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摘要：基于网络的遥操作对QoS提出了很高的要求，本文根据对面向遥操作的QoS的研究，分析了QoS对遥操作的影响，利用QoS参数比较了TCP和UDP协议作为网络遥操作中传输协议的优缺点，得出了UDP协议是一种具有实时性，满足系统需求的更佳协议的结论。
关键词：遥操作；QoS；协议；UDP
中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 10-0000-02
QoS Research for Tele-operation
Liu Chang
(Shenzhen Public Security Frontier Detachment,Shenzhen518000,China)
Abstract:Web-based tele-operation of a very high QoS requirements,this paper based on the QoS for tele-operation of research,analysis of the impact of QoS on remote operation,the use of QoS parameters between the TCP and UDP protocols as a network remote operation advantages and disadvantages of transport protocol,UDP protocol is obtained with real-time,to meet the system requirements better agreement concluded.
Keywords:Tele-operation;QoS;Agreement;UDP
一、QoS定义
由于网络作为中间媒体，使得遥操作的触角延伸至世界各地，但网络的不确定性也增加了遥操作本身的难度。网络遥操作任务除满足稳定性条件之外，还有它的性能需求，透明性、同步性以及主从位置跟踪误差为最常用的三个衡量指标；遥操作中，稳定性及操作性能与网络状况关系密切。
图1中表示了一个发送机、节点中一系列网络和接收机组成了一个包交换网络。在双向力反馈遥操作中，主端和从端分别对应发送机和接收机，并且分布在网络的终端。为了评估网络参数对遥操作系统的影响，从使用者角度考虑描述网络性能的参数，认为如下四个参数：时延T，振荡J，带宽w，包丢失p，能够从QoS模型的角度描述网络性能。为了对任意双向力反馈遥操作系统的数据传输建立需求，所有的效果必须被参数化。本章从一个相对的角度，对已经提出的遥操作系统性能需求的参数的合适性进行验证，重点放在双向力反馈遥操作上。
图1.带QoS模型参数的遥操作系统框图
Fig.1.Teleoperation system with QoS model parameters
据此，定义一个面向遥操作的网络服务质量（COQoS）的表达式为：
（1）
认为一个遥操作任务的QoS是和上述四个参数相关的，特定的任务有不同的QoS量化需求，需要在实际操作中进行参数标定。下面主要针对最广泛使用也是最不稳定的Internet网络进行分析。
二、时间延迟
在Internet等包交换网络上进行数据传输，总延迟可写成下式：
（2）
表示交换机中的排队延迟、 为处理延迟和 为传输延迟以及 为链路上的吞吐延迟。排队延迟定义为一个包在交换机的缓冲中等待传输进入下一段链路的时间，因此它的值和网络负荷有关。传输延迟依赖于和光速度有关的物理距离。所有的延迟组成了总的通讯延迟，其中排队延迟占了主要部分。
图2.时延分别为0.8秒和2秒时的Bode图
Fig.2.Bode diagram with time delay 0.8 and 2 second respectively
QoS参数时延代表了一个包从发送机到接收机传输的平均时间。在遥操作架构中，延迟能导致系统不稳定。如图2所示，带“*”的曲线表示时延系统，随着时延的增长，系统的幅值裕度和相位裕度都降低。这意味着当时延存在时，为得到和无时延相同的裕度，需降低整个系统的增益。通过降低系统增益，幅值曲线移向左侧，降低了剪切频率同时减少了系统带宽。如果延迟足够的小，获得的裕度能够维持系统的稳定性，传统的不针对时延的控制方法就能满足需求。但如果延迟较大，裕度将变得太小，甚至为负导致系统失稳。
由于遥操作架构的变化，没有通用的最小需求的公式可以给出。通常一个最大传输延迟T=1秒被认为是主从遥操作结构中可操作性的参考。为了更好的估计最大可忍受延迟Tmax，需要针对特定的遥操作系统架构、操作模式和任务。因此如果超过了最大值，T>Tmax，此时一个安全维护规则是必须的：或者结构需要变化，或者在从端需要更大的智能或者自主性，或者紧急停止也是需要的。
为了使延迟尽可能的小，通讯协议的选择很重要。依据OSI（开放式系统互联）模型，UDP和TCP是传输层的两个协议。UDP认为提供不可靠的服务，相对复杂的TCP提供可靠的数据传输。由于TCP依据网络阻塞情况调整传输速率以及它固有的重传机制，使得延迟较大。这是UDP在时延这点上优于TCP的原因。图3、4分别显示了检测到的网络阻塞情况下TCP、UDP协议的环路延迟测试结果，实验在一个典型工作日的下午进行。主端和从端都位于哈尔滨市内，两端相距大约4公里。数据包的发送周期为100毫秒，数据包大小32字节。从图中可看出，使用TCP协议时，延迟变化显著，从最小值0毫秒到最大的530毫秒。平均延迟为228毫秒，延迟的标准偏差为67.54毫秒，测试时间持续300秒。图4是UDP协议的结果，从图中可以看出，相对于TCP协议，波动明显减小，从最小值的0毫秒到120毫秒，平均延迟为2毫秒，标准偏差小于4.86毫秒。尽管测试时间仅持续了600秒，但这种趋势是显而易见的。Saghir在法国和美国之间进行了类似的测试，得到了相同的结论。从TCP和UDP协议的比较结果可知，在相同情况下，使用UDP协议环路延迟很小，波动也小。因此UDP协议可以更好的维持控制波形采样速率的一致性，这种一致性确保了它更适合应用于实时控制当中。
图3.TCP协议的环路延迟测试 图4.UDP协议的环路延迟测试
Fig.3.Round trip time of TCP Fig.4.Round trip time of UDP
延迟是可操作性方面的一个重要参数，其它参数都有一些智能或有效算法能够在终端系统之间消除一些对应的现象。不幸的是，这种机制对延迟不适用。因此对QoS通讯网络的主要焦点在于通讯延迟的控制上。
三、延迟振荡
端到端延迟的重要组成部分为存在于网络设备中的随机排队延迟。由于网络中的这些变化延迟，从源端包的产生到它被接收之间的时间是变化的，而且包与包之间存在差异；这种现象称之为振荡。它依赖于网络设备缓冲的变化长度，这和网络负荷以及排队规则的使用有关。假设，端到端延迟为 ，振荡J代表变化的最大值，如图2-6所示。如果最大振荡小于D/A转换器选通脉冲的带宽半值，振荡对信号没有影响，但通常它大于此值。这种现象引起的变形将高频噪声引入系统，可能使系统不稳定。如图6（a）和（b）所示，性能降低明显；实线为主端位置，虚线为从端位置，不同的主端信号频率下有差别，（a）图采用的频率为1rad/sec幅值为1的正弦信号，（b）图采用5rad/sec的相同信号。系统能够容忍一定程度的随机噪音，但此振荡值需要评估确定。由于其随机的特性，考虑最坏的情况，假设最大转换速率信号 经历最大振荡J，因此随机振荡引起噪音的最大幅值为
（3）
此时在高频和高幅值的信号出现了最大转换速率xmax。因此随着信号带宽的增长，振荡的影响增加，图6（a）和（b）证明了此点。
图5.系统中时间延迟
Fig.5.Time delay in system
（a） （b）
图6.主手位置（solid）和从手位置（dashed）以及偏移（dotted）
Fig.6.Master position（solid），slave position（dashed）and shift（dotted）
因此信号变形以及相应的性能负面效果的增加都和振荡值增加有关，需要将振荡移除。如下机制被用于在音频应用中消除振荡：如在Internet电话中，在包的头部加上序列号及时间戳，延迟播放等。在包产生于固定间隔的情况下，增加的序列号和延迟播放足以解决问题。如果播放被延迟至少2J，完全移除振荡是可能的。最坏的情况是第一个采样数据在T1-J的时候到达，第二个采样数据在T1+J到达。考虑在接收端的缓冲中有n个采样数据且采样时间为TA，则平均时延值T1增加到
（4）
因此为消除振荡，端端延迟和振荡之间需要有所折中。
另一种方法为引入可重构滤波器，以消除振荡的不稳定效应。为了降低振荡的破环性影响，还有一种方法为信号的带宽限制，但即使系统通过此方法得到了稳定性，性能也显著降低。由于传输信号带宽受到子系统最小值的限制，因此由振荡引起的最大传输速率和最大噪音幅值的最坏估计是可能的。与延迟相同，最大允许噪音幅值依赖于特定的遥操作系统架构、操作模式和任务。
四、带宽
链路带宽定义为在链路上数据通过的速率。考虑网络中的路径，路径上具有最小带宽的链路对终端系统之间的带宽有决定性。如果路径上所有链路发送同样数量的带宽，最大的效率可以得到。通常一些主机共享一个链路的物理带宽，因此它们不仅受到链路的物理传输质量的影响，而且还受到共享带宽的主机数量的影响。
遥操作作为一种带宽敏感的应用。例如考虑力觉临场感的情况，一旦传输速率降到信号编码率以下，实时能力和稳定性以及性能都会受到威胁；此时要求转向另一种操作模式或者紧急停止。需要的网络带宽依赖于位置和力信号的大小以及传输速率，还包括使用的协议类型。假设有N位的精度需求，采样速率为 ，每个包前面加上M位协议负载，依据自由度的需要包含了l个采样，每个采样发送一次，则传输速率至少为
（5）
是需要的。通常这仍然低于现今普通网络设备的应用指标，因此从网络的观点看这不是一个严重的问题。
可是临场感通常是视频、音频和力反馈的集合。对实时视音频的传输要求远高于力反馈。相应的，经常要求调整数据质量以适应带宽需求。因此流中力、视频和音频数据的传输对高带宽有高的要求。在流中接收所有信号的好处在于视频、音频和力信号能及时到达。操作者的性能高度依赖于不同模态信号的及时到达。如果一些数据发生滞后，某种性能就会丧失。力和其他数据的滞后不应超过一个限度。
为了确保力数据传输的带宽尽可能的小，协议负荷通常占一大部分，需要对其进行比较。TCP的复杂功能使得它相对UDP有大的负荷；这也是选择UDP的一个原因。
五、包丢失
超过网络承受能力使得网络设备丢弃数据包称为包丢失。这个参数依赖于网络负荷以及网络节点中使用的排队机制。通常更多使用的参数为包丢失率，标识了包丢失的概率。一般认为单个或少数包丢失不会改变人的力感觉，也不会使系统不稳定。图7为隔一个包的丢失实验，也就是50%包的丢失仍旧显示满意的结果。单个包的丢失类似于采样速率的暂时降低。只要有足够范围的满足质量要求的信号，就不会有安全问题存在；因此单个包丢失的上限由香农定理给出。
(a) （b）
图7.发生包丢失的主（solid）、从（dashed）位置
Fig.7.Master（solid）and slave（dashed）position when package losses
相对于单个包丢失更严重的问题在于流中连续包的丢失，如图7（b）所示。此时，信号的阶跃可能出现，也许引起系统出现高频振荡从而使系统不稳定。这种现象的出现源于网络设备中的丢包算法。包丢失分布的描述特点可以描述为连续包丢失的最大值或者描述为成组数据。依据给定的结构，操作模式和任务可决定上限值。如果此条件被违背，就需要转向另一种模式。
为了防止包丢失，可能解决方案为使用TCP协议，此时包丢失时，接收机发出重发请求。相对于UDP来说，包丢失在TCP中导致一个大的延迟，因此必须在包丢失率参数和时延之间有一个抉择。通常的讲，时延问题的重要性大于包丢失。更远的讲，包丢失的问题可以通过信息的冗余发射加以解决，以及前向错误检测算法（FEC）。因此，UDP同样在此参数上占有优势。
六、小结
本文提出了面向遥操作的网络服务质量的概念，并分析了设定的QoS四个参数时延、时延振荡、带宽、丢包对遥操作系统的影响；以Internet传输层协议TCP和UDP协议为例，利用QoS参数比较了它们作为网络遥操作中传输协议的优缺点，得出了UDP协议是一种具有实时性，满足系统需求的更佳协议的结论。
参考文献：
[1]J.Kurose and K.Ross.Computer Networking.Addison-Wesley,2001
[2]闫继宏.基于Internet多机器人遥操作系统及其协调控制的研究[J].哈尔滨工业大学博士学位论文,2005
[3]Munir,S.,Book,W.J.Wave-Based Teleoperation with Prediction.American Control Conference.Volume 6,2001,4605-4611
[4]Riko Safaric,Karel Jezernik,D.W.Calkin,R.M.Parkin.Telerobot Control via Internet.ISIE’99 bled,Slovenia:298-303
关键词：遥操作；QoS；协议；UDP
中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 10-0000-02
QoS Research for Tele-operation
Liu Chang
(Shenzhen Public Security Frontier Detachment,Shenzhen518000,China)
Abstract:Web-based tele-operation of a very high QoS requirements,this paper based on the QoS for tele-operation of research,analysis of the impact of QoS on remote operation,the use of QoS parameters between the TCP and UDP protocols as a network remote operation advantages and disadvantages of transport protocol,UDP protocol is obtained with real-time,to meet the system requirements better agreement concluded.
Keywords:Tele-operation;QoS;Agreement;UDP
一、QoS定义
由于网络作为中间媒体，使得遥操作的触角延伸至世界各地，但网络的不确定性也增加了遥操作本身的难度。网络遥操作任务除满足稳定性条件之外，还有它的性能需求，透明性、同步性以及主从位置跟踪误差为最常用的三个衡量指标；遥操作中，稳定性及操作性能与网络状况关系密切。
图1中表示了一个发送机、节点中一系列网络和接收机组成了一个包交换网络。在双向力反馈遥操作中，主端和从端分别对应发送机和接收机，并且分布在网络的终端。为了评估网络参数对遥操作系统的影响，从使用者角度考虑描述网络性能的参数，认为如下四个参数：时延T，振荡J，带宽w，包丢失p，能够从QoS模型的角度描述网络性能。为了对任意双向力反馈遥操作系统的数据传输建立需求，所有的效果必须被参数化。本章从一个相对的角度，对已经提出的遥操作系统性能需求的参数的合适性进行验证，重点放在双向力反馈遥操作上。
图1.带QoS模型参数的遥操作系统框图
Fig.1.Teleoperation system with QoS model parameters
据此，定义一个面向遥操作的网络服务质量（COQoS）的表达式为：
（1）
认为一个遥操作任务的QoS是和上述四个参数相关的，特定的任务有不同的QoS量化需求，需要在实际操作中进行参数标定。下面主要针对最广泛使用也是最不稳定的Internet网络进行分析。
二、时间延迟
在Internet等包交换网络上进行数据传输，总延迟可写成下式：
（2）
表示交换机中的排队延迟、 为处理延迟和 为传输延迟以及 为链路上的吞吐延迟。排队延迟定义为一个包在交换机的缓冲中等待传输进入下一段链路的时间，因此它的值和网络负荷有关。传输延迟依赖于和光速度有关的物理距离。所有的延迟组成了总的通讯延迟，其中排队延迟占了主要部分。
图2.时延分别为0.8秒和2秒时的Bode图
Fig.2.Bode diagram with time delay 0.8 and 2 second respectively
QoS参数时延代表了一个包从发送机到接收机传输的平均时间。在遥操作架构中，延迟能导致系统不稳定。如图2所示，带“*”的曲线表示时延系统，随着时延的增长，系统的幅值裕度和相位裕度都降低。这意味着当时延存在时，为得到和无时延相同的裕度，需降低整个系统的增益。通过降低系统增益，幅值曲线移向左侧，降低了剪切频率同时减少了系统带宽。如果延迟足够的小，获得的裕度能够维持系统的稳定性，传统的不针对时延的控制方法就能满足需求。但如果延迟较大，裕度将变得太小，甚至为负导致系统失稳。
由于遥操作架构的变化，没有通用的最小需求的公式可以给出。通常一个最大传输延迟T=1秒被认为是主从遥操作结构中可操作性的参考。为了更好的估计最大可忍受延迟Tmax，需要针对特定的遥操作系统架构、操作模式和任务。因此如果超过了最大值，T>Tmax，此时一个安全维护规则是必须的：或者结构需要变化，或者在从端需要更大的智能或者自主性，或者紧急停止也是需要的。
为了使延迟尽可能的小，通讯协议的选择很重要。依据OSI（开放式系统互联）模型，UDP和TCP是传输层的两个协议。UDP认为提供不可靠的服务，相对复杂的TCP提供可靠的数据传输。由于TCP依据网络阻塞情况调整传输速率以及它固有的重传机制，使得延迟较大。这是UDP在时延这点上优于TCP的原因。图3、4分别显示了检测到的网络阻塞情况下TCP、UDP协议的环路延迟测试结果，实验在一个典型工作日的下午进行。主端和从端都位于哈尔滨市内，两端相距大约4公里。数据包的发送周期为100毫秒，数据包大小32字节。从图中可看出，使用TCP协议时，延迟变化显著，从最小值0毫秒到最大的530毫秒。平均延迟为228毫秒，延迟的标准偏差为67.54毫秒，测试时间持续300秒。图4是UDP协议的结果，从图中可以看出，相对于TCP协议，波动明显减小，从最小值的0毫秒到120毫秒，平均延迟为2毫秒，标准偏差小于4.86毫秒。尽管测试时间仅持续了600秒，但这种趋势是显而易见的。Saghir在法国和美国之间进行了类似的测试，得到了相同的结论。从TCP和UDP协议的比较结果可知，在相同情况下，使用UDP协议环路延迟很小，波动也小。因此UDP协议可以更好的维持控制波形采样速率的一致性，这种一致性确保了它更适合应用于实时控制当中。
图3.TCP协议的环路延迟测试 图4.UDP协议的环路延迟测试
Fig.3.Round trip time of TCP Fig.4.Round trip time of UDP
延迟是可操作性方面的一个重要参数，其它参数都有一些智能或有效算法能够在终端系统之间消除一些对应的现象。不幸的是，这种机制对延迟不适用。因此对QoS通讯网络的主要焦点在于通讯延迟的控制上。
三、延迟振荡
端到端延迟的重要组成部分为存在于网络设备中的随机排队延迟。由于网络中的这些变化延迟，从源端包的产生到它被接收之间的时间是变化的，而且包与包之间存在差异；这种现象称之为振荡。它依赖于网络设备缓冲的变化长度，这和网络负荷以及排队规则的使用有关。假设，端到端延迟为 ，振荡J代表变化的最大值，如图2-6所示。如果最大振荡小于D/A转换器选通脉冲的带宽半值，振荡对信号没有影响，但通常它大于此值。这种现象引起的变形将高频噪声引入系统，可能使系统不稳定。如图6（a）和（b）所示，性能降低明显；实线为主端位置，虚线为从端位置，不同的主端信号频率下有差别，（a）图采用的频率为1rad/sec幅值为1的正弦信号，（b）图采用5rad/sec的相同信号。系统能够容忍一定程度的随机噪音，但此振荡值需要评估确定。由于其随机的特性，考虑最坏的情况，假设最大转换速率信号 经历最大振荡J，因此随机振荡引起噪音的最大幅值为
（3）
此时在高频和高幅值的信号出现了最大转换速率xmax。因此随着信号带宽的增长，振荡的影响增加，图6（a）和（b）证明了此点。
图5.系统中时间延迟
Fig.5.Time delay in system
（a） （b）
图6.主手位置（solid）和从手位置（dashed）以及偏移（dotted）
Fig.6.Master position（solid），slave position（dashed）and shift（dotted）
因此信号变形以及相应的性能负面效果的增加都和振荡值增加有关，需要将振荡移除。如下机制被用于在音频应用中消除振荡：如在Internet电话中，在包的头部加上序列号及时间戳，延迟播放等。在包产生于固定间隔的情况下，增加的序列号和延迟播放足以解决问题。如果播放被延迟至少2J，完全移除振荡是可能的。最坏的情况是第一个采样数据在T1-J的时候到达，第二个采样数据在T1+J到达。考虑在接收端的缓冲中有n个采样数据且采样时间为TA，则平均时延值T1增加到
（4）
因此为消除振荡，端端延迟和振荡之间需要有所折中。
另一种方法为引入可重构滤波器，以消除振荡的不稳定效应。为了降低振荡的破环性影响，还有一种方法为信号的带宽限制，但即使系统通过此方法得到了稳定性，性能也显著降低。由于传输信号带宽受到子系统最小值的限制，因此由振荡引起的最大传输速率和最大噪音幅值的最坏估计是可能的。与延迟相同，最大允许噪音幅值依赖于特定的遥操作系统架构、操作模式和任务。
四、带宽
链路带宽定义为在链路上数据通过的速率。考虑网络中的路径，路径上具有最小带宽的链路对终端系统之间的带宽有决定性。如果路径上所有链路发送同样数量的带宽，最大的效率可以得到。通常一些主机共享一个链路的物理带宽，因此它们不仅受到链路的物理传输质量的影响，而且还受到共享带宽的主机数量的影响。
遥操作作为一种带宽敏感的应用。例如考虑力觉临场感的情况，一旦传输速率降到信号编码率以下，实时能力和稳定性以及性能都会受到威胁；此时要求转向另一种操作模式或者紧急停止。需要的网络带宽依赖于位置和力信号的大小以及传输速率，还包括使用的协议类型。假设有N位的精度需求，采样速率为 ，每个包前面加上M位协议负载，依据自由度的需要包含了l个采样，每个采样发送一次，则传输速率至少为
（5）
是需要的。通常这仍然低于现今普通网络设备的应用指标，因此从网络的观点看这不是一个严重的问题。
可是临场感通常是视频、音频和力反馈的集合。对实时视音频的传输要求远高于力反馈。相应的，经常要求调整数据质量以适应带宽需求。因此流中力、视频和音频数据的传输对高带宽有高的要求。在流中接收所有信号的好处在于视频、音频和力信号能及时到达。操作者的性能高度依赖于不同模态信号的及时到达。如果一些数据发生滞后，某种性能就会丧失。力和其他数据的滞后不应超过一个限度。
为了确保力数据传输的带宽尽可能的小，协议负荷通常占一大部分，需要对其进行比较。TCP的复杂功能使得它相对UDP有大的负荷；这也是选择UDP的一个原因。
五、包丢失
超过网络承受能力使得网络设备丢弃数据包称为包丢失。这个参数依赖于网络负荷以及网络节点中使用的排队机制。通常更多使用的参数为包丢失率，标识了包丢失的概率。一般认为单个或少数包丢失不会改变人的力感觉，也不会使系统不稳定。图7为隔一个包的丢失实验，也就是50%包的丢失仍旧显示满意的结果。单个包的丢失类似于采样速率的暂时降低。只要有足够范围的满足质量要求的信号，就不会有安全问题存在；因此单个包丢失的上限由香农定理给出。
(a) （b）
图7.发生包丢失的主（solid）、从（dashed）位置
Fig.7.Master（solid）and slave（dashed）position when package losses
相对于单个包丢失更严重的问题在于流中连续包的丢失，如图7（b）所示。此时，信号的阶跃可能出现，也许引起系统出现高频振荡从而使系统不稳定。这种现象的出现源于网络设备中的丢包算法。包丢失分布的描述特点可以描述为连续包丢失的最大值或者描述为成组数据。依据给定的结构，操作模式和任务可决定上限值。如果此条件被违背，就需要转向另一种模式。
为了防止包丢失，可能解决方案为使用TCP协议，此时包丢失时，接收机发出重发请求。相对于UDP来说，包丢失在TCP中导致一个大的延迟，因此必须在包丢失率参数和时延之间有一个抉择。通常的讲，时延问题的重要性大于包丢失。更远的讲，包丢失的问题可以通过信息的冗余发射加以解决，以及前向错误检测算法（FEC）。因此，UDP同样在此参数上占有优势。
六、小结
本文提出了面向遥操作的网络服务质量的概念，并分析了设定的QoS四个参数时延、时延振荡、带宽、丢包对遥操作系统的影响；以Internet传输层协议TCP和UDP协议为例，利用QoS参数比较了它们作为网络遥操作中传输协议的优缺点，得出了UDP协议是一种具有实时性，满足系统需求的更佳协议的结论。
参考文献：
[1]J.Kurose and K.Ross.Computer Networking.Addison-Wesley,2001
[2]闫继宏.基于Internet多机器人遥操作系统及其协调控制的研究[J].哈尔滨工业大学博士学位论文,2005
[3]Munir,S.,Book,W.J.Wave-Based Teleoperation with Prediction.American Control Conference.Volume 6,2001,4605-4611
[4]Riko Safaric,Karel Jezernik,D.W.Calkin,R.M.Parkin.Telerobot Control via Internet.ISIE’99 bled,Slovenia:298-303