移動環(huán)境下支持QoS的挑戰(zhàn)及對策淺析

摘要　移動環(huán)境中的服務(wù)質(zhì)量保障是一個復(fù)雜的急需解決的問題。文章首先介紹了QoS的基本概念，然后闡述了在移動網(wǎng)絡(luò)中提供QoS的現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)，詳細(xì)說明了移動環(huán)境中提供QoS保障的相關(guān)技術(shù)和策略并給出了結(jié)論。

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

　　隨著便攜式移動設(shè)備的進一步普及、功能的大幅度增強以及成本的迅速降低，人們已經(jīng)不再滿足于通過移動設(shè)備實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)和話音通信。用戶希望通過具有移動意識能力的應(yīng)用來提供與位置相關(guān)的服務(wù)，包括旅館、飯店、天氣等信息。一些特殊的用戶(如現(xiàn)場工程技術(shù)人員)需要一種獲得綜合數(shù)據(jù)、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(yīng)用。但是在移動環(huán)境下，通信信道質(zhì)量的動態(tài)變化、移動用戶位置的不確定性、便攜式終端有限的電池能量和受限的I/O設(shè)備都給多媒體業(yè)務(wù)的提供帶來了諸多困難。盡管當(dāng)前在固定網(wǎng)絡(luò)上提供QoS保障以及移動通信本身都取得了很大進展，但在移動環(huán)境中支持QoS的研究才剛剛起步。

1、QoS的定義和分類

　　QoS定義了一個系統(tǒng)的非功能化特征，通常指用戶對通信系統(tǒng)提供的服務(wù)的滿意程度。在計算機網(wǎng)絡(luò)中，QoS的目標(biāo)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)為用戶提供的一組可以測量的預(yù)定義的服務(wù)參數(shù)，包括時延、時延抖動、帶寬和分組丟失率等，也可以看成是用戶和網(wǎng)絡(luò)達(dá)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(yīng)用、主機或路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(jié)點到目的節(jié)點傳輸分組流時需要滿足的一系列服務(wù)要求。不同的應(yīng)用有不同的QoS要求。網(wǎng)絡(luò)提供特定QoS的能力依賴于網(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，包括鏈路時延、吞吐量、丟失率和出錯率；對于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點而言，包括處理速率和內(nèi)存空間等；此外，運行在網(wǎng)絡(luò)各層的各種QoS控制算法會影響網(wǎng)絡(luò)的QoS支持能力。

　　在多媒體系統(tǒng)中QoS通常指圖像的質(zhì)量或數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，具體包括吞吐量、時延和分組丟失率等指標(biāo)。QoS特征可分為基于技術(shù)的QoS特征和基于用戶(應(yīng)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(應(yīng)用)的QoS特征

2、移動環(huán)境中支持QoS的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)

2.1　移動網(wǎng)絡(luò)上提供QoS保障的現(xiàn)狀

　　隨著移動通信的不斷發(fā)展和多媒體業(yè)務(wù)的日益普及，在移動網(wǎng)絡(luò)上提供QoS保障的研究逐漸成為一個熱點。移動網(wǎng)絡(luò)可分為有基礎(chǔ)設(shè)施支持的移動網(wǎng)絡(luò)(如蜂窩移動網(wǎng)絡(luò))和不依賴基礎(chǔ)設(shè)施的移動網(wǎng)絡(luò)(如Ad Hoe網(wǎng)絡(luò))。有基礎(chǔ)設(shè)施支持的移動網(wǎng)絡(luò)通過基礎(chǔ)設(shè)施(如基站和中心節(jié)點)進行集中控制和管理，其面臨的主要技術(shù)難點是如何實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施之間的平滑切換和移動主機的無縫通信問題，對此已經(jīng)進行了大量有意義的研究，并提出了包括小區(qū)切換機制和移動IP在內(nèi)的大量的協(xié)議和相關(guān)技術(shù)，這個問題的研究目前正朝著更加深入的方向發(fā)展，如3G中的QoS保障問題。

　　對于拓?fù)浣?jīng)常發(fā)生變化、帶寬很窄、能源和內(nèi)存非常受限的Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)而言，提供QoS支持是一個復(fù)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，無線信道的質(zhì)量差且網(wǎng)絡(luò)帶寬有限。同時移動主機處理能力受限，通常靠電池供電，并且容易遭受敵方的有意破壞和干擾，特別是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時這些問題將更加突出。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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的新問題和挑戰(zhàn)。該問題在90年代以后逐漸被提上議事日程，并已成為一個廣受關(guān)注的熱點問題。

2.2　移動性挑戰(zhàn)

　　移動系統(tǒng)與固定系統(tǒng)的一個顯著區(qū)別在于前者需要適應(yīng)由于移動引起的不斷變化的QoS，而難以提供硬性QoS。移動系統(tǒng)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，例如無線LAN的覆蓋范圍較小，而GSM的覆蓋范圍較大。無線系統(tǒng)可提供的帶寬遠(yuǎn)低于固定有線網(wǎng)絡(luò)，容易受到周圍環(huán)境的影響。此外，用戶的移動會引起基站之間的切換，造成暫時的通信中斷和部分?jǐn)?shù)據(jù)的丟失。一種解決方法是基于移動預(yù)測信息在相關(guān)的小區(qū)提前預(yù)約資源，從而減少數(shù)據(jù)丟失和提高資源使用率，但這種方法不能克服無線環(huán)境的影響(如衰落、多徑效應(yīng)等)，并且移動無線網(wǎng)絡(luò)存在盲區(qū)(如隧道和建筑物內(nèi))，通信的中斷仍會發(fā)生。即移動環(huán)境中的QoS變化比有線網(wǎng)絡(luò)頻繁和劇烈，因此需要采用自適應(yīng)的動態(tài)QoS管理機制，規(guī)定一個用戶可以接受的QoS范圍，并且應(yīng)用需要具有QoS意識和自適應(yīng)能力，而不是將它與底層網(wǎng)絡(luò)的QoS變化相隔離，同時，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法應(yīng)能適應(yīng)移動設(shè)備和環(huán)境的變化。此外還需解決移動環(huán)境下IP地址的管理問題及移動節(jié)點共享和競爭網(wǎng)絡(luò)資源等問題。 {{分頁}}

2.3　移動終端的影響

　　便攜式移動設(shè)備對支持業(yè)務(wù)的QoS存在諸多限制，其設(shè)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較低的處理功率，從而限制了處理復(fù)雜任務(wù)和計算的能力。由于移動通信傳輸數(shù)據(jù)需要較大的功率，為降低功耗，傳輸通常以間歇式的方式進行，而這種工作模式在某些情況下會導(dǎo)致接收錯誤。且移動設(shè)備的屏幕和鍵盤較小，輸入和顯示非常受限，使得多媒體業(yè)務(wù)的開展變的比較困難，因為多媒體業(yè)務(wù)對輸出設(shè)備和處理設(shè)備的要求較高。在移動環(huán)境中，用戶根據(jù)環(huán)境的變化來更換使用的系統(tǒng)(如GSM或衛(wèi)星系統(tǒng))和終端，因此應(yīng)用的接口將是異質(zhì)的，使得移動用戶之間開展某些應(yīng)用比較困難。當(dāng)前I/O接口技術(shù)發(fā)展迅速，例如出現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實的便攜式設(shè)備，各種手寫輸入和語音輸入技術(shù)，相對緩解了I/O限制帶來的影響，但電池和功率的限制在近期內(nèi)不會有太大的改觀。

2.4　其他挑戰(zhàn)

　　移動網(wǎng)絡(luò)的配置，采用的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湟蕾囉谶\營商和其提供的服務(wù)，因此需要一種簡單靈活的QoS體系結(jié)構(gòu)來保證與外部網(wǎng)絡(luò)的互連、互操作以及允許網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營商和管理部門按照用戶的要求來定制和設(shè)計網(wǎng)絡(luò)。移動設(shè)備遠(yuǎn)程訪問對系統(tǒng)和應(yīng)用的安全性都有很大影響，其安全問題至今仍是一個開放問題，存在諸多挑戰(zhàn)和困難。此外，移動通信的成本相對較高，計費的實現(xiàn)也更為復(fù)雜，通常按照每單位時間和每單位數(shù)據(jù)量收費，并且費率標(biāo)準(zhǔn)將根據(jù)選用的媒介種類、鏈路速率以及服務(wù)提供商的不同而變化。

3、移動環(huán)境中保障QoS的策略

3.1　QoS管理

　　QoS管理是指通過必要的監(jiān)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(tǒng)管理的一個特殊領(lǐng)域。QoS管理分為靜態(tài)QoS管理和動態(tài)的QoS管理。靜態(tài)QoS管理功能與整個活動中相對恒定的QoS要求和特征有關(guān)；動態(tài)QoS管理將隨著運行環(huán)境的變化而改變，以一種動態(tài)的方式來履行協(xié)定，可以根據(jù)不同的媒體流的特性選擇不同的服務(wù)級別。移動環(huán)境中較多采用的時動態(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行排序，并當(dāng)可以提供的QoS低于容忍的最低門限時需要與用戶重新協(xié)商或拒絕用戶流。

3.2　自適應(yīng)管理

　　QoS管理需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化進行調(diào)整，即具有一定的自適應(yīng)性。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的變化可分為三種情況：比較明顯的變化，如端系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)連接的變化。這類變化的頻率相對較低，經(jīng)常發(fā)生在會話之間，主要在同應(yīng)用交互的過程中(如會話建立時)進行管理。二是較小的變化，如出現(xiàn)時延抖動和分組丟失，可以使用傳統(tǒng)的緩存機制和基于分組優(yōu)先級的過濾技術(shù)加以管理。但移動設(shè)備的移動可能會造成會話連接經(jīng)過的路由發(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濾器，并且管理機制的選擇和切換需要根據(jù)獲得的QoS、請求的QoS和當(dāng)前的資源狀況來適應(yīng)服務(wù)質(zhì)量的改變。三是精細(xì)粒度的變化，這些變化經(jīng)常是暫時的，但其影響不容忽視，并且使用傳統(tǒng)的管理方法往往無法奏效。例如，基站間的切換，無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響，業(yè)務(wù)流的動態(tài)增加和減少，可用功率和鏈路傳輸速率的變化等。這些改變必須及時通知或與應(yīng)用進行協(xié)商，使應(yīng)用和QoS管理可通過協(xié)作來實施自適應(yīng)的調(diào)整。可以把這些變化的影響看作為暫時的系統(tǒng)故障，類似于Internet中由于業(yè)務(wù)超載引起的性能降級。為了及時捕獲這些變化，可以簡單的使用超時機制而不采用開銷較大的輪詢協(xié)議來檢查連接是否有效。此外還可以使用概率或統(tǒng)計QoS的思想來容忍一定程度的短暫的性能降級，然而為了避免性能的嚴(yán)重下降需要對業(yè)務(wù)質(zhì)量的降級做出迅速反應(yīng)，使用的方法包括備用路由、媒體流的自適應(yīng)調(diào)整、容錯機制等。需要注意的是業(yè)務(wù)質(zhì)量的變化過于頻繁甚至比少量的數(shù)據(jù)丟失或穩(wěn)定的較低質(zhì)量的業(yè)務(wù)更加使用戶難以容忍，因此需要通過合理設(shè)置質(zhì)量切換門限來控制自適應(yīng)機制的調(diào)用頻率。也就是說，需要通過合理設(shè)置用戶級的QoS參數(shù)使系統(tǒng)在穩(wěn)定性和快速反應(yīng)之間進行合理的折衷。當(dāng)環(huán)境變化較慢時，一般只會出現(xiàn)較少的數(shù)據(jù)丟失或時延抖動，用戶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(yīng)盡量保證其基層數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，在可能的情況下支持增強層數(shù)據(jù)的QoS。此外，還需要考慮協(xié)議棧中各層次的交互以及移動網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)的互操作問題。 {{分頁}}

3.3　資源管理和預(yù)約

　　一些學(xué)者不主張在移動環(huán)境中采用資源預(yù)留機制，他們認(rèn)為在移動環(huán)境中，會話連接的可用帶寬的經(jīng)常變化將使資源預(yù)約沒有價值。但是應(yīng)該認(rèn)識到，當(dāng)資源匱乏時，采用適當(dāng)?shù)馁Y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(qū)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，我們可以通過允許控制機制來保障某些業(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，還可以通過提前預(yù)約的方法來確保資源的可用性和提高切換的平滑性。此外，基于用戶、應(yīng)用和系統(tǒng)的特征將自適應(yīng)性劃分為多個層次，因為自適應(yīng)的改變通常由用戶或系統(tǒng)發(fā)起，并由應(yīng)用和系統(tǒng)執(zhí)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(tǒng)中的資源管理非常重要。情景是指“代理周圍的整個環(huán)境以及代理內(nèi)部的狀態(tài)”，也可以將它定義為影響用戶行為的環(huán)境要素。情景意識能力包括：當(dāng)用戶移動時在系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)移必要的數(shù)據(jù)，用戶可改變應(yīng)用接口來獲取與位置相關(guān)的信息，用戶可隨時搜索附近的網(wǎng)絡(luò)打印機以及采用節(jié)省功耗的傳輸調(diào)度等。情景不僅依賴于用戶的位置，且與用戶周圍的環(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時需要考慮網(wǎng)絡(luò)的連接、通信的費用、鏈路的帶寬和用戶的位置等因素，這些因素將影響數(shù)據(jù)的交互、端系統(tǒng)的選用以及用戶的喜好。例如，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬允許時可以使用PDA傳輸多媒體業(yè)務(wù)，而在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時只能提供數(shù)據(jù)報業(yè)務(wù)。與此同時，我們可以使用Mobile IP協(xié)議來提供位置透明性，通過隧道機制在新舊接入路由器之間轉(zhuǎn)發(fā)分組來減少分組的丟失，并根據(jù)情景來選擇最適合QoS要求的網(wǎng)絡(luò)接口和協(xié)議。

3.5　其他需要考慮的問題

　　除了前面討論的幾個方面外，在移動環(huán)境管理QoS還需要考慮和解決以下問題：在考慮端系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)是異質(zhì)性的情況下，如何為應(yīng)用提供情景意識能力，并對網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化做出自適應(yīng)性反應(yīng)；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；使用各種過濾機制，包括延遲數(shù)據(jù)、拒絕數(shù)據(jù)流以及對數(shù)據(jù)進行分層或隔離處理；不僅需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣進行允許控制和業(yè)務(wù)量整形，在移動網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部也要實施相應(yīng)的業(yè)務(wù)量工程以及需要快速建立資源預(yù)約的機制。此外，還需要定制新的與移動環(huán)境相關(guān)的QoS參數(shù)，如功率級別、新噪比(SIR)等；借鑒集成服務(wù)/RSVP和區(qū)分服務(wù)模型構(gòu)建適合于移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的服務(wù)模型?，F(xiàn)存的集成服務(wù)和區(qū)分服務(wù)模型中定義的服務(wù)類別都不支持移動性業(yè)務(wù)，為此需要定義兩種新的服務(wù)類別：用于非自適應(yīng)業(yè)務(wù)的移動相關(guān)本地確保服務(wù)(MDLG)和用于支持自適應(yīng)業(yè)務(wù)的移動相關(guān)自適應(yīng)業(yè)務(wù)(MDA)。

4、結(jié)束語

　　當(dāng)前在固定和移動環(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方面的因素，適用于某種特殊的場合和環(huán)境。我們認(rèn)為應(yīng)將各種技術(shù)集成在一個通用和靈活的QoS管理框架之內(nèi)，從而可以根據(jù)不同的場合選擇合適的方法。然而，要在異質(zhì)環(huán)境中實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要具有在用戶接口層定義可感知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(yīng)應(yīng)用。我們不應(yīng)將移動系統(tǒng)中的QoS問題隔離起來考慮，而應(yīng)將它與固定網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)系從整體上考慮，從而使應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)適應(yīng)各種環(huán)境。