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WiMAX接入技術在IPTV系統(tǒng)中的應用研究
來源：電子技術應用2011年第11期
王傳安1,2， 賈丙靜1， 趙海燕1,2
1. 安徽科技學院，安徽 鳳陽233100； 2. 江蘇大學 計算機與通信工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212013
摘要： 在分析IPTV接入網的要求和WiMAX技術優(yōu)勢的基礎上，提出了WiMAX應用于IPTV的系統(tǒng)模型，并具體分析了系統(tǒng)流程；針對IPTV業(yè)務下行數(shù)據量比較大的特點，提出了適合IPTV業(yè)務特點的下行鏈路實時調度(DLRTS)算法，該算法的主要目的在于降低實時業(yè)務的時延，從而保證IPTV的服務質量(QoS)。仿真結果表明，與常用的輪叫調度(Round Robin)算法相比，本文算法在實時業(yè)務的時延和吞吐量兩方面的性能都有明顯提高，可很好地支持IPTV業(yè)務。
關鍵詞： IPTV WiMAX 吞吐量
中圖分類號: TP393
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)11-0112-04
Study on the application of WiMAX access technology in IPTV system
Wang Chuanan1,2， Jia Bingjing1， Zhao Haiyan1,2
1．Anhui Science and Technology University， Fengyang 233100， China； 2． College of Computer Science and Communication Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013，Chin
Abstract： Based on the analysis of demands of IPTV access networks and advantages of WiMAX technology, a system model for IPTV over WiMAX was proposed and the system procedure was analysed in detail. Considering the heavy traffic in downlink direction of IPTV services, this paper proposed a downlink real-time scheduling(DLRTS) algorithm which aims at decreasing the delay of real-time traffic,thus meeting requirements of IPTV's QoS. Simulation result shows that,compared to round-robin scheduling algorithm,DLRTS improves the performance both in delay and throughput,thus can be competent for IPTV services.
Key words : IPTV; WiMAX; throughput


    IPTV又稱交互式網絡電視，是一種基于寬帶高速IP網、以網絡視頻資源為主體、以電視機或個人計算機為顯示終端的流媒體服務，可以向用戶提供數(shù)字廣播電視、VOD 點播、視頻電話、在線游戲等諸多寬帶業(yè)務[1-2]。相對于被動接受的傳統(tǒng)電視，互動式、個性化是IPTV越來越受人們歡迎的主要原因。但大量的流媒體業(yè)務、高實時性和交互性要求，同時對網絡帶寬提出更高的要求?，F(xiàn)有的xDSL技術已不能很好地解決IPTV接入網的瓶頸問題，而經濟落后的農村或偏遠地區(qū)，有線接入部署成本太高，因此，高速、低成本的寬帶無線接入技術將是成功部署IPTV系統(tǒng)的關鍵。
    WiMAX即全球微波接入互操作性， 是一項基于IEEE 802. 16標準的寬帶無線接入城域網技術，也是針對微波頻段提出的一種新的空中接口標準。作為一種新的無線寬帶接入標準，WiMAX采用了如OFDM/OFDMA、HARQ、AMC、MIMO等先進技術，因此它具有如下優(yōu)勢：帶寬高(WiMAX工作頻段可從2 GHz～66 GHz，信道帶寬可在1.5 MHz～20 MHz范圍內靈活調整)，容量大(WiMAX基站可以提供最高每扇區(qū)75 Mb/s的吞吐量)，傳輸距離遠(每個基站的覆蓋范圍最大可達50 km，典型的基站覆蓋范圍為6 km~10 km)[3-4]。而且在MAC層具有完善的QoS保障機制，可滿足多種業(yè)務的QoS要求。
    由IPTV對接入網的要求和WiMAX接入技術的優(yōu)勢可以看到，WiMAX技術應用于IPTV系統(tǒng)是一個發(fā)展趨勢。
1 系統(tǒng)模型及流程分析
    根據WiMAX接入方式和IPTV的業(yè)務部署[5-7],本文提出如圖1所示的WiMAX應用于IPTV的系統(tǒng)模型。
    從圖1中可以看到,整個系統(tǒng)可分為IPTV前端系統(tǒng)、IPTV主干網、IPTV接入網和IPTV用戶終端系統(tǒng)四部分。首先， 通信衛(wèi)星的直播節(jié)目和儲存在視頻點播服務器中的節(jié)目經IPTV視音頻編碼器編碼后送到IP主干網中進行傳播，通過位于主干網邊緣的WiMAX基站，經WiMAX用戶站，最終到達IPTV終端，終端一般為計算機或帶機頂盒的數(shù)字電視。

    根據系統(tǒng)模型，下面具體分析視頻流從IPTV 前端設備到用戶終端所使用的視頻編碼及網絡協(xié)議，如圖2所示。

    音頻/視頻節(jié)目首先進行壓縮編碼， 一般用MPEG-2編碼壓縮格式，然后封裝成RTP數(shù)據包，RTP數(shù)據包可以用UDP或TCP來傳輸， 接著UDP/TCP數(shù)據包又被封裝成IP數(shù)據包，然后把IP數(shù)據包封裝成Ethernet 802.3和10/100/1 G Bass-T格式的數(shù)據流在主干網中傳送。位于主干網邊緣的WiMAX BS接收802.3數(shù)據包，BS MAC層解封Ethernet數(shù)據包頭部，把IP數(shù)據包封裝成802.16 MAC PDUs，最后封裝成PHY PDUs。通過FEC，信號映射和OFDM編碼模式，802.16 PHY把PDUs轉化成可在無線鏈路中傳輸?shù)男盘?，無線電收發(fā)器通過天線把這些信號發(fā)射到蜂窩單元中的SS和MS。接收的過程和上面所述過程相反，最后A/V節(jié)目到達IPTV的終端STB或計算機。
2 下行鏈路調度框架
2.1 MAC層QoS機制   
    IEEE 802.16 MAC層實現(xiàn)QoS的核心原理是將MAC 層傳輸?shù)臄?shù)據包與業(yè)務流對應起來,從而使該連接獲得QoS支持。業(yè)務流由連接標識符(CID)標識，CID中包含了業(yè)務類型和其他QoS參數(shù)。
    IEEE 802.16定義了4 種調度業(yè)務類型：UGS支持周期性的、包大小固定的實時業(yè)務(如VoIP 或T1/E1業(yè)務)；rtPS主要用于周期性、數(shù)據包大小變化的業(yè)務(如MPEG視頻流)；nrtPS用于數(shù)據大小可變的非實時業(yè)務(如FTP業(yè)務)；BE為盡力而為的業(yè)務提供有效服務[3]。
2.2 下行鏈路調度框架
　　WiMAX定義QoS的主要目的是確定最終在無線空中接口進行數(shù)據傳輸?shù)捻樞蚝驼{度規(guī)則， 因此MAC層的調度機制是實現(xiàn)QoS的關鍵。而在IPTV系統(tǒng)應用中，用戶很少發(fā)送大的數(shù)據量，因此上行鏈路方向數(shù)據量比較小，而在下行方向主要是數(shù)據量比較大的視頻業(yè)務， BS接收到數(shù)據包后要及時轉發(fā)出去，以免造成緩沖區(qū)的溢出或者延遲的增加。
    BS的高層服務產生的多種數(shù)據流進入MAC層后，首先由分類器對數(shù)據流進行分類， 分類的過程就是把數(shù)據包映射到某一連接上，從而使數(shù)據包與某一特定的連接相關聯(lián)，同時， 映射的過程也是將數(shù)據包與連接所承載服務流的特征建立起對應關系。具體過程如圖3所示。

 

 

3 下行鏈路調度算法
3.1 算法設計
    常用的WiMAX下行鏈路調度方法——輪叫調度(Round Robin)按SS進行數(shù)據包的調度，即對屬于同一個SS但屬于不同服務類型的數(shù)據包進行統(tǒng)一調度。調度完一個SS的所有數(shù)據包后，再去調度下一個SS，如圖4所示。這樣的調度方式實現(xiàn)簡單，適合實時性要求不高的業(yè)務，但對于IPTV業(yè)務，后調度的SS實時業(yè)務的時延得不到保證。



    圖6、圖7為UGS和rtPS在兩種算法下的平均時延，圖8為實時業(yè)務的吞吐量(節(jié)點單位時間內發(fā)送UGS和rtPS業(yè)務的比特數(shù))。從圖6中可以看到，由于非實時業(yè)務的突發(fā)性，Round Robin算法中出現(xiàn)了一個較大時延5.234 2 ms，用本文算法降到0.410 6 ms。圖7中的rtPS業(yè)務在RR算法下出現(xiàn)了兩個較大延遲4.508 6 ms和4.946 4 ms，而在本文算法下都降到了1 ms以下。從圖8中可以看出，發(fā)送實時業(yè)務的吞吐量也有明顯的提高。

    本文在WiMAX技術應用于IPTV系統(tǒng)的背景下，針對IPTV業(yè)務實時性要求高的特點，提出了能夠降低實時業(yè)務時延的下行鏈路調度算法。
    本文研究的重點是WiMAX的MAC層調度，下一步工作的重點是配合OFDMA物理層，將MAC 層數(shù)據調度與物理層數(shù)據映射結合起來考慮，以提高系統(tǒng)吞吐量。另外，無線鏈路狀態(tài)、上下行子幀比例的自適應調整也是考慮的重點。
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