WiMAX接入技術(shù)在IPTV系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

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(shí)時調(diào)度(DLRTS)算法，該算法的主要目的在于降低實(shí)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(shí)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

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(shí)時性和交互性要求，同時對網(wǎng)絡(luò)帶寬提出更高的要求。現(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(xiàng)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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。