《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置：首頁 > 通信與網(wǎng)絡(luò) > 設(shè)計應(yīng)用 > WiMAX接入技術(shù)在IPTV系統(tǒng)中的應(yīng)用研究
WiMAX接入技術(shù)在IPTV系統(tǒng)中的應(yīng)用研究
來源：電子技術(shù)應(yīng)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(xué)院，安徽 鳳陽233100； 2. 江蘇大學(xué) 計算機(jī)與通信工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013
摘要： 在分析IPTV接入網(wǎng)的要求和WiMAX技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，提出了WiMAX應(yīng)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(wù)下行數(shù)據(jù)量比較大的特點(diǎn)，提出了適合IPTV業(yè)務(wù)特點(diǎn)的下行鏈路實時調(diào)度(DLRTS)算法，該算法的主要目的在于降低實時業(yè)務(wù)的時延，從而保證IPTV的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。仿真結(jié)果表明，與常用的輪叫調(diào)度(Round Robin)算法相比，本文算法在實時業(yè)務(wù)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(wù)。
關(guān)鍵詞： IPTV WiMAX 吞吐量
中圖分類號: TP393
文獻(xiàn)標(biāo)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(wǎng)絡(luò)電視，是一種基于寬帶高速IP網(wǎng)、以網(wǎng)絡(luò)視頻資源為主體、以電視機(jī)或個人計算機(jī)為顯示終端的流媒體服務(wù)，可以向用戶提供數(shù)字廣播電視、VOD 點(diǎn)播、視頻電話、在線游戲等諸多寬帶業(yè)務(wù)[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(wù)、高實時性和交互性要求，同時對網(wǎng)絡(luò)帶寬提出更高的要求?，F(xiàn)有的xDSL技術(shù)已不能很好地解決IPTV接入網(wǎng)的瓶頸問題，而經(jīng)濟(jì)落后的農(nóng)村或偏遠(yuǎn)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(shù)將是成功部署IPTV系統(tǒng)的關(guān)鍵。
    WiMAX即全球微波接入互操作性， 是一項基于IEEE 802. 16標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無線接入城域網(wǎng)技術(shù)，也是針對微波頻段提出的一種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。作為一種新的無線寬帶接入標(biāo)準(zhǔn)，WiMAX采用了如OFDM/OFDMA、HARQ、AMC、MIMO等先進(jìn)技術(shù)，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(nèi)靈活調(diào)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(yuǎn)(每個基站的覆蓋范圍最大可達(dá)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(jī)制，可滿足多種業(yè)務(wù)的QoS要求。
    由IPTV對接入網(wǎng)的要求和WiMAX接入技術(shù)的優(yōu)勢可以看到，WiMAX技術(shù)應(yīng)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(jù)WiMAX接入方式和IPTV的業(yè)務(wù)部署[5-7],本文提出如圖1所示的WiMAX應(yīng)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(wǎng)、IPTV接入網(wǎng)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(diǎn)播服務(wù)器中的節(jié)目經(jīng)IPTV視音頻編碼器編碼后送到IP主干網(wǎng)中進(jìn)行傳播，通過位于主干網(wǎng)邊緣的WiMAX基站，經(jīng)WiMAX用戶站，最終到達(dá)IPTV終端，終端一般為計算機(jī)或帶機(jī)頂盒的數(shù)字電視。

    根據(jù)系統(tǒng)模型，下面具體分析視頻流從IPTV 前端設(shè)備到用戶終端所使用的視頻編碼及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如圖2所示。

    音頻/視頻節(jié)目首先進(jìn)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(jù)包，RTP數(shù)據(jù)包可以用UDP或TCP來傳輸， 接著UDP/TCP數(shù)據(jù)包又被封裝成IP數(shù)據(jù)包，然后把IP數(shù)據(jù)包封裝成Ethernet 802.3和10/100/1 G Bass-T格式的數(shù)據(jù)流在主干網(wǎng)中傳送。位于主干網(wǎng)邊緣的WiMAX BS接收802.3數(shù)據(jù)包，BS MAC層解封Ethernet數(shù)據(jù)包頭部，把IP數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(dá)IPTV的終端STB或計算機(jī)。
2 下行鏈路調(diào)度框架
2.1 MAC層QoS機(jī)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(jù)包與業(yè)務(wù)流對應(yīng)起來,從而使該連接獲得QoS支持。業(yè)務(wù)流由連接標(biāo)識符(CID)標(biāo)識，CID中包含了業(yè)務(wù)類型和其他QoS參數(shù)。
    IEEE 802.16定義了4 種調(diào)度業(yè)務(wù)類型：UGS支持周期性的、包大小固定的實時業(yè)務(wù)(如VoIP 或T1/E1業(yè)務(wù))；rtPS主要用于周期性、數(shù)據(jù)包大小變化的業(yè)務(wù)(如MPEG視頻流)；nrtPS用于數(shù)據(jù)大小可變的非實時業(yè)務(wù)(如FTP業(yè)務(wù))；BE為盡力而為的業(yè)務(wù)提供有效服務(wù)[3]。
2.2 下行鏈路調(diào)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞蚝驼{(diào)度規(guī)則， 因此MAC層的調(diào)度機(jī)制是實現(xiàn)QoS的關(guān)鍵。而在IPTV系統(tǒng)應(yīng)用中，用戶很少發(fā)送大的數(shù)據(jù)量，因此上行鏈路方向數(shù)據(jù)量比較小，而在下行方向主要是數(shù)據(jù)量比較大的視頻業(yè)務(wù)， BS接收到數(shù)據(jù)包后要及時轉(zhuǎn)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(wù)產(chǎn)生的多種數(shù)據(jù)流進(jìn)入MAC層后，首先由分類器對數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類， 分類的過程就是把數(shù)據(jù)包映射到某一連接上，從而使數(shù)據(jù)包與某一特定的連接相關(guān)聯(lián)，同時， 映射的過程也是將數(shù)據(jù)包與連接所承載服務(wù)流的特征建立起對應(yīng)關(guān)系。具體過程如圖3所示。

 

 

3 下行鏈路調(diào)度算法
3.1 算法設(shè)計
    常用的WiMAX下行鏈路調(diào)度方法——輪叫調(diào)度(Round Robin)按SS進(jìn)行數(shù)據(jù)包的調(diào)度，即對屬于同一個SS但屬于不同服務(wù)類型的數(shù)據(jù)包進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。調(diào)度完一個SS的所有數(shù)據(jù)包后，再去調(diào)度下一個SS，如圖4所示。這樣的調(diào)度方式實現(xiàn)簡單，適合實時性要求不高的業(yè)務(wù)，但對于IPTV業(yè)務(wù)，后調(diào)度的SS實時業(yè)務(wù)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(wù)的吞吐量(節(jié)點(diǎn)單位時間內(nèi)發(fā)送UGS和rtPS業(yè)務(wù)的比特數(shù))。從圖6中可以看到，由于非實時業(yè)務(wù)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(wù)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(wù)的吞吐量也有明顯的提高。

    本文在WiMAX技術(shù)應(yīng)用于IPTV系統(tǒng)的背景下，針對IPTV業(yè)務(wù)實時性要求高的特點(diǎn)，提出了能夠降低實時業(yè)務(wù)時延的下行鏈路調(diào)度算法。
    本文研究的重點(diǎn)是WiMAX的MAC層調(diào)度，下一步工作的重點(diǎn)是配合OFDMA物理層，將MAC 層數(shù)據(jù)調(diào)度與物理層數(shù)據(jù)映射結(jié)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(yīng)調(diào)整也是考慮的重點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1] Xiao Yang, Du Xiaojiang, Zhang Jingyuan, et al. Internet protocol television(IPTV): the killer application for the next-generation internet[J].Communications Magazine,IEEE 2007,45(11).
[2] 季偉.IPTV關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.
[3] IEEE802.16-2004 IEEE standard for local and metropolitan area networks part 16: air interface for fixed broadband wireless access systems[S]. 2004.
[4] 劉波,安娜,黃旭林.WiMAX技術(shù)與應(yīng)用詳解[M]. 北京:人民郵電出版社,2007.
[5] RETNASOTHIE F E, OZDEIR M K, YCEK T,et al.  Wireless IPTV over WiMAX challenges and applications[C]. IEEE Wireless and Microwave Technology Conference, WAMICON 2006.
[6] UILECAN I V, Chi Zhou, ATKIN E G. Framework for delivering IPTV services over WiMAX wireless networks[C]. 2007 IEEE International Conference on Electro/Information Technology,EIT 2007.
[7] SHE J, HOU F, HO P H, Xie Liangliang. IPTV over  WiMAX Key Success Factors,Challenges,and Solutions[J]. IEEE Commun ications Magazine,2007,48(8):87-93.
[8] Cao Yaxin, Li Victor 0.K, Scheduling algorithms in broadband wireless networks[J]. IEEE Proceedings of the  IEEE, 2001,89(1).
[9] 董曉魯.WiMAX技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2007.
[10] 郎為民,劉波.WiMAX技術(shù)原理與應(yīng)用[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。