移动环境下支持QoS的挑战及对策浅析

摘要　移动环境中的服务质量保障是一个复杂的急需解决的问题。文章首先介绍了QoS的基本概念，然后阐述了在移动网络中提供QoS的现状和面临的挑战，详细说明了移动环境中提供QoS保障的相关技术和策略并给出了结论。

关键词　服务质量　资源管理　移动IP　Ad Hoe网络　情景意识

　　随着便携式移动设备的进一步普及、功能的大幅度增强以及成本的迅速降低，人们已经不再满足于通过移动设备实现简单的数据和话音通信。用户希望通过具有移动意识能力的应用来提供与位置相关的服务，包括旅馆、饭店、天气等信息。一些特殊的用户(如现场工程技术人员)需要一种获得综合数据、声音和三维图像的有效途径，即需要提供一种交互式的多媒体应用。但是在移动环境下，通信信道质量的动态变化、移动用户位置的不确定性、便携式终端有限的电池能量和受限的I/O设备都给多媒体业务的提供带来了诸多困难。尽管当前在固定网络上提供QoS保障以及移动通信本身都取得了很大进展，但在移动环境中支持QoS的研究才刚刚起步。

1、QoS的定义和分类

　　QoS定义了一个系统的非功能化特征，通常指用户对通信系统提供的服务的满意程度。在计算机网络中，QoS的目标是获得更加确定的通信行为，以便能更加安全可靠地保护网络承载的信息，并更加高效地使用网络资源。QoS是指网络为用户提供的一组可以测量的预定义的服务参数，包括时延、时延抖动、带宽和分组丢失率等，也可以看成是用户和网络达成的需要双方遵守的协定。QoS论坛将QoS定义为网络元素(包括应用、主机或路由器等网络设备)对网络数据的传输承诺的服务保证级别。RFC2386将QoS看作为网络在从源节点到目的节点传输分组流时需要满足的一系列服务要求。不同的应用有不同的QoS要求。网络提供特定QoS的能力依赖于网络自身及其采用的网络协议的特性。对于传输链路而言，包括链路时延、吞吐量、丢失率和出错率；对于网络节点而言，包括处理速率和内存空间等；此外，运行在网络各层的各种QoS控制算法会影响网络的QoS支持能力。

　　在多媒体系统中QoS通常指图像的质量或数据传输的时间，具体包括吞吐量、时延和分组丢失率等指标。QoS特征可分为基于技术的QoS特征和基于用户(应用)的QoS特征，如表1和表2所示。

表1　基于技术的QoS特征

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表2　基于用户(应用)的QoS特征

2、移动环境中支持QoS的现状和挑战

2.1　移动网络上提供QoS保障的现状

　　随着移动通信的不断发展和多媒体业务的日益普及，在移动网络上提供QoS保障的研究逐渐成为一个热点。移动网络可分为有基础设施支持的移动网络(如蜂窝移动网络)和不依赖基础设施的移动网络(如Ad Hoe网络)。有基础设施支持的移动网络通过基础设施(如基站和中心节点)进行集中控制和管理，其面临的主要技术难点是如何实现基础设施之间的平滑切换和移动主机的无缝通信问题，对此已经进行了大量有意义的研究，并提出了包括小区切换机制和移动IP在内的大量的协议和相关技术，这个问题的研究目前正朝着更加深入的方向发展，如3G中的QoS保障问题。

　　对于拓扑经常发生变化、带宽很窄、能源和内存非常受限的Ad Hoe网络而言，提供QoS支持是一个复杂而全新的课题。Ad Hoc网络中存在大量的背景噪声和干扰，主机可自由移动，无线信道的质量差且网络带宽有限。同时移动主机处理能力受限，通常靠电池供电，并且容易遭受敌方的有意破坏和干扰，特别是当网络规模较大时这些问题将更加突出。因此在这种网络环境中提供QoS将面临许多不同于传统网络的新问题和挑战。该问题在90年代以后逐渐被提上议事日程，并已成为一个广受关注的热点问题。

2.2　移动性挑战

　　移动系统与固定系统的一个显著区别在于前者需要适应由于移动引起的不断变化的QoS，而难以提供硬性QoS。移动系统可以采用多种通信技术和链路，因此具有不同的通信能力和成本，例如无线LAN的覆盖范围较小，而GSM的覆盖范围较大。无线系统可提供的带宽远低于固定有线网络，容易受到周围环境的影响。此外，用户的移动会引起基站之间的切换，造成暂时的通信中断和部分数据的丢失。一种解决方法是基于移动预测信息在相关的小区提前预约资源，从而减少数据丢失和提高资源使用率，但这种方法不能克服无线环境的影响(如衰落、多径效应等)，并且移动无线网络存在盲区(如隧道和建筑物内)，通信的中断仍会发生。即移动环境中的QoS变化比有线网络频繁和剧烈，因此需要采用自适应的动态QoS管理机制，规定一个用户可以接受的QoS范围，并且应用需要具有QoS意识和自适应能力，而不是将它与底层网络的QoS变化相隔离，同时，网络协议和算法应能适应移动设备和环境的变化。此外还需解决移动环境下IP地址的管理问题及移动节点共享和竞争网络资源等问题。 {{分页}}

2.3　移动终端的影响

　　便携式移动设备对支持业务的QoS存在诸多限制，其设备通常由寿命有限的电池提供能量，因此需要低功耗的处理器和显示器，并最好具有智能的关机和休眠功能。但低功耗的处理器则意味着较低的处理功率，从而限制了处理复杂任务和计算的能力。由于移动通信传输数据需要较大的功率，为降低功耗，传输通常以间歇式的方式进行，而这种工作模式在某些情况下会导致接收错误。且移动设备的屏幕和键盘较小，输入和显示非常受限，使得多媒体业务的开展变的比较困难，因为多媒体业务对输出设备和处理设备的要求较高。在移动环境中，用户根据环境的变化来更换使用的系统(如GSM或卫星系统)和终端，因此应用的接口将是异质的，使得移动用户之间开展某些应用比较困难。当前I/O接口技术发展迅速，例如出现了虚拟现实的便携式设备，各种手写输入和语音输入技术，相对缓解了I/O限制带来的影响，但电池和功率的限制在近期内不会有太大的改观。

2.4　其他挑战

　　移动网络的配置，采用的技术和网络的拓扑依赖于运营商和其提供的服务，因此需要一种简单灵活的QoS体系结构来保证与外部网络的互连、互操作以及允许网络经营商和管理部门按照用户的要求来定制和设计网络。移动设备远程访问对系统和应用的安全性都有很大影响，其安全问题至今仍是一个开放问题，存在诸多挑战和困难。此外，移动通信的成本相对较高，计费的实现也更为复杂，通常按照每单位时间和每单位数据量收费，并且费率标准将根据选用的媒介种类、链路速率以及服务提供商的不同而变化。

3、移动环境中保障QoS的策略

3.1　QoS管理

　　QoS管理是指通过必要的监视和控制机制确保某些服务质量特征得到遵守和维护，它可以作为分布式系统管理的一个特殊领域。QoS管理分为静态QoS管理和动态的QoS管理。静态QoS管理功能与整个活动中相对恒定的QoS要求和特征有关；动态QoS管理将随着运行环境的变化而改变，以一种动态的方式来履行协定，可以根据不同的媒体流的特性选择不同的服务级别。移动环境中较多采用的时动态QoS管理机制，即将提供服务质量保障的方法按照一定的级别进行排序，并当可以提供的QoS低于容忍的最低门限时需要与用户重新协商或拒绝用户流。

3.2　自适应管理

　　QoS管理需要根据网络环境的变化进行调整，即具有一定的自适应性。网络系统的变化可分为三种情况：比较明显的变化，如端系统和网络连接的变化。这类变化的频率相对较低，经常发生在会话之间，主要在同应用交互的过程中(如会话建立时)进行管理。二是较小的变化，如出现时延抖动和分组丢失，可以使用传统的缓存机制和基于分组优先级的过滤技术加以管理。但移动设备的移动可能会造成会话连接经过的路由发生改变，因此需要释放原有连接路经上的资源，重新建立的连接配置新的过滤器，并且管理机制的选择和切换需要根据获得的QoS、请求的QoS和当前的资源状况来适应服务质量的改变。三是精细粒度的变化，这些变化经常是暂时的，但其影响不容忽视，并且使用传统的管理方法往往无法奏效。例如，基站间的切换，无线网络环境的影响，业务流的动态增加和减少，可用功率和链路传输速率的变化等。这些改变必须及时通知或与应用进行协商，使应用和QoS管理可通过协作来实施自适应的调整。可以把这些变化的影响看作为暂时的系统故障，类似于Internet中由于业务超载引起的性能降级。为了及时捕获这些变化，可以简单的使用超时机制而不采用开销较大的轮询协议来检查连接是否有效。此外还可以使用概率或统计QoS的思想来容忍一定程度的短暂的性能降级，然而为了避免性能的严重下降需要对业务质量的降级做出迅速反应，使用的方法包括备用路由、媒体流的自适应调整、容错机制等。需要注意的是业务质量的变化过于频繁甚至比少量的数据丢失或稳定的较低质量的业务更加使用户难以容忍，因此需要通过合理设置质量切换门限来控制自适应机制的调用频率。也就是说，需要通过合理设置用户级的QoS参数使系统在稳定性和快速反应之间进行合理的折衷。当环境变化较慢时，一般只会出现较少的数据丢失或时延抖动，用户将希望使用最大程度可以提供的QoS。对多媒体业务而言，在任何情况下都应尽量保证其基层数据的传输质量，在可能的情况下支持增强层数据的QoS。此外，还需要考虑协议栈中各层次的交互以及移动网络与其他网络的互操作问题。 {{分页}}

3.3　资源管理和预约

　　一些学者不主张在移动环境中采用资源预留机制，他们认为在移动环境中，会话连接的可用带宽的经常变化将使资源预约没有价值。但是应该认识到，当资源匮乏时，采用适当的资源分配和允许控制机制尽管不能提供确定性的质量保障；但对于区分业务等级和支持一定程度的QoS是非常必要和合理的。例如，我们可以通过允许控制机制来保障某些业务的具有最低级别的QoS，而对其他业务按照尽力而为方式对待；在蜂窝网络中，还可以通过提前预约的方法来确保资源的可用性和提高切换的平滑性。此外，基于用户、应用和系统的特征将自适应性划分为多个层次，因为自适应的改变通常由用户或系统发起，并由应用和系统执行。

3.4　情景意识(Context Aware)能力

　　资源管理与情景意识能力紧密相关，因为识别可用的资源对于异质系统中的资源管理非常重要。情景是指“代理周围的整个环境以及代理内部的状态”，也可以将它定义为影响用户行为的环境要素。情景意识能力包括：当用户移动时在系统之间转移必要的数据，用户可改变应用接口来获取与位置相关的信息，用户可随时搜索附近的网络打印机以及采用节省功耗的传输调度等。情景不仅依赖于用户的位置，且与用户周围的环境相关(包括可用的资源、天气、噪声和交通状况等)。另外，在决定业务可以获得的QoS时需要考虑网络的连接、通信的费用、链路的带宽和用户的位置等因素，这些因素将影响数据的交互、端系统的选用以及用户的喜好。例如，当网络带宽允许时可以使用PDA传输多媒体业务，而在网络负载较重时只能提供数据报业务。与此同时，我们可以使用Mobile IP协议来提供位置透明性，通过隧道机制在新旧接入路由器之间转发分组来减少分组的丢失，并根据情景来选择最适合QoS要求的网络接口和协议。

3.5　其他需要考虑的问题

　　除了前面讨论的几个方面外，在移动环境管理QoS还需要考虑和解决以下问题：在考虑端系统和网络是异质性的情况下，如何为应用提供情景意识能力，并对网络的动态变化做出自适应性反应；基于情景意识的资源映射以及具有QoS意识的资源管理模型；使用各种过滤机制，包括延迟数据、拒绝数据流以及对数据进行分层或隔离处理；不仅需要在网络边缘进行允许控制和业务量整形，在移动网络内部也要实施相应的业务量工程以及需要快速建立资源预约的机制。此外，还需要定制新的与移动环境相关的QoS参数，如功率级别、新噪比(SIR)等；借鉴集成服务/RSVP和区分服务模型构建适合于移动网络环境的服务模型。现存的集成服务和区分服务模型中定义的服务类别都不支持移动性业务，为此需要定义两种新的服务类别：用于非自适应业务的移动相关本地确保服务(MDLG)和用于支持自适应业务的移动相关自适应业务(MDA)。

4、结束语

　　当前在固定和移动环境中，关于QoS保障的研究方面我们已经取得了大量的研究成果。但这些成果大都只考虑了某个方面的因素，适用于某种特殊的场合和环境。我们认为应将各种技术集成在一个通用和灵活的QoS管理框架之内，从而可以根据不同的场合选择合适的方法。然而，要在异质环境中实现这一目标，需要具有在用户接口层定义可感知QoS的能力，并且需要解决如何与底层网络交互和如何定制具有QoS意识的自适应应用。我们不应将移动系统中的QoS问题隔离起来考虑，而应将它与固定网络相联系从整体上考虑，从而使应用和网络结构适应各种环境。