通信工程专业毕业设计论文特定无线环境下基于QoE的通信技术研究

XX大芋毕业设计论文学士学位论文特定无线环境下基于QoE的通信技术研究学位申请人学号学科专业指导教师XX通信工程XX教授A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for theDegree of Bachelor of EngineeringQoE-based wireless communicationXX大学毕业设计论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年 月 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，即：学校有权 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XX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。本论文属于保密口，在年解密后适用本授权书。不保密口。请在以上方框内打叫”)学位论文作者签名：指导教师签名：日期： 年 月 日日期： 年 月 日传统的服务质fi(QoS)并不能直接体现用户对业务的感受，体验质量(QoE)能更 加体现用户对业务的需求，从体验质量的角度出发用讣算能力换取通信质量的提升 成为了一种新的主流理念。随着无线设备的普及，无线视频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，如何提升视频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、传播的开放性使得管理体验质 量愈发的艰难。本文详细介绍了体验质量、无线信道和视频流传输的特点、机理和内在联系， 将注意力放在视频播放过程的延时和卡顿花屏事件上，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视频的传输进行 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，为提升视频用户的 体验质量提供了一种新的思考方式。关键字：无线，体验质量，视频，传输VXX大芋毕业设计论文AbstractQuality of seivice (QoS) cant tell us how people feel about the sendee they get. Howevm; quality of experience (QoE) describes how to measure peoples subjective feeling To optimize the network en-iroimient at the sacrifice of computer ability has become a new idea that predominates. As wireless device manufacturing industiy prosper, wireless video sendee takes up a big percentage ill the flounshiiig nehvork flow. However，available network resources have sluiink How to improve QoE is becoming more and more important. Howevm; the complexity of the wkeless em-iromnent, the random movability of users as well as the opeimess of wireless transmission make it a tough task to manage QoEIll this papei; we explicitly introduce the characteristics and mechanism of QoE, wireless channel and video transmission. We also explain theii inherent relationship and finally focus oil delay and jitter event in video playout duration. Possibility of underflow and overflow ill the decoder buffer is taken into consideration for a better QoE The extended Gilbert model is applied in this paper to simulate the wkeless channel for video transmission and the relationsliip behveen buffer and delay with a certain probability is obtained, which is a new way of thinking.Index terms： Wireless, QoE, Video, TransmissionVIXX大学毕业设计论文目录摘要Abstract第一章绪论1一、论文的研究背景及来源1二、论文的意义及研究内容1三、国内外研究现状1四、本文的结构3第二章体验质量4、体验质量的概念4二、体验质量的衡量指标4三、体验质量与视频5第三章无线信道7一、无线信道特点71. 传播的开放性72. 接收环境的复杂性83. 用户的随机移动性 9二、无线信道模型101. 马尔可夫模型 102. 吉尔伯特模型11三、无线环境下的体验质量13第四章视频流传输14一、视频传输相关曲线分析 14二、视频接收技术151. 缓冲162. 延时16三、无线视频相关要求17第五章仿真与分析20、场景介绍20二、视频特征曲线20三、概率模型分析及仿真211. 概率模型分析212. 概率模型仿真 25第六章总结与展望30、总结30二、展望30致谢31参考文献32VIIIXX大学毕业设计论文第一章绪论一、论文的研究背景及来源论文研究背景：随着移动终端的普及，诸如智能手机、平板电脑之类的设备在 人们的生活中起着越来越重要的作用，而逐年增长的网络流量也越来越多倾向于山 这些便携式设备产生，而视频流的传输乂占据了其中巨大的比例。但是另外一方 面，网络的负载已然十分的沉重，基础设施面对越来越巨大的网络流量可能无法继 续维持下去，分配给每个用户的资源以及能够提供的服务质量也会相应下降。因此 需要新的途径和措施来解决11前这种网络负载过重，不断有新的设备加入进来带来 的问题。有人提出了体验质量的概念作为一种新型的指标来衡量用户对所得到的服 务的满意程度，并在此基础上提出了一些方案的改进措施，也提出了一些新的方 案。LI前体验质量的概念尚未十分成熟，并没有统一的标准来对体验质量所需要考 虑的内容来进行衡量。课题来源：国家973计划项U “面向QoE的协同计算通信理论基础”(课题编 号：2013CB329006)。二、论文的意义及研究内容无线使人们的生活变得更加方便快捷，智能手机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、有吸引力 的各类业务和应用，重视体验的效果，运营商则希望留住用户并扩大用户规模，而 其中视频传输占据了无线网络流量的很大一部分，视频业务本身乂极易与用户本身 的感官产生联系，因此研究无线环境下基于体验质量的通信技术，尤其是其中的视 频传输技术，是十分具有现实意义的。论文的研究内容是利用设备强大的计算能力 和存储能力来改善现有的无线网络环境，减轻网络负载，增大网络的呑吐量，最终 使得用户能够获得比较好的体验质量。三、国内外研究现状体验质量(QoE)的概念在很早以前就有人提出了，由于网络环境日益复杂，人们 对服务质量的要求也越来越高，基于主观需求的网络环境改良也更加符合实际情况XX大学毕业设计论文的需要，在这种情况下，体验质量在近儿年来得到了广泛的关注并得到了一定的发 展。基于体验质量感知的无线多媒体数据流传输系统相关论文大致分为以下儿类：1基于体验质量感知的媒体保护；2. 体验质量的评佔标准以及建模；3. 多用户悄景下基于体验质量感知的资源分配。基于体验质量感知的媒体保护的做法一般是根据环境获得的相关数据给资源赋 予不同的重要性，这里所指的资源可以是视频本身的编码方式、不同的资源块、获取 资源的方式等，例如文献 “ A Cross-Layer Design for Perceptual Optimization Of H.264/SVC with Unequal Enor Protection却和Channel Coding Optimization Based on Slice Visibility for Transmission of Compressed Video over OFDM Channels 卩切中提 及的不等错误保护，给不同的视频片来分配不同的优先级从而获取不同层级的资源 块，使得一些重要的视频片得到更好的保护，这样可以让用户在信道条件比较差的情 况下仍然不会丢失一些重要的信息，从而达到比较好的体验质量。山于是基于体验质 量感知，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，并没有在体验质量的模型上做十分统一的标准或者限制，所以可能对于不同的模 型来说最终得到的效果不一样，但尽管如此，这种分级的做法还是十分值得借鉴的。至于体验质量的评佔标准以及建模，体验质量(QoE)是从服务质量(QoS)的概念演 变过来的，以前的服务质量是根据一些客观的指标来对服务的质量来进行衡量，而基 于主观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“ A generic quantitative relationsliip between quality of experience and quality of service 匸习 和 The QoE Evaluation Method tliiough the QoS-QoE ConelationModel【旳中就提出了某种体验质量和服务质量的关 系模型，通过这种模型可以省去寻找新指标的麻烦，直接利用与服务质量的映射关系 得到比较好的逼近曲线。也有利用其它指标对体验质量进行建模的，如文献 * Managing Quality of Experience for Wireless VOIP Using Noilcooperative Games ” 卩刀 就提出了将用户对为了继续接听电话而做出的努力作为衡量的标准，文献“Aquality of expeiience handover architecture for heterogeneous mobile wireless multimedia networks” 中提出了一种基于体验质量的异构网络切换策略，它所使用的指标是比 较常用的平均意见值MOS以及视频质量监测VQM。尽管建模的方式多种多样，但 是由于体验质量本身的定义就不是十分的清楚明了，因此不同的建模方式可以对应 不同的使用途径和场景，给其他模型的建立搭建了比较全面的平台。多用户悄景下基于体验质量感知的资源分配处理的问题则更加具体，建立的模型 相对以上更加精细。比如文献On managing quality of experience of multiple video streams in wireless networks ”解决的是多用户在同一条信道下的时隙资源分配，最 终整体优化每次资源分配完成后用户利用缓存可以播放的时间。而文献“Effect of Delay and Buffering on Jitter-Free Streaming Over Random VBR Channels ”则建立某 个视频在有一定初始缓存时间和一定大小的缓存的情况下视频播放流畅的概率，虽 然并没有涉及到多用户接入，但仍然可以进行推广，具有十分重要的参考价值。四、本文的结构第一章绪论，简单介绍论文的研究背景、研究方向的意义以及本文的立足点。第二章体验质量，本章主要介绍体验质量的来源、概念以及意义所在，由于本 文关注视频传输的研究，因此介绍了一些关于视频质量的衡量标准，建 立起客观参数和主观感受之间的关联，便于日后继续相关工作的建模， 文末的仿真中会选取其中一项来作为指标。第三章无线信道，本章主要介绍无线信道的特点，指出了无线信道的缺点以及 因此带来的体验质量的挑战，给出了两种常见的无线信道模型以及其优 缺点，仿真是建立在扩展吉尔伯特模型和蒙特卡洛仿真基础上的，因此 在这里做出相应的说明。第四章视频流传输，本章是本文的重点，本章简要介绍了无线视频传输的过 程，给出了接收方会使用到的各种曲线以及其物理含义，列出了无线视 频流传输的要求以及与体验质量之间的内在联系，并做了 MOS与缓冲 区大小和延时间的关系仿真。第五章仿真与分析，本章对参考文献做了相关仿真，给出了应用场景、所使用 的模型和数据、解决的问题，对文中出现的一些曲线进行了仿真，并对 照原图给出了对比，做出了相应的分析。第六章总结，本章对前面的内容进行了小结，并阐述了今后会进行的研究方向 和要做的要点。10第二章体验质量一、体验质量的概念体验质量是指终端用户对整个应用或服务的质量和性能(包括有效性、可用性、 性价比等方面)的综合主观感受，即从业务应用的舒适度来定义的。提到体验质量(QoE),必然要联想到服务质量(QoS),它可以认为是体验质量的 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 效果”。然而长期的使用使得无线通信系统对QoS的理解变得狭隘，最终只反映到 “乔吐量、丢包率、时延、抖动”这些常见的指标上，忽略了作为主体的用户的满 意程度。运营商最终U标是为终端用户提供各式各样的视频业务并带来方便，所以用户 的需求是最重要的。然而每个用户对服务及视频质量的评价是根据其自身的具体感 受形成的，是主观的。在这种情况下，可以用“体验质量”的概念来了解相应的服 务质量和网络性能。而且III于现阶段无线网络设备的分布越来越广泛，相应的人们 的无线网络环境下相关服务的要求也越来越高，与此同时，基站及移动设备都拥有 了相比以往更加强大的讣算能力和存储能力，这使得以计算和存储换取用户体验质 量的提升成为可能。二、体验质量的衡量指标如何确定体验质量的好坏一直以来都是个棘手的问题。对视频、图像、语音来 说，LI前常用的方法是召集一批观察者，让观察者根据一些事先规定好的评价标准 以及自己的经验对给出的对象进行质量判断和打分，并对所有观察者给出的分数进 行加权平均，但是由于人的主观性及观察者的单体差异性，对于同样的视频、图 像、语音，不同的人的感受是不一样的。为此许多研究机构提出了描述体验质量不 同的衡量指标，主要针对对象是视频，因此下面的儿项衡量指标都是基于视频的体 验质量而提出的。平均意见得分(MOS)】是用于衡量体验质量十分常见的指标。体验质量本身是 一个主观的概念，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。最初MOS出现是作为衡量通信系统语音质量的重要指标而存在的，具体做法 是让被测试者在一个安静的房间内为听到的声音打分。表2.1为MOS与话音质量 间的对应关系。表2.1话音质量与MOS对应关系MOS质量损伤程度5极好无可挑剔4好可察觉但是不吵3一般有点吵2差吵1极差非常吵从上表可以看出，MOS打分为15分，其中1分最差，5分最好，最后的得分 是很多被测试者的平均得分。将这种针对语音的MOS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 15,有些打分方式介于05分，有些介于0100分。从测试的方法可以看出，这 种得分需要经过人为实验得出，需要很多被测试者进行相关打分，环境的设定也较 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05分的MOS打分方式切。除了 MOS外，人们还提出了许多其他用于衡量视频质量的指标，下面给出一 些衡量指标及其性能，在往后的研究过程中，针对不同的对象可以取用不同的衡量 指标。表2.2各视频质量评估指标性能同衡量指标计算复杂度与主观方法的联系模块化程度PSNR简单弱简单MPQM复杂多变无VQM十分复杂好无SSIM复杂很好已有模块NQM复杂未知无三、体验质量与视频将无线环境下的视频传输作为研究体验质量的载体，是因为视频流的传输在很 多特性上与人的感知有关。首先，视频流传输本身所要求的实时性和人对视频的满意程度是直接相关的， 实时性则体现在在用户已经选定所需要的视频后初始延时的长短以及播放过程中的 流畅程度，毕竟等的时间过长或者播放不流畅都会使用户对视频的评价下降】（如 图2.1）,甚至有观念认为即使牺牲初始时延也要阻止播放不流畅的事件发生。其次，无线网络发展迅速，传输流量急剧上升，为了更好的主观感受，视频产 生了更高的分辨率，而随之出现的，就是视频文件的巨大化，相较传统的下载，人 们更倾向于在线观看视频或者在线获取资料，毕竟下载耗时比在线的流媒体初始延 时要长得多，而且下载完成的文件在观看完毕后对于没有收藏需要的用户来说，只 是白白占用硬盘空间而已。体验质量本身并没有十分明确清晰的定义，因此只要是和人体感知相关的内 容，都可以纳入体验质量的考虑范围。既然卡顿和延时都会引起用户对视频满意程 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视频的体验质 量。第三章无线信道对任意的通信系统而言，信道都是必不可少的组成部分，研究无线环境下的通 信技术，必然涉及到无线信道，因此有必要了解无线信道的各种特性以及与体验质 量间的关系，下面会简单介绍一下无线信道的特点，给出一些常用的无线信道模 型。一、无线信道的特点1. 传播的开放性在理想情况下，无线电波的传输当作直射波来看，直射波可按自由空间传播来 考虑，自由空间需要满足的条件有均匀无损耗的无限大空间、各向同性、电导率为 0,相对介电常数和相对磁导率恒为1,电波在自山空间传播时，其能量既不会被障 碍物吸收，也不会反射或者散射，但是山于辐射能量的扩散，电波的传播在经过一 段路径后，其能量还是会受到一定的衰减。通过推导，自山空间传播损耗5（即衰减）可定义为：(3.1)其中：马是发送功率，E是接收功率。可看出自山空间中电波传输损耗只和工作频 率/和传播距离有关。因此无线电波传播的越远，其衰减越严重，通俗点来讲， 离基站越远，信号越不好，另外，衰减还和工作频率/有关，不过对于特定的无线 基站，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传播的无线 电波而言，其衰减主要和距离有关。根据以上直射波的特性，在保证一定发射功率的前提下，用户在离基站较近的 位置上都可以接收到信号，这是一种类似广播的性质。但是如果基站并不希望所有 的用户都能对收到的信号进行解码，譬如有些频段的信号需要付费才能接收，还有 些频段希望保密传输，另外一些非授权频段（如蓝牙，WiFi, Zigbee, WLAN, UAVB等多个标准无线协议使用的2.4GHz）的使用，容易泄露一些个人信息，于是这 种安全性问题就是一个十分值得思考的难题了。2. 接收环境的复杂性衰落无线环境是十分复杂的，各种各样的障碍物、反射平面存在于无线环境中的各 个角落，传播介质也多种多样，特性各异，不可能做到如自由空间传播般只和单一 的传播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 面简单介绍一下无线电波的传输途径。1）直射在障碍物较少的环境中的常见传播方式，在障碍物较多的城市环境中如果 发射天线和接收天线间的距离较长则很难做到。2）绕射在实际情况下，电波的直射路径上存在各种障碍物，在传播途径中遇到大 的障碍物时，电波就会绕开障碍物向前传播，而绕开障碍物会导致电波传输的 损耗增加。3）反射电波传播过程中，如果遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面尺寸比 电波波长大得多，就会产生镜面反射，比如大地和空气就是两种不同的介质， 所以地面反射波是一种常见的反射形式。4）散射和绕射类似，如果电波在传播过程中遇到尺寸较小的障碍物时，电波就会 呦各个方向传播。5）折射在实际的移动信道中，电波在低层大气中传播，而据我们所知，低层大气 并非均匀介质，随着时间和空间的变化，低层大气的温度、湿度、气压都会产 生一定的变化，于是介质的折射率和相对介电常数等也会相应产生变化，根据 折射定律，电波传播速度和大气折射率成反比，这样，不同高度的电波传播速 度不同，电波传播方向发生弯曲，产生了电波的折射。6）吸收分子、原子一般都具有一定吸收电磁波的能力，当高频电磁波的能量对它 们辐射时，它们吸收能量、跃迁、回跃，以另外一种能量形式的释放出来，尤 其金属元素对电磁波的吸收尤为严重，甚至可能会出现屏蔽信号的现象。因此 吸收也列入电波传输中值得考虑的问题之一。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传播方式，于 是作为接收方的用户接收到的信号就是来自多种传播方式的信号之和。然而，正是 山于传播方式的不同，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，形成总的接收场的衰落，即多径效应，产生的衰落称为多 径衰落。在无线环境中，电磁波经多径传输到达接收机后，如果没有直射的信号，则 总信号的强度服从瑞利分布。同时由于接收机的移动及其他原因，信号幅度和相位 等特性乂在起伏变化，故称为瑞利衰落。如果经多径传输到达接收机，多路信号中 含有直接从发射机到接收机的直射信号，那么总信号的强度服从莱斯分布，故称为 莱斯衰落。干扰除了客观环境中存在的尺寸形态各异的障碍物、性质各不相同的介质、随时间 随机变化的温度湿度气压等客观条件以外，还有来自于其他发射机的干扰。山于无线信号的传输载体还是无线电波，适合于通信的无线电波波长受到常见 障碍物的尺寸限制，然而无线电波的波长和频率有关，因此，实际上的无线传播可 用的频率资源是有限的，针对此问题，LI前已经有很多的研究机构提出了各式各样 的协议标准，以合理利用资源。现今WiFi、2G、3G、4G、蓝牙等无线技术已经存 在于生活中的各个角落，大大提高了人们接入无线网的速度、扩大了人们得到无线 网络的资源，然而正因如此，尽管可以做到满屋子都是信号，却也导致了满屋子的 都可能是干扰。尤其像现在，可用频率资源越来越少，人们更多的关注于增加频谱 利用率，可是频谱利用率的增加必然会导致使用所使用的中心频点的靠近，从而使 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，因为蜂窝网基站的覆 盖范围较广，一个基站的服务面积较大，而基站的布置也相对密集，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习，这部分的干扰 主要来自多径衰落、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信号干扰。3. 用户的随机移动性有线网络的设备连线使得用户的活动范围受限，为了使用户能够得到更便捷更 舒适的服务，才出现了无线的概念。无线相比有线的优点是不受外部连线的限制， 扩大用户的活动范围，用户能在更广阔的区域内得到服务，但是无线网络不稳定， 容易受外界环境的干扰，而且由于衰落、干扰、移动性等特性，无线网络的速度受 到了很大的限制。无线网的出现使得用户的行动更加自山，人们可以在很大范围的地域内得到话 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快感。 使用无线网络的用户在逐渐增多，对业务的要求也逐渐增高，而用户的移动性也在 增大，对应用户所处的位置，用户能够获取到的资源也会产生相应的改变。研究发现，人的移动性在某种程度上是可以预测的，对于某个固定的用户来 说，其生活习惯、日常作息、个人喜好等信息都是可以记录下来并作为参考的，鉴 于此，特定时段内用户可能会经过的区域、位置等信息也是可以知道的。另外，可 以利用GPS、基站与用户的距离、地形变化等定位信息以某种概率预测用户的下一 个移动位置。利用位置的预测信息和信道的相关信息，可以做出某种决策模型，针 对不同的对象进行优化，以提高体验质量为最终LI标，得出最佳的资源分配策略。二、无线信道模型由于本论文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，基站会监测当前信道状态从而决定究竟釆用何种 调制编码方式，不同的调制编码方式会产生不同的传输速率和失真度。但反过来也 可以看作是在某种特定的调制编码方式下信道状态是一定的，因此可以将复朵的无 线信道状态变迁简化成仅有儿个状态相互转移，下面着重介绍一下针对这种简化后 的离散状态常常会用到的两种无线信道模型。1.马尔可夫模型马尔可夫模型是建立在马尔可夫过程12】基础上的模型，马尔可夫过程是一类随 机过程，其特点是无后效性，所谓的无后效性指的是在已知LI前状态的前提下，将 来的状态与过去的状态无关，那些时间离散、状态离散的马尔可夫过程称为马尔可 夫链。马尔可夫链定义如下：设有随机过程X”,“wT,若对于任意的整数nwT（T为离散的时间集合且 T = 0,1,2,.）任意的为离散的状态集合且/ =芯,，3,），条件概 率满足：PX”+f |X =莎丸，,X” =i” = PX”+严加X” =/； ,（3.2）则称为马尔可夫链。关于该过程的研究，1931年A.H.柯尔莫哥洛夫在概率论的解析方法一文 中首先将微分方程等分析的方法用于这类过程，奠定了马尔可夫过程的理论基础。 一般处理问题采用基于划分时隙的办法，无论在一个时段之内时隙大小是相同的还 是不同时段之内时隙大小是不同的，都按时隙的先后顺疗；以及一个时隙内所处的状 态进行处理，这样，在已知一定概率的先验信息的情况下，根据当前状态来预测下 个状态的可能分布，可以将处理马尔可夫链的思想应用在这种场景下。XX大学毕业设计论文图3.1四阶马尔可夫链示意图马尔可夫链是一个建立在随机过程之上的数学模型，基于马尔可夫过程假设， 系统的状态是有限的，可以看作在足够短的时间内，信道状态是不变的，系统在儿 个有限的状态内变迁。利用马尔可夫模型处理时隙资源的分配，一方面可以建立马 尔可夫转移矩阵来对用户的习惯、无线信道状态的变迁等进行建模，另一方面也可 以利用一定先验信息的马尔可夫转移矩阵来随机生成得到马尔可夫链，之后利用蒙 特卡洛仿真来得到比较贴近真实情况的概率事件。2.吉尔伯特模型比较经典的噪声信道模型采用二进制来表示，这种信道记录的是一个数据包的 传输情况，“1”表示数据包成功传输，“0”表示数据包丢失，这种信道模型是无记 忆的。平均丢包率常用来描述一个网络的丢包特性，而且丢包率在某种程度上可以 作为衡量用户体验质量的指标，但在实际网络中信道则不同，通常来说是有“记 忆”的，丢包之间会存在一种短暂的相关性，因此提出了吉尔伯特模型来描述网络 中突发丢包现象，这种模型是III吉尔伯特在I960年提出的。事实上吉尔伯特模型 是一种特殊的马尔可夫模型，它描述的是两种状态之间的变迁，下面简单介绍模 型，如图3.2。图3.2二阶马尔可夫链示意图图3.2描述的是一个随机事件的发生概率以及变迁，假设一个随机变量X满足:IIXX大芋毕业设计论文x=o “数据包正确到达H的地SX=1 “数据包丢失”。概率p表示由“0”状态转变到“1”状态的概率，q表示由“1”状态转变到“0” 状态的概率。p 乂可以表示为Poi，其表达式为：P(X=1IX=O) =发生丢包事件的次数0状态出现的次数(33)12其中：“发生丢包事件”指的是正在发包但是包丢失了，因此连续丢包只算一次， “发生丢包事件的次数”即为从状态0转变到状态1的次数，同时也是从状态1 转变到状态0的次数。同样，q 乂可以表示为P10，由于从1状态转变到状态0的次 数等于从状态0转变到状态1的次数，因此得到：P(X=OIX=1) =发生丢包事件的次数1状态出现的次数(3.4)lp 表示为 Poo，即 P(X=OIX=1), lq 表示为 Pii，即 P(X=1IX=1)。上述吉尔伯特模型只是很简易的描述了网络的丢包情况，因此有人提出了扩展 吉尔伯特模型，这样更加清楚的描述网络的拥塞情况，图3.3是扩展吉尔伯特模型 的示意图。图3.3中：Sk表示的是连续丢包的数口为匕 这样，扩展吉尔伯特模型比普通的 吉尔伯特模型多了连续丢包数的内容，III于网络拥塞或其他原因引起的丢包数一般 来说不会太大，所以这样记录少量儿个丢包情况的模型相比普通的吉尔伯特模型来 说可以更加精确的对网络环境进行说明。而且这种模型也是一种特殊的马尔可夫模 型，可以直接套用转移矩阵的形式来进行仿真。在实际的无线传输过程中，基站并非一直以恒定速率传输，为了更加适应当前 的网络环境。根据前面的介绍，无线环境十分复杂，无法得知当前的网络环境会对 下一刻的网络传输产生怎样的影响，利用当前信息来调整调制编码方案是现行的做 法，基站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 采用怎样的调制编码方案1孔 不同的调制编码方案会产生不同的传输速率，当然也 XX大学毕业设计论文会因此产生不同程度的丢包率、失真度等等。上述的两种模型都能在某种程度上还 原实际情况，后文的仿真将采用扩展吉尔伯特模型。三、无线环境下的体验质量相较有线环境，无线环境下的体验质量更加的“难以捉摸”，山于上述无线环 境的复杂性，导致用户可能有时“在线”，有时“离线”，毕竟基站不可能每时每刻 任何地点都在向每个用户提供服务，而不像有线环境下大部分用户在固定的时间段 内都是在线”的，只要向服务器请求，剩下的只是传输时间的问题。“在线”情 况下，基站可以进行宏观的调控，从全局角度进行资源分配，而“离线”情况下， 用户则只能靠自身设备的能力来减轻体验质量的下降。无线信道“时好时坏”，传 输速率随着各种环境因素以及用户的移动千变万化，在这种环境下改善用户的体验 质量变得更加艰难。列外，用户的行为习惯的确有助于研究体验质量，但是行为习惯这种较为隐私 的数据用户可能并不希望泄露出去，因此在提升用户体验质量的同时，还应考虑通 信安全性的问题。现今无线频段资源慢慢呈现缺乏的态势，为了珍惜利用已有频 段，已经有很多的复用方式被提出以缓解这种资源紧缺的状况，然而随之而来的就 是同频段内的干扰问题，用户请求获得了响应却得不到完好的服务，这也是在提升 用户体验质量过程中应极力避免的。XX大学毕业设计论文第四章视频流传输一、视频传输相关曲线分析由于视频帧的像素信息在时间上和空间上都存在一定的冗余，因此视频流在无 线信道中传输之前，需要在发送端经过一系列的帧间预测、帧内预测、运动估计、 压缩编码等操作来减小信息冗余，根据不同的要求会采取不同的压缩方式，即所谓 的“格式”，常见的视频编码有MPEG系列和H.26X系列。视频流以数据包的形式经过无线信道，III于已经介绍过的无线信道特点，使得 无线信道在宏观上表现为传输速率不稳定，可以采用上述马尔可夫模型或者吉尔伯 特模型对信道进行模拟。最后视频流在接收端接收，现在的设备在计算能力上相较以往的设备已经有了 很大的提升，提升体验质量的途径有很多种，其中一种就是借III接收设备的讣算能 力来提升通信的质量，从而改善人们可以感受的体验质量，因此将焦点放在接收端 需要处理的过程，下面就视频在接收端可能会处理的一些曲线进行介绍，图4.1同 样作为后文仿真的示意图。图4.1是流畅播放情况下的一些曲线图，其中：横坐标代表视频播放的时间， 纵坐标代表接收端做接收到的数据量。表4.1给出的是图4.1中出现的一些符号所 代表的物理含义。山于后文的分析中会用到各个曲线的物理意义，因此在这里做出 相应的说明。表4.1传输曲线物理含义符号物理含义L视频播放时间长度B设置缓存大小P播放曲线M)+B当前时刻能够完善处理的最大数据量Rbestt)以最快速率接收刚好不下溢时的接收曲线R接收曲线Rb经过一定延时以最快速率接收时接收曲线播放曲线描述的是用户在播放过程中累计的数据量，因此，其斜率代表的是数 据播放的速率，如果将纵坐标换成帧数的话，那么其斜率代表的就是播放的帧率， 对于恒定帧率播放的视频而言，其斜率是一个常数，那么这样得到的播放曲线就是 一条笔直的斜线。图中描述的情况是视频在播放过程中一次都没有出现卡顿或者花 屏的现象，因此其播放曲线和视频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。实际中的播放曲线则可能并不会像图中那样完 美，在速率不足或者速率过大的情况下会因为不同的缓冲策略导致不同的偏移。接收曲线指的是在接收端接收到的数据量之和，但是山于网络丢包、延时等作 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视频帧却无法解 码播放，因此考虑到应该在接收端处设立解码缓存和防抖动缓存来调整接收到的数 据，用于保证此时播放出来的数据对应当前时刻应该播放的数据。二. 视频接收技术视频在接收端接收以包的形式出现，至于如何处理接收到的包，则涉及到接收 端所采用的接收技术，下面简要介绍接收端相关技术。爼时.抖动可变比待率视频用户端图4.2 UMTS网络视频传输流程图4.2是UMTS网络中传输视频全过程示意图，下面大致说明流程：首先原 始的视频在经过编码器之后变成了变比特率视频（每帧大小不同，因为有些帧只需在 参考帧基础上加上差值即可，所以相对小一点），视频由发送方发送到服务器上，假 定以匀速速率发送（根据前面描述，无线环境下做到匀速发送十分困难），接收方接 收到的数据包因为延时、丢包等造成数据包乱序，接收的速率也根据时间改变，因 此设立了一个去抖动缓冲区，数据包经过抖动缓冲区后变成正常序列，但是用户无 法直接拿数据包播放，需要首先对数据包进行解码，为了放置刚刚去抖动完成的数 据包，设立了解码缓冲区。下面对上述过程中岀现的缓冲和延时进行更详细的说明。1. 缓冲如图4.2,图中出现了两个缓冲区，一个去抖动缓冲区，一个解码缓冲区，都 用于缓存已经接收到的数据包。但是，为什么要设立缓冲区呢？其LI的就是使接下 来的一段时间之内有可供播放的内容，有线网内播放视频时也会出现网速很慢的情 况，有了一定的缓冲，在接下来一段时间之内即使完全没有接收速度，一样的可以 保证用户在一定时间之内可以播放视频，这段时间可能乂有新的数据接收，如此循 环，可以一定限度内保证视频不会出现卡顿的情况。缓冲区可以保证视频播放流畅，那么是不是可以设很大，这样就永远都不会出 现卡顿现象了呢？答案是否定的，现在的硬件设备虽然已经和以前相比已经有了很 大的提升，但是并没有达到可以要多大的缓冲区就可以有多大的缓冲区的程度，依 然有一定的限制，大的缓冲区反而会造成资源的浪费，另外缓冲区过大会导致时延 更严重，这也是播放视频时所不愿看到的，当然，如果日后硬件上得到了长足的发 展并可以支持更大的缓冲区大小，自然可以达到更高的要求。在缓冲区大小确定之后，速率应该进行相关的控制，既不能太小，这样会造成 缓冲区空，没有可以解码的内容，自然发生卡顿，也不能太大，这样会造成缓冲区 溢出，溢岀的部分视为直接丢弃，像现在的实时视频，流动性很大，人们可能并不 会再去重新缓冲那部分，但是丢弃数据包乂会导致帧丢失，即花屏，使得体验质量 下降。2. 延时延时是作为缓冲的配合而存在的，受到接收速率的限制，刚收到的数据可能无 法构成完整的一帧，更何况要播放视频可能要等到所有的参考帧都到齐了才能播 放，因此一定大小的初始延时是必要的，但是，和缓冲区大小一样，延时也不能太 大，这倒不是受到硕件设备的限制，而是在很长的延时下，用户会对所要求的服务 产生质疑，最终其至会放弃，这点也是提升体验质量时最不愿看到的事。因此，决 定到底需要多长的初始延时和缓冲延时也是十分值得注意的内容。16XX大芋毕业设计论文三、无线视频相关要求下面给出一些现行的一些对于视频播放质量的要求16。1）视频加入时间，指的是从向服务器或基站请求开始到播放器开始播放视频的 延时，对于用户来说，这段时间当然是越短越好，现在流媒体盛行的大背景下，实 时性的要求也越来越高，这项要求可以作为体现实时性的一项指标。为了节省这段 时间，已经有许多的研究机构提出了各种方案，例如设置CDN、采用代理缓存、利 用D2D实现近距离通信等等。2）缓冲比例，指的是缓冲的时间占据播放全程时间的比例，对于用户来说自然 这个比例越小越好。3）缓冲次数比率，指的是缓冲的次数与播放全程时间的比，对于不同的缓冲策 略，一次缓冲时间可能不尽相同，因此，可能有些缓冲策略会造成总的缓冲时间并 不长，但是缓冲的次数特别高，因此提出这项要求。4）平均比特率，指的是视频本身的平均比特率，此项要求和视频本身的质量有 关，但是不同的编码方式可能会带来不同的比特率，因此尽量在相同编码方式下进 行这项要求的比较。5）视频帧率，指的是视频播放的帧率，播放相同内容的视频，帧率越高，自然 用户可以捕捉到的细节越多，视频更加符合人们的要求。从上面的描述也可以看出，对视频传输的要求儿乎都是从用户的角度出发所做 的考虑，这点也更加明确了视频传输与体验质量间的关系。本论文想做的工作是在 提升体验质量的基础上进行视频传输，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Ml ,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 = %+“,FR + In（SBR）1r ,（4.1）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 的表达式多种多样，本论文只采用了其中的一种，根据参考文献切，（4.1）中4色 分别设为 4.9027, -0.10068, 0.30128, 2.30327, 7.21067。图 5.25 给出的是初始延 时为4.5s、帧率为25帧/秒、数据包大小为5000bit、无线信道釆用前述的二阶扩展 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，MOS都保持比较稳定的值。3.532.521.51乏5.4x 1054.44.64.8buffer03.43.63.8图4.3缓冲区大小与MOS间的关系delay图4.4初始延时大小与MOS间的关系可以看到，缓冲区大小在超过460000bit时，MOS的数值儿乎没有变化，小于 460000bit时以比较快的速度上升，低于380000bit时儿乎也没什么变化，这和预期 一致。缓冲区较小时，虽然能够存放儿帧但是依然很容易造成卡顿，缓冲区过大 XX大学毕业设计论文时，基本上没什么感觉上的变化，因此可以考虑将一部分多余缓冲区所占用的资源 空出来再进行分配。图5.26给出的是延时与MOS之间的仿真图，缓冲区大小设为400000bit,其他 参数与图5.25参数一致。很明显看到，当延时低于2.5s时，MOS依然可以保持比 较高的数值，但是在超过2.5s后,MOS急剧下降，到5.5s左右趋于平稳，这点也 和预期结果一致。从以上的结果也可以看出缓冲区大小和延时对MOS的影响有相似之处，那么 究竟缓冲区大小和延时间存在怎样的关系呢，在第五章的仿真与分析中将做出解 释。21第五章仿真与分析下文针对文章 “ Effect of Delay and Buffering on Jittei-Free Streaming Over Random VBR Channels ” UU进行仿真与分析。一、场景介绍接下来的仿真所处的场景是无线环境下基站向单个用户发送单个视频，通过一 条可变比特率（VBR）信道，考虑上述无线信道本身的衰减性质、多径等原因带来的 衰落以及基站本身可能会采用不同的调制编码方案，并没有考虑来自其他基站与用 户通信的干扰。这样，所使用的场景实际上是十分简易的，实际情况则可能更加复 杂，需要考虑基站向多个用户的分配机制、究竟在何种条件下釆取何种调制编码方 案从而产生多大的速率、所使用的无线环境是WiFi还是其他、同时传输多个视频 时所带来的干扰、其他基站向用户传输带来的干扰等等，直接以这种最简单的形式 呈现的有如下原因：1）便于分析，一旦出现问题可以比较直观的了解究竟问题出在哪；2）现在的无线网络十分的复杂，如果要考虑全部的因素可能会发现很难建立起 模型，而且有些因素对于研究目标也并非十分重要；3）这种简易的模型并没有指定十分具体的应用场景，换句话说很多种场景都可 以直接套用，只需加上特定应用场景所涉及到的参数即可，这对后来更加深入的工 作有一定益处。接下来所做的仿真在matlab平台上实现。二、视频特征曲线图5.1图5.2图5.1是所处理的视频本身的特征曲线，图5.2是文中对应的视频特征曲线， 都指的是视频正常播放过程中播放时间对应当前的数据量，这里数据量是以数据包 的数LI体现的，一个数据包的大小为3600bito数据alphin ski.txt，是来自于视频库 网站QI,从图5.1和图5.2的对比可以看出，无论是趋势还是数值大小两条曲线都 是相同的，这点说明仿真所使用数据和文中所使用的相符。和通常的视频数据不同，txt文件中只含有某一帧的数据大小，一般的视频数 据，以常常会使用的yu文件为例，yuv文件包含的信息有亮度、色度信息，它包 含了每一帧的每个像素点的信息，而且并没有经过压缩，但是接收端可能并不关心 具体哪个像素点的信息，反而只关心到底还有多少数据没接收，因为现行的机制都 是一个数据包一个数据包在传送，在经过缓存等处理后只需关心已经接收到多少数 据就行了。从这个角度看，处理txt文件是合乎情理的。三、概率模型分析及仿真1. 概率模型分析论文从管理初始延时和缓冲区大小的角度出发来考虑提升用户体验质量，根据 推导分析，可以得到一段时间之内，视频播放过程流畅的概率是有一定的上下界 的，表达式为：”nPrWn(L) minPrR(G&),Pr尺(0)鸟(0)仝坷，(5.1) 兀 p(L) (1 一 Pr/?(/) (/H)=養，(5.2)其中：L指的是视频播放时长；/)是接收函数，指的是接收到的数据包数LI与时 间之间的关系；p(J是播放函数，指的是已播放的数据包数忖与时间之间的关系； 心()是以可达到的最大速率匀速传输时刚好不超过缓存大小的情况；“是经过一定 延时以可达到的最大速率匀速传输时与缓存线相交的点，当然二者没有交点时， 不存在；/是以可达到的最大速率匀速传输时视频刚好可以流畅播放完成时，数据 刚好接收完成的时间点；4是从零点开始以可达到的最大速率匀速传输时，播放曲 线上离接收曲线间隔时间最远的时间点(作差取正值最大)；兀，衙，暫 分别为视 频流畅播放概率及其上下界。证明过程如下：1)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。XX大学毕业设计论文图5.4视频播放完成前未接收完成各曲线示意图所谓的视频播放完成，指的是视频本身的播放特性，即已经有了全部的数据， 直接进行播放的情况，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，可能会比播放的速率快，可能比播放的速率慢，这样，研 究实际的接收速率与视频本身的播放特性间的关系就很有必要，可以利用设备的强 大处理能力来获取这些信息并进行相关优化。各曲线的意义在第四章中介绍过了，这里图5.3表示g(L) = P(L),即以最快 速率传输恰好不下溢时刚好播完的情况；图5.4表示g(L)p(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中我们定义心=inf:/?(/) v心“ 为始终接收曲线的值小于最快接收曲线的最大时间点(因为延时不同导致可能会出现 前者大于后者的情况)，如果%L,必有R 心“(f)对所有宀/。皆成立，于是陀)v 心”(厶)=(厶)。(5.3)那么我们可以得到发生下溢的概率为 = PrVr/?(r)= Prt0L=Pr Vf /?/, (0)= Pr/?(L)(L)o(5.4)针对图5.4的情况，其争议点为tc = max:心w(/) = (/)，(5.5)传输完成点为平(5.6)如果则不会发生下溢；如果，则下溢以某个概率出现；如果 t0r/) + PrVrL,(W)/AO)&(J S/()APrF“=PrVt/?,w(r)= Pr/?(r/)p(L)o(5.7)2)考虑上溢的情况，当接收端缓冲区大小不是足够大时，如果接收速率太快就会 导致缓冲区上溢从而导致丢包，用4表示缓冲区上溢的争议点(见图4.1)其中： q的表达式为= min arg max心“一卩，(5.8)表示以最快速率发送时的曲线离播放曲线最远的点，正因为离播放曲线最远，就最容易比加上缓冲区大小后的播放曲线在该点的值要小，即最容易发生上溢。这样，应该至少保证一定大小的缓冲区大小满足下列条件：轻隔厲)一厲)兰陰。(5.9)否则必然会发生上溢。图4.1中心(/)表示以最快速率发送时刚好不发生上溢的曲线，表达式为：