移動環(huán)境下支持QoS的挑戰(zhàn)及對策淺析

摘要　移動環(huán)境中的服務質量保障是一個復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絡中提供QoS的現狀和面臨的挑戰(zhàn)，詳細說明了移動環(huán)境中提供QoS保障的相關技術和策略并給出了結論。

關鍵詞　服務質量　資源管理　移動IP　Ad Hoe網絡　情景意識

　　隨著便攜式移動設備的進一步普及、功能的大幅度增強以及成本的迅速降低，人們已經不再滿足于通過移動設備實現簡單的數據和話音通信。用戶希望通過具有移動意識能力的應用來提供與位置相關的服務，包括旅館、飯店、天氣等信息。一些特殊的用戶(如現場工程技術人員)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。但是在移動環(huán)境下，通信信道質量的動態(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設備都給多媒體業(yè)務的提供帶來了諸多困難。盡管當前在固定網絡上提供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定義了一個系統的非功能化特征，通常指用戶對通信系統提供的服務的滿意程度。在計算機網絡中，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絡承載的信息，并更加高效地使用網絡資源。QoS是指網絡為用戶提供的一組可以測量的預定義的服務參數，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絡達成的需要雙方遵守的協定。QoS論壇將QoS定義為網絡元素(包括應用、主機或路由器等網絡設備)對網絡數據的傳輸承諾的服務保證級別。RFC2386將QoS看作為網絡在從源節(jié)點到目的節(jié)點傳輸分組流時需要滿足的一系列服務要求。不同的應用有不同的QoS要求。網絡提供特定QoS的能力依賴于網絡自身及其采用的網絡協議的特性。對于傳輸鏈路而言，包括鏈路時延、吞吐量、丟失率和出錯率；對于網絡節(jié)點而言，包括處理速率和內存空間等；此外，運行在網絡各層的各種QoS控制算法會影響網絡的QoS支持能力。

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

表1　基于技術的QoS特征

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表2　基于用戶(應用)的QoS特征

2、移動環(huán)境中支持QoS的現狀和挑戰(zhàn)

2.1　移動網絡上提供QoS保障的現狀

　　隨著移動通信的不斷發(fā)展和多媒體業(yè)務的日益普及，在移動網絡上提供QoS保障的研究逐漸成為一個熱點。移動網絡可分為有基礎設施支持的移動網絡(如蜂窩移動網絡)和不依賴基礎設施的移動網絡(如Ad Hoe網絡)。有基礎設施支持的移動網絡通過基礎設施(如基站和中心節(jié)點)進行集中控制和管理，其面臨的主要技術難點是如何實現基礎設施之間的平滑切換和移動主機的無縫通信問題，對此已經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在內的大量的協議和相關技術，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。

　　對于拓撲經常發(fā)生變化、帶寬很窄、能源和內存非常受限的Ad Hoe網絡而言，提供QoS支持是一個復雜而全新的課題。Ad Hoc網絡中存在大量的背景噪聲和干擾，主機可自由移動，無線信道的質量差且網絡帶寬有限。同時移動主機處理能力受限，通?？侩姵毓╇姡⑶胰菀自馐軘撤降挠幸馄茐暮透蓴_，特別是當網絡規(guī)模較大時這些問題將更加突出。因此在這種網絡環(huán)境中提供QoS將面臨許多不同于傳統網絡的新問題和挑戰(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注的熱點問題。

2.2　移動性挑戰(zhàn)

　　移動系統與固定系統的一個顯著區(qū)別在于前者需要適應由于移動引起的不斷變化的QoS，而難以提供硬性QoS。移動系統可以采用多種通信技術和鏈路，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。無線系統可提供的帶寬遠低于固定有線網絡，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數據的丟失。一種解決方法是基于移動預測信息在相關的小區(qū)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線環(huán)境的影響(如衰落、多徑效應等)，并且移動無線網絡存在盲區(qū)(如隧道和建筑物內)，通信的中斷仍會發(fā)生。即移動環(huán)境中的QoS變化比有線網絡頻繁和劇烈，因此需要采用自適應的動態(tài)QoS管理機制，規(guī)定一個用戶可以接受的QoS范圍，并且應用需要具有QoS意識和自適應能力，而不是將它與底層網絡的QoS變化相隔離，同時，網絡協議和算法應能適應移動設備和環(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)點共享和競爭網絡資源等問題。 {{分頁}}

2.3　移動終端的影響

　　便攜式移動設備對支持業(yè)務的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，從而限制了處理復雜任務和計算的能力。由于移動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行，而這種工作模式在某些情況下會導致接收錯誤。且移動設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)務的開展變的比較困難，因為多媒體業(yè)務對輸出設備和處理設備的要求較高。在移動環(huán)境中，用戶根據環(huán)境的變化來更換使用的系統(如GSM或衛(wèi)星系統)和終端，因此應用的接口將是異質的，使得移動用戶之間開展某些應用比較困難。當前I/O接口技術發(fā)展迅速，例如出現了虛擬現實的便攜式設備，各種手寫輸入和語音輸入技術，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不會有太大的改觀。

2.4　其他挑戰(zhàn)

　　移動網絡的配置，采用的技術和網絡的拓撲依賴于運營商和其提供的服務，因此需要一種簡單靈活的QoS體系結構來保證與外部網絡的互連、互操作以及允許網絡經營商和管理部門按照用戶的要求來定制和設計網絡。移動設備遠程訪問對系統和應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，計費的實現也更為復雜，通常按照每單位時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、鏈路速率以及服務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質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特殊領域。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；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)的方式來履行協定，可以根據不同的媒體流的特性選擇不同的服務級別。移動環(huán)境中較多采用的時動態(tài)QoS管理機制，即將提供服務質量保障的方法按照一定的級別進行排序，并當可以提供的QoS低于容忍的最低門限時需要與用戶重新協商或拒絕用戶流。

3.2　自適應管理

　　QoS管理需要根據網絡環(huán)境的變化進行調整，即具有一定的自適應性。網絡系統的變化可分為三種情況：比較明顯的變化，如端系統和網絡連接的變化。這類變化的頻率相對較低，經常發(fā)生在會話之間，主要在同應用交互的過程中(如會話建立時)進行管理。二是較小的變化，如出現時延抖動和分組丟失，可以使用傳統的緩存機制和基于分組優(yōu)先級的過濾技術加以管理。但移動設備的移動可能會造成會話連接經過的路由發(fā)生改變，因此需要釋放原有連接路經上的資源，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獲得的QoS、請求的QoS和當前的資源狀況來適應服務質量的改變。三是精細粒度的變化，這些變化經常是暫時的，但其影響不容忽視，并且使用傳統的管理方法往往無法奏效。例如，基站間的切換，無線網絡環(huán)境的影響，業(yè)務流的動態(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用進行協商，使應用和QoS管理可通過協作來實施自適應的調整?？梢园堰@些變化的影響看作為暫時的系統故障，類似于Internet中由于業(yè)務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議來檢查連接是否有效。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)務質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)務質量的變化過于頻繁甚至比少量的數據丟失或穩(wěn)定的較低質量的業(yè)務更加使用戶難以容忍，因此需要通過合理設置質量切換門限來控制自適應機制的調用頻率。也就是說，需要通過合理設置用戶級的QoS參數使系統在穩(wěn)定性和快速反應之間進行合理的折衷。當環(huán)境變化較慢時，一般只會出現較少的數據丟失或時延抖動，用戶將希望使用最大程度可以提供的QoS。對多媒體業(yè)務而言，在任何情況下都應盡量保證其基層數據的傳輸質量，在可能的情況下支持增強層數據的QoS。此外，還需要考慮協議棧中各層次的交互以及移動網絡與其他網絡的互操作問題。 {{分頁}}

3.3　資源管理和預約

　　一些學者不主張在移動環(huán)境中采用資源預留機制，他們認為在移動環(huán)境中，會話連接的可用帶寬的經常變化將使資源預約沒有價值。但是應該認識到，當資源匱乏時，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量保障；但對于區(qū)分業(yè)務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)務的具有最低級別的QoS，而對其他業(yè)務按照盡力而為方式對待；在蜂窩網絡中，還可以通過提前預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、應用和系統的特征將自適應性劃分為多個層次，因為自適應的改變通常由用戶或系統發(fā)起，并由應用和系統執(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，因為識別可用的資源對于異質系統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：當用戶移動時在系統之間轉移必要的數據，用戶可改變應用接口來獲取與位置相關的信息，用戶可隨時搜索附近的網絡打印機以及采用節(jié)省功耗的傳輸調度等。情景不僅依賴于用戶的位置，且與用戶周圍的環(huán)境相關(包括可用的資源、天氣、噪聲和交通狀況等)。另外，在決定業(yè)務可以獲得的QoS時需要考慮網絡的連接、通信的費用、鏈路的帶寬和用戶的位置等因素，這些因素將影響數據的交互、端系統的選用以及用戶的喜好。例如，當網絡帶寬允許時可以使用PDA傳輸多媒體業(yè)務，而在網絡負載較重時只能提供數據報業(yè)務。與此同時，我們可以使用Mobile IP協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發(fā)分組來減少分組的丟失，并根據情景來選擇最適合QoS要求的網絡接口和協議。

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：在考慮端系統和網絡是異質性的情況下，如何為應用提供情景意識能力，并對網絡的動態(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；使用各種過濾機制，包括延遲數據、拒絕數據流以及對數據進行分層或隔離處理；不僅需要在網絡邊緣進行允許控制和業(yè)務量整形，在移動網絡內部也要實施相應的業(yè)務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環(huán)境相關的QoS參數，如功率級別、新噪比(SIR)等；借鑒集成服務/RSVP和區(qū)分服務模型構建適合于移動網絡環(huán)境的服務模型?，F存的集成服務和區(qū)分服務模型中定義的服務類別都不支持移動性業(yè)務，為此需要定義兩種新的服務類別：用于非自適應業(yè)務的移動相關本地確保服務(MDLG)和用于支持自適應業(yè)務的移動相關自適應業(yè)務(MDA)。

4、結束語

　　當前在固定和移動環(huán)境中，關于QoS保障的研究方面我們已經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。我們認為應將各種技術集成在一個通用和靈活的QoS管理框架之內，從而可以根據不同的場合選擇合適的方法。然而，要在異質環(huán)境中實現這一目標，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絡交互和如何定制具有QoS意識的自適應應用。我們不應將移動系統中的QoS問題隔離起來考慮，而應將它與固定網絡相聯系從整體上考慮，從而使應用和網絡結構適應各種環(huán)境。