模式在某些情況下會(huì )導致接收錯誤。且移動(dòng)設備的屏幕和鍵盤(pán)較小，輸入和顯示非常受限，使得多媒體業(yè)務(wù)的開(kāi)展變的比較困難，因為多媒體業(yè)務(wù)對輸出設備和處理設備的要求較高。在移動(dòng)環(huán)境中，用戶(hù)根據環(huán)境的變化來(lái)更換使用的系統(如GSM或衛星系統)和終端，因此應用的接口將是異質(zhì)的，使得移動(dòng)用戶(hù)之間開(kāi)展某些應用比較困難。當前I/O接口技術(shù)發(fā)展迅速，例如出現了虛擬現實(shí)的便攜式設備，各種手寫(xiě)輸入和語(yǔ)音輸入技術(shù)，相對緩解了I/O限制帶來(lái)的影響，但電池和功率的限制在近期內不會(huì )有太大的改觀(guān)。

2.4　其他挑戰

　　移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的配置，采用的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )的拓撲依賴(lài)于運營(yíng)商和其提供的服務(wù)，因此需要一種簡(jiǎn)單靈活的QoS體系結構來(lái)保證與外部網(wǎng)絡(luò )的互連、互操作以及允許網(wǎng)絡(luò )經(jīng)營(yíng)商和管理部門(mén)按照用戶(hù)的要求來(lái)定制和設計網(wǎng)絡(luò )。移動(dòng)設備遠程訪(fǎng)問(wèn)對系統和應用的安全性都有很大影響，其安全問(wèn)題至今仍是一個(gè)開(kāi)放問(wèn)題，存在諸多挑戰和困難。此外，移動(dòng)通信的成本相對較高，計費的實(shí)現也更為復雜，通常按照每單位時(shí)間和每單位數據量收費，并且費率標準將根據選用的媒介種類(lèi)、鏈路速率以及服務(wù)提供商的不同而變化。

3、移動(dòng)環(huán)境中保障QoS的策略

3.1　QoS管理

　　QoS管理是指通過(guò)必要的監視和控制機制確保某些服務(wù)質(zhì)量特征得到遵守和維護，它可以作為分布式系統管理的一個(gè)特殊領(lǐng)域。QoS管理分為靜態(tài)QoS管理和動(dòng)態(tài)的QoS管理。靜態(tài)QoS管理功能與整個(gè)活動(dòng)中相對恒定的QoS要求和特征有關(guān)；動(dòng)態(tài)QoS管理將隨著(zhù)運行環(huán)境的變化而改變，以一種動(dòng)態(tài)的方式來(lái)履行協(xié)定，可以根據不同的媒體流的特性選擇不同的服務(wù)級別。移動(dòng)環(huán)境中較多采用的時(shí)動(dòng)態(tài)QoS管理機制，即將提供服務(wù)質(zhì)量保障的方法按照一定的級別進(jìn)行排序，并當可以提供的QoS低于容忍的最低門(mén)限時(shí)需要與用戶(hù)重新協(xié)商或拒絕用戶(hù)流。

3.2　自適應管理

　　QoS管理需要根據網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的變化進(jìn)行調整，即具有一定的自適應性。網(wǎng)絡(luò )系統的變化可分為三種情況：比較明顯的變化，如端系統和網(wǎng)絡(luò )連接的變化。這類(lèi)變化的頻率相對較低，經(jīng)常發(fā)生在會(huì )話(huà)之間，主要在同應用交互的過(guò)程中(如會(huì )話(huà)建立時(shí))進(jìn)行管理。二是較小的變化，如出現時(shí)延抖動(dòng)和分組丟失，可以使用傳統的緩存機制和基于分組優(yōu)先級的過(guò)濾技術(shù)加以管理。但移動(dòng)設備的移動(dòng)可能會(huì )造成會(huì )話(huà)連接經(jīng)過(guò)的路由發(fā)生改變，因此需要釋放原有連接路經(jīng)上的資源，重新建立的連接配置新的過(guò)濾器，并且管理機制的選擇和切換需要根據獲得的QoS、請求的QoS和當前的資源狀況來(lái)適應服務(wù)質(zhì)量的改變。三是精細粒度的變化，這些變化經(jīng)常是暫時(shí)的，但其影響不容忽視，并且使用傳統的管理方法往往無(wú)法奏效。例如，基站間的切換，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的影響，業(yè)務(wù)流的動(dòng)態(tài)增加和減少，可用功率和鏈路傳輸速率的變化等。這些改變必須及時(shí)通知或與應用進(jìn)行協(xié)商，使應用和QoS管理可通過(guò)協(xié)作來(lái)實(shí)施自適應的調整?？梢园堰@些變化的影響看作為暫時(shí)的系統故障，類(lèi)似于Internet中由于業(yè)務(wù)超載引起的性能降級。為了及時(shí)捕獲這些變化，可以簡(jiǎn)單的使用超時(shí)機制而不采用開(kāi)銷(xiāo)較大的輪詢(xún)協(xié)議來(lái)檢查連接是否有效。此外還可以使用概率或統計QoS的思想來(lái)容忍一定程度的短暫的性能降級，然而為了避免性能的嚴重下降需要對業(yè)務(wù)質(zhì)量的降級做出迅速反應，使用的方法包括備用路由、媒體流的自適應調整、容錯機制等。需要注意的是業(yè)務(wù)質(zhì)量的變化過(guò)于頻繁甚至比少量的數據丟失或穩定的較低質(zhì)量的業(yè)務(wù)更加使用戶(hù)難以容忍，因此需要通過(guò)合理設置質(zhì)量切換門(mén)限來(lái)控制自適應機制的調用頻率。也就是說(shuō)，需要通過(guò)合理設置用戶(hù)級的QoS參數使系統在穩定性和快速反應之間進(jìn)行合理的折衷。當環(huán)境變化較慢時(shí)，一般只會(huì )出現較少的數據丟失或時(shí)延抖動(dòng)，用戶(hù)將希望使用最大程度可以提供的QoS。對多媒體業(yè)務(wù)而言，在任何情況下都應盡量保證其基層數據的傳輸質(zhì)量，在可能的情況下支持增強層數據的QoS。此外，還需要考慮協(xié)議棧中各層次的交互以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )與其他網(wǎng)絡(luò )的互操作問(wèn)題。 {{分頁(yè)}}

3.3　資源管理和預約

　　一些學(xué)者不主張在移動(dòng)環(huán)境中采用資源預留機制，他們認為在移動(dòng)環(huán)境中，會(huì )話(huà)連接的可用帶寬的經(jīng)常變化將使資源預約沒(méi)有價(jià)值。但是應該認識到，當資源匱乏時(shí)，采用適當的資源分配和允許控制機制盡管不能提供確定性的質(zhì)量保障；但對于區分業(yè)務(wù)等級和支持一定程度的QoS是非常必要和合理的。例如，我們可以通過(guò)允許控制機制來(lái)保障某些業(yè)務(wù)的具有最低級別的QoS，而對其他業(yè)務(wù)按照盡力而為方式對待；在蜂窩網(wǎng)絡(luò )中，還可以通過(guò)提前預約的方法來(lái)確保資源的可用性和提高切換的平滑性。此外，基于用戶(hù)、應用和系統的特征將自適應性劃分為多個(gè)層次，因為自適應的改變通常由用戶(hù)或系統發(fā)起，并由應用和系統執行。

3.4　情景意識(Context Aware)能力

　　資源管理與情景意識能力緊密相關(guān)，因為識別可用的資源對于異質(zhì)系統中的資源管理非常重要。情景是指“代理周?chē)恼麄€(gè)環(huán)境以及代理內部的狀態(tài)”，也可以將它定義為影響用戶(hù)行為的環(huán)境要素。情景意識能力包括：當用戶(hù)移動(dòng)時(shí)在系統之間轉移必要的數據，用戶(hù)可改變應用接口來(lái)獲取與位置相關(guān)的信息，用戶(hù)可隨時(shí)搜索附近的網(wǎng)絡(luò )打印機以及采用節省功耗的傳輸調度等。情景不僅依賴(lài)于用戶(hù)的位置，且與用戶(hù)周?chē)沫h(huán)境相關(guān)(包括可用的資源、天氣、噪聲和交通狀況等)。另外，在決定業(yè)務(wù)可以獲得的QoS時(shí)需要考慮網(wǎng)絡(luò )的連接、通信的費用、鏈路的帶寬和用戶(hù)的位置等因素，這些因素將影響數據的交互、端系統的選用以及用戶(hù)的喜好。例如，當網(wǎng)絡(luò )帶寬允許時(shí)可以使用PDA傳輸多媒體業(yè)務(wù)，而在網(wǎng)絡(luò )負載較重時(shí)只能提供數據報業(yè)務(wù)。與此同時(shí)，我們可以使用Mobile IP協(xié)議來(lái)提供位置透明性，通過(guò)隧道機制在新舊接入路由器之間轉發(fā)分組來(lái)減少分組的丟失，并根據情景來(lái)選擇最適合QoS要求的網(wǎng)絡(luò )接口和協(xié)議。

3.5　其他需要考慮的問(wèn)題

　　除了前面討論的幾個(gè)方面外，在移動(dòng)環(huán)境管理QoS還需要考慮和解決以下問(wèn)題：在考慮端系統和網(wǎng)絡(luò )是異質(zhì)性的情況下，如何為應用提供情景意識能力，并對網(wǎng)絡(luò )的動(dòng)態(tài)變化做出自適應性反應；基于情景意識的資源映射以及具有QoS意識的資源管理模型；使用各種過(guò)濾機制，包括延遲數據、拒絕數據流以及對數據進(jìn)行分層或隔離處理；不僅需要在網(wǎng)絡(luò )邊緣進(jìn)行允許控制和業(yè)務(wù)量整形，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )內部也要實(shí)施相應的業(yè)務(wù)量工程以及需要快速建立資源預約的機制。此外，還需要定制新的與移動(dòng)環(huán)境相關(guān)的QoS參數，如功率級別、新噪比(SIR)等；借鑒集成服務(wù)/RSVP和區分服務(wù)模型構建適合于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的服務(wù)模型?，F存的集成服務(wù)和區分服務(wù)模型中定義的服務(wù)類(lèi)別都不支持移動(dòng)性業(yè)務(wù)，為此需要定義兩種新的服務(wù)類(lèi)別：用于非自適應業(yè)務(wù)的移動(dòng)相關(guān)本地確保服務(wù)(MDLG)和用于支持自適應業(yè)務(wù)的移動(dòng)相關(guān)自適應業(yè)務(wù)(MDA)。

4、結束語(yǔ)

　　當前在固定和移動(dòng)環(huán)境中，關(guān)于QoS保障的研究方面我們已經(jīng)取得了大量的研究成果。但這些成果大都只考慮了某個(gè)方面的因素，適用于某種特殊的場(chǎng)合和環(huán)境。我們認為應將各種技術(shù)集成在一個(gè)通用和靈活的QoS管理框架之內，從而可以根據不同的場(chǎng)合選擇合適的方法。然而，要在異質(zhì)環(huán)境中實(shí)現這一目標，需要具有在用戶(hù)接口層定義可感知QoS的能力，并且需要解決如何與底層網(wǎng)絡(luò )交互和如何定制具有QoS意識的自適應應用。我們不應將移動(dòng)系統中的QoS問(wèn)題隔離起來(lái)考慮，而應將它與固定網(wǎng)絡(luò )相聯(lián)系從整體上考慮，從而使應用和網(wǎng)絡(luò )結構適應各種環(huán)境。