为分布式触觉虚拟环境中的网络节点提供QoS

抽象的

触觉信息来自不同的人类感觉（触摸），因此支持触觉流量所需的服务质量（QoS）与用于支持语音或视频等传统实时流量的诸如用于支持传统实时流量的服务质量显着不同。每种类型的网络障碍都有不同的（和严重）对用户触觉体验的影响。对于触觉交互，没有具体提供QoS参数。以前的研究进入分布式触觉虚拟环境（DHVES）集中在同步位置（触觉设备或虚拟对象），并且基于客户端 - 服务器架构。我们提出了一种新的点对点DHVE架构，进一步扩展该架构，以使两个用户之间的力相互作用，其中除了位置信息之外还将力数据发送到远程对等体。提出的工作涉及模拟和实际实验，其中多模式数据通过QoS的IP网络传输。两种形式的实验都产生一致的结果，表明使用特定的QoS类用于触觉流量将减少网络延迟和抖动，导致用户对这些类型的应用程序的触觉体验的改进。

1.导言

最近有兴趣在互联网上传送多模式资讯[1，特别是触觉信息的传递[2，3.触觉是指触觉和力的反馈，来自希腊语“haptikos”掌握、触摸. 遥触觉涉及网络连接上的远程触觉操作。触觉（即反射力）的引入是指对热、压力、力或振动等事件的感知动觉感知。本文研究了除了视觉和听觉信息之外，还涉及触觉设备的新型分布式应用程序如何在互联网上传输。具体来说，它考虑了一类新兴的应用程序，使用户能够与虚拟环境进行触觉交互。

根据定义，虚拟环境(VE)是为用户提供在真实世界中进行操作的错觉的空间。然而，除了音频和视觉信息，触觉反馈(触觉)的提供可以极大地改善我们与虚拟环境的交互方式。支持触觉设备和虚拟环境之间接口的系统称为触觉虚拟环境(HVEs)。HVE的用途包括军事和太空探索;触觉也能让盲人在虚拟环境中相互交流。HVE模式包括图形(可能还有视频)、声音和力。最近的研究(2，3.已经表明，在与HVE相互作用的情况下具有满足的经验，需要将图形和触觉更新率分别保持在大约30Hz和1kHz。在用于远程协作的分布式HUS（DHVE）中，触觉设备与虚拟环境分开并远程影响和操纵它。在DHVE中，一个或多个用户可以与虚拟环境交互，并且可能与其他用户使用触觉设备。用户可能轮流在协作环境中操纵虚拟对象，或者可以同时修改与协作环境中的相同对象[4]．

今天大多数触觉应用都是独立的系统。然而，显然，在诸如互联网上的普遍访问媒体上提供分布式触觉应用的能力将大大提高其轮廓到更广泛的用户。通常，在DHV系统中的主机之间交换不同类型的数据（例如，图形，音频，位置信息和反射力）。然而，为了产生有用的性能，触觉应用需要在小而保证时间尺寸内的反馈，以实现稳定的触觉相互作用。很明显，当前IP网络提供的最佳努力服务不足以满足分布式触觉应用的需求。为了用触觉设备成功进行交互，触觉应用程序需要从网络的严格服务质量（QoS）。诸如时间延迟，数据包抖动和数据包丢失等损伤，每个障碍对远程触觉协作有所不同（和严重）。这会产生重大挑战，但也为新应用和新网络架构开辟了巨大的潜力。因此，DHVES中有效传输DHVES中的触觉数据是一个新的研究区，它对底层网络呈现了许多挑战。将某些级别的优先级服务赋予下一代互联网的方法导致开发新的网络架构，为不同类型的流量提供不同的服务质量（QoS）级别。 The most prominent QoS architectures and protocols that are now recommended by the IETF include: RSVP, DiffServ, and MPLS [5- - - - - -7]．然而，这些设备的设计初衷是支持语音和视频等实时服务的传输。为多感觉通信和有效的人机交互提供高(或特定)QoS的问题到目前为止还没有得到解决。

由于触觉来源于不同的人类感知(触觉)，因此支持触觉流量所需的QoS与支持语音、视频等传统实时流量的QoS有很大的不同。到目前为止，很少或没有尝试量化或限定dhve的QoS要求。每一个网络损伤都会以特定的方式影响力反馈感。例如，相当大的网络延迟可能会让用户觉得虚拟对象更重。随后，用户尝试用更大的力推动虚拟物体。延迟还会使虚拟环境的不同副本不同步。抖动会让用户感觉到物体的质量是可变的，也会使系统不稳定。丢包可以降低用户感受到的力量。以前的工作(8，9]表明，触觉的带宽在500赫兹到1 KHz之间，用户可以容忍大约30毫秒的端到端延迟，而对力的感知能力不会有太大的下降。然而随后的审判[2建立了它们对网络抖动更敏感;在3毫秒后，所有用户都注意到力印模的显着降低，通常以虚拟物体表面的DHVE或振荡中的不稳定性的形式。通过使用播放或“抖动缓冲器”，可以在实时语音和视频应用中减少分组抖动的效果;这种方法也可以用于触觉流量，但在这种情况下，它也可以显着增加DHVE应用所经历的延迟;随后需要定义抖动缓冲器的最佳长度，而不会影响感知触摸相互作用的质量。因此，减少网络延迟的技术将使与DHVE相互作用的整体质量有益。作者最近的研究表明，随着网络诱导的分组延迟和分组抖动分别增加超过115毫秒和11毫秒的分组抖动劣化10.]．人们认识到，多媒体业务的性能可以通过使用QoS体系结构来降低这些网络损害[11.]，因此可以预期基于dhve的应用程序的性能也可以通过应用QoS机制得到提高。本文的工作是对提供特定网络QoS(如Diffserv [5]）对于触觉交通。

2.相关研究

已经开发了许多专门用于虚拟环境中协作的系统，包括DIVE、CALVIN和COVEN[12.]．eraslan [13.和Yu etal。［14.研究潜水应用程序在不同排队规则下的最大努力和差异化服务网络中的行为。在该工作中，部署了一种支持IPv6 (VESIR-6)网络多用户交互的虚拟环境(virtual environment)。对丢包、时延等网络质量问题进行了实验研究。其结果是IPv6为实时分布式交换机提供了高质量的网络基础设施。埃里森(15.]考虑不同数量的模拟恒定延迟对简单协作触觉任务的性能的影响。任务是用触觉反馈进行的，或与视觉反馈结合使用。需要对受试者尽可能快地提取虚拟线性串，同时在其最终效应器和合作者的目标模拟弹簧力之间进行拉动。在他们的实验中，他们纳入了TIDEC [16.]为了减少网络延迟的影响。TiDeC是一种基于人体运动预测的专有延时补偿系统。这确实减少了恒定延迟的影响，但是它既不考虑数据包丢失，也不能很好地处理大级别的网络抖动。当延迟增加时，会导致性能下降，或者偏离目标弹簧力，或者增加完成任务的时间。对TiDeC的性能进行了研究，并与其他时间补偿技术（即航位推算）进行了比较，一些结果发表在[17.]．托莱勒[18.]描述了他们最近的工作，UDP通过以太网作为远程计算机和定制嵌入式控制器之间的通信通道，为手指3自由度力反馈触觉接口(3-DOF ministick)。杰伊(19[描述了一个实验，以模拟共享协作环境的两个连接的同行延迟的效果。尽管不考虑QoS，但他们的实验表明，人类相互作用的潜伏期的后果可以复杂，可以根据模态和运动类型变化。实验中的参与者显然能够感知延迟的影响，并评定任务的难度和反馈的中断，以延迟高于50毫秒的延迟水平的每一个增量持续更高。

一些研究人员试图表征使用触觉的医疗应用所需的网络参数。在 [20.据报道，使用触觉自动握手的良好用户体验要求:128kbps带宽、丢包<10%、延迟<20毫秒和抖动<1毫秒。相反，为了实现良好的用户感知远程立体声观看要求:带宽40 Mbps，丢包<0.01%，延迟<100毫秒，对抖动不敏感。Jeffay [1和哈德逊[21]研究支持分布式虚拟环境（DVEs）应用程序生成的连续数据的问题。他们使用纳米计算机作为触觉设备，集成3D图形和力反馈，为扫描探针显微镜（SPM）提供虚拟环境接口。他们描述的实验考虑了延迟和延迟抖动对触觉力显示的影响。延迟力反馈不是呈现一个坚实、锐利、稳定的表面，而是导致柔软、糊状的表面，使得触觉的使用无效或不稳定。他们在路由器上进行了三种流量控制的实验：（i）先进先出（FIFO），（ii）随机早期检测（RED）和（iii）基于类的阈值（CBT）。使用CBT流控制实现了最佳QoS，丢包率为1.3%，平均延迟为28.4毫秒，平均TCP吞吐量为790 kBps。

西野等人[22]提出了一种新的分布式虚拟现实架构，在专用的长途国际网络上实现一个实用的系统。文中还介绍了利用韩日高速研究网络进行的初步实验，验证了该方法的有效性。他们的应用程序处理两个任务，一个是提升任务，另一个是握手。第一个任务可以达到可接受的完成率，延迟高达32毫秒，丢包高达53%，抖动高达60毫秒。第二种可以达到一个合理的性能，延迟高达13毫秒，包丢失高达40%，抖动高达25毫秒。他们的实验任务主要基于客户-服务器方法，图形更新必须在服务器端执行，这可能导致可伸缩性问题。畅(23[使用与对等共享虚拟环境的运动同步控件。当往返延迟小于300毫秒时，这种类型的控制可以有效。李[24]提出了一种媒体内同步方案，该方案根据网络延迟来调整触觉媒体的播放。他们的点对点架构描述了一种自适应控制，通过使用缓冲器来降低传输速率，传输速率控制基于缓冲器中触觉更新的数量。

没有提到的客户端服务器或对等架构考虑应用QoS来改进它们的性能。尽管之前的一些工作已经研究了特定通信链路上网络损伤对特定触觉应用程序的影响，但迄今为止，还没有尝试描述互联网QoS机制所需的水平，以便它能够为完整类别的触觉应用程序提供服务，也就是说，DHVEs。在[25]我们提出了对能够支持QoS的网络可以支持DHVE流量的调查。在这里，我们扩展了这项工作，以考虑如何部署特定的网络架构以提供DHVE，并随后随后这些体系结构所需的QoS。我们还考虑如何使用这些架构如何支持来自这些类型的应用程序的大量流量。我们的研究已经使用实验和仿真模型进行，以研究携带多式联运交通网络中触觉媒体所需的网络QoS特性。本文提出的工作的贡献是：（i）已经开发了新的点对点DHVE应用程序，以产生触觉流量[10.]，（ii）从分析流量，自定义OPNET PDF模型[3.]已经开发并用于模拟中，以便我们审查大规模的触觉流量，（iii）在使用和没有QoS的IP网络上运行的IP网络时，对多式联运系统中的触觉流量的行为进行检查，（iv）empirical investigation into the network parameters required for haptic traffic transmission over a QoS-enabled IP network, and subsequently (v) we provide recommendations to improve the transmission of haptic traffic by using Class-based weight fair queue (CBWFQ) and an implementation of Diffserv’s code point (DSCP) QoS mechanism. The major research objective is therefore to reduce haptic traffic delay and jitter in distributed multisensory environments. The challenge is to apply QoS to this type of traffic and ensure its effective transmission in real time. Finally, we conclude by stating our findings and future work.

3.分布式触觉虚拟环境架构

dhve支持多个触觉设备和多个虚拟环境之间的接口，不受地理限制。本文使用的力反馈装置是PHANToM桌面[26[来自SensAble Technologies Inc.。它用于操作移动的虚拟物体，并向用户提供来自虚拟环境的反馈。魅影桌面有16厘米的手臂工作区12厘米可在3个轴向提供高达3.3 N的力;力的计算基于弹簧阻尼器模型[26]．通过计算抵制触觉设备的触觉接口点(HIP)穿透虚拟物体表面的力来模拟与虚拟物体的接触。这种方法使用一个代理来转换HIP，并称为表面接触点(SCP)。幻影桌面的最大刚度为(N/m)，以允许真实的模拟接触墙壁和硬物。它可以在触觉协作动作中生成1000包/秒的位置和力数据。

dhve可能有两种操作模式。在合作模式下，用户轮流操作虚拟对象，而在合作模式下，他们可以同时修改虚拟对象[4]．特定DHVE可以仅用一个或两个模式操作。大多数协作（或合作）虚拟环境采用两个常见的网络分发架构之一：客户端 - 服务器或对等体。每个架构都有自己的具体优势和缺点。客户端 - 服务器体系结构提供客户端之间的一致性和同步，因为在集中式服务器中处理了模拟活动。此外，每个客户端的所需计算能力低于对等系统所需的计算能力。客户端 - 服务器方法的主要缺点是环境的本地视图仅在往返服务器之后更新，这可以赋予大量延迟。客户端 - 服务器架构也具有可伸缩性问题，因为客户端的数量增加，因此服务器上的负载可以指数增长。我们在我们的研究中使用点对点架构作为DHVE系统[10.]. 对等系统具有可扩展性和分散控制的优点，但是，不仅在网络对等点之间同步虚拟环境，而且在传输的部队之间同步也存在重大挑战[10.]．

3．1.DHVE流量的网络参数

网络QoS性能通常使用四个基本参数描述：（i）延迟：在发送数据包的时间和收到时的时间之间的差异。（ii）抖动：随着两个连续接收的IP数据包之间的平均时间测量延迟的统计方差。（iii）数据包丢失：表示未收到的数据包数量的百分比，发送到发送的数据包数量。（iv）吞吐量：可以在固定时间传输的数据包数。这些中的每一个都将特定的效果赋予用户在DHVE中的体验中。延迟使用户的设备在感受之前通过虚拟对象。这是因为远程虚拟对象的位置被延迟，使用户用更大的力推动虚拟对象。这降低了用户对“有效协作”的看法。延迟还会使虚拟环境的不同副本不同步。抖动使用户觉得虚拟对象的质量是可变的，并且可以使系统不稳定（例如，它可以在物体表面上产生振荡）。 Packet loss can reduce the amount of force felt by the user and changes the apparent weight of objects. The HIP is the representation of the haptic device cursor in the virtual environment, and packet loss can also result in loss of contact between the HIP and the virtual object. Packet loss can also cause abrupt force feedback. A minimum throughput is required for successful transmission of haptic traffic in distributed haptic application. Out-of-sequence packets cause abrupt movements (backwards or forwards) in DHVE applications.

低延迟的长距离实时传输是网络触觉应用的主要挑战。网络级QoS的目的是提供稳定的带宽、受控的抖动(即一致的延迟)以及改进的丢包。触觉业务的QoS参数值不同于传统的实时网络应用(如VOIP);例如，网络延迟>50毫秒会导致远程触觉交互的不稳定性。DHVE流需要考虑的网络特性包括连接的带宽、报文延迟、报文抖动和丢包。表格1展示DHVE触觉流量网络参数与其他类型网络服务的对比。很明显，与其他类型的流量相比，触觉媒体对延迟和抖动更敏感。

4.触觉协作中的位置和力相互作用的同步

位置同步是分布式共享虚拟环境中的主要挑战[29]．在点对点架构中，这变得更加具有挑战性，任何可以减少点之间的延迟和抖动的技术都可以提高同步，从而提高整体系统性能。在我们的点对点架构中，每个点都有自己的虚拟环境数据库副本。位置同步和部队协作均使用该网络体系结构实现。位置同步是通过发送位置差来实现的，位置差是由当前和以前的位置计算出来的。本地对等体位置的差异被传输到远程对等体，远程对等体将这个差异添加到其本地位置，以实现位置同步。当两个力同时推动一个虚拟物体时，它们的矢量和将决定虚拟物体的运动方向。如图所示1，反作用力与远程力的比例计算，虚拟对象内的幻像光标的深度，以及光标和虚拟对象之间的速度。在协作期间，如果局部和偏远力被施加到立方体的相对面，则它们互相抵消。相反，如果将局部和偏移力施加到立方体的同一面，则得到的力是局部力和遥控力的求和。

4.1。位置同步和力交互算法

数字2示出了时间事件图，示出了我们的算法如何实现位置同步和力计算。虚拟对象的下一个位置是本地位置和远程位置位移的求和。当本地幻影触摸虚拟对象时，本地虚拟对象的移动遵循本地力生成的速度，而无需添加远程箱位置位移。当本地幻像未触摸虚拟对象时，本地虚拟对象的总移动等于本地和远程位置位移的总和。在力操纵方面，当幻影触及局部对象时，总力是局部和偏远力的增加。相反，当局部幻影不接触局部物体时，本地站点的总力仅等于遥控力。当有两个力应用于单个虚拟对象时，得到的力是这些力的矢量求和。因此，虚拟对象的运动遵循所得力的动力。将本地对等体的位置，力和时间的差异发送到远程对等体，反之亦然。

已经进行了测试以评估该同步算法的性能。数字3.给出了一些能反映算法精度的结果。移动虚拟盒的x位置偏差是通过计算机a和计算机b两个网络对等点捕获虚拟立方体的x位置(实时)得到的3(一个)显示虚拟立方体的X位置轨迹。数字3 (b)表明每个对等体的x位置差异小于5mm差异，这非常低。此外，相关系数[30.，表示计算机A和B之间x位置的协方差为0.99760。这是为了证明是否有任何线性关系的两个x位置值在计算机A和B可以得到。线性关系增加时，相关为1;线性关系减少时，相关为1;独立相关时，相关为0。相关系数为1表示X-position值之间完全匹配。所有这些情况之间的其他值表明x位置值之间的线性依赖程度。因此，高值说明两个网络节点的x -位置轨迹非常接近，因此算法运行良好。

5.实验和模拟结构

数字4显示所采取的方法。首先在实验测试台上捕获来自DHVE应用程序的触觉流量，然后分析随后的流量模式。然后创建一个定制的PDF模型，用于网络仿真工具OPNET [3.]．然后开发了通过网络运行的DHVE应用程序的模拟模型。OPNET网络模型类似于实验试验床。PDF模型用于生成触觉应用程序流量以在模拟的DiffServ网络中运行。随后，获得了在DiffServ IP网络上运行触觉流量的影响。这种方法用于克服测试床的一些局限性。使用此，我们能够在没有限制物理资源的情况下模拟更大的DHVE环境。然而，模拟模型的限制是我们无法模拟用户的触觉感知，这是只能在真实环境中研究的东西。实验架构应用QoS机制（以基于类的WFQ形式），能够减少触觉流量的延迟，因此提高了用户的触觉体验。

5.1。实验架构

实验系统的目的是使我们能够在支持QoS的IP网络上生成触觉流量并研究网络QoS特征，以便在QoS的IP网络上进行触觉流量传输。我们使用Matlab Simulink，实时工作室V6.1，虚拟现实工具箱V4.0.1和来自Handshakevr的Presense Toolbox [16.来发展我们的实验系统。该实验体系结构具有可扩展性，目前的研究主要集中在2个用户上，并将在未来的工作中扩展到多用户。

5.1.1。实验系统设计

为了研究触觉业务的网络QoS特性，我们开发了一个基于对等网络架构的实验平台。不同的是，在我们的操作中，我们传输的是触觉接口点(HIP)位置、虚拟对象的位置、时间戳和网络节点之间的力向量。在图5， pc运行与虚拟现实环境和触觉渲染(例如工作站#1和工作站#2)。在这种情况下，使用的力反馈装置是PHANToM omni [26[来自SensAble Technologies Inc.。这用于操作移动的虚拟对象，并在HIP接触虚拟对象时向用户提供来自虚拟环境的力反馈。PHANToM Omni在触觉协作过程中生成1000包/s的位置和力数据。工作站通过火线接口与PHANToM Omni连接。通过以太网网络连接，触觉流量在工作站1和2之间流动。下一节将介绍基于此基本架构的完整DHVE网络架构。

5.1.2中。实验系统概述

在图6在美国，四台计算机通过一个瓶颈以太网连接在一起。千兆链路通过两台Cisco路由器A和b以10Mbps的有限带宽运行。实验硬件由触觉设备、主机和目标系统硬件、后台流量发生器硬件和网络设备组成。在测试台上，主机和目标系统在同一台PC(即pc1和pc2)上执行。31]被用作流量生成软件，也被用作流量捕获工具。

在操作中，PC 1和2正在运行DHVE MATLAB应用程序，PC 3和4功能作为瓶颈链路的后台流量发生器。平均背景流量设置是吞吐量10137 kbps，分组大小1460字节以及UDP协议。交换机，路由器A和B的每个接口中的缓冲区大小（发送器和接收器）为零。触觉流量与恒定的背景流量重量相比，给出了各种CBWFQ权重。数字7展示了Matlab触觉环境，该环境由一个虚拟环境工作空间组成，包括一个移动立方体、一个静态立方体和两个代表本地和远程幻影光标(HIPs)的球体。虚拟数据集的大小为．工作区边界每侧为7厘米。立方体被建模以模拟动态虚拟对象的质量，阻尼，形式，位置，速度和加速度。他们的物理性质是：，、阻尼系数,分别。

在图8，受试者能够感受到两个虚拟立方体，但无法感受到工作平台;每个对等体都有相同的虚拟环境，如图所示7．在图中间的蓝色立方体7可移动，而主题右侧的粉红色立方体是静态的。受试者能够通过使用两个幻像器件来推动移动的蓝色立方体，并感受虚拟立方体的势头，力和速度。此外，它们能够在一个或两个立方体上执行协作和合作任务。运行时，PC 1和PC 2的用户将3D立方体推动虚拟环境中的3D立方体（见图8每当髋关节触摸虚拟立方体时，在幻影时生成强制。该力数据与HIP和虚拟物体的位置一起从PC1传输到PC2，反之亦然。

以前关于分布式触觉环境的工作集中在同步位置（触觉设备或虚拟对象）上的同步[32]．这里介绍的点对点架构进一步扩展了这一点，以支持两个用户之间的强制交互。因此，除了位置信息外，力数据也被发送到远程对等体。由此，我们发现每个方向的触觉流量需要736 kbps。通过对流量时延和带宽分布的分析，开发了后续使用OPNET的PDF模型，并在网络模拟器中用于模拟触觉流量和其他多媒体流量源。

5.1.3。Haptic流量队列配置

在实验测试台上，使用Cisco系统的基于分类的权重公平队列(CBWFQ)对DHVE流量在路由器中进行分类和优先级排序[33]．CBWFQ是思科为其路由器平台提供的一种拥塞管理机制，是当今路由器中典型的QoS机制。OPNET中没有[34然而，建模环境，它基于类似于加权公平排队（WFQ）的按比例流体流量分组调度技术，并且CBWFQ和WFQ都为流量排队和带宽管理提供了类似的功能。CBWFQ通过允许用户定义WFQ中使用的类来扩展WFQ。类可以通过协议，访问控制列表（ACL），IP优先级或输入接口来确定。在其调度程序队列权重方面，每个类都可以分配不同的带宽保证。当它与其他流量一起接收时，这种方法可以更好地控制触觉流量。数字9显示在进入到路由器中的许多接口上应用于触觉流量数据包的处理;由于其类型，流量转发到特定界面，随后被分类和安排。优先级队列，只要它是非空间;然后将CBWFQ队列与其重量成比例地服务。当CBWFQ队列消耗任何保留带宽或变空时，然后服务最佳努力队列。

数字9显示图中所示的实验试验床中Cisco路由器A的输出端口（出口端口）的触觉和背景流量的队列设置6．触觉交通类的权重设置为0、1、5、10、15或30。在如图所示的仿真模型中，路由器A的出口接口也采用了类似的设置10.．在WFQ分类期间，语音和视频应用在不同的类中处理。背景流量类设置为最佳努力。为了改善背景流量负载下的触觉流量传输，触觉流量类的CBWFQ权重变为多样化。触觉类体重没有设置高于30，因为之后发现延迟几乎为零。这是因为CBWFQ为触觉流量保证了足够的带宽（应用程序中的736 kbps）。百分比背景流量以10 Mbps的比率计算。例如，10％的后台流量将从路由器A生成1 Mbps到路由器B.

5.2。DHVE仿真模型

目前的网络模拟器旨在模拟现有的流量类型，如语音，视频和数据流量，因此没有模型来表示触觉流量。由于没有能够代表OPNET中代表触觉流量的通用分布模型，因此创建了自定义概率密度函数（PDF）模型。该模型的细节呈现在[3.]．为了定制仿真触觉网络模型，从测试平台上获取经验的触觉流量，并进行分析，然后创建OPNET PDF模型。然后将其作为网络模拟中的流量应用。数字10.显示18台电脑连接两个交换机和路由器。为了研究WFQ对触觉流量的影响，两台路由器A和B通过10mbps链路相连。链路在路由器之间造成瓶颈;背景流量在路由器A上造成流量拥塞，从而允许在路由器A的出口实现WFQ，其他网络链路为100mbps。触觉域1,2被配置为运行一个自定义应用程序任务，该任务通过使用自定义OPNET PDF模型来模拟DHVE应用程序。多媒体流量包括运行视频、音频、FTP、Email、HTTP、数据库等应用的pc。在这种情况下，视频和音频被设置为流媒体流量。如图所示，系统在路由器A的输出接口启用了加权公平队列(WFQ)。WFQ将网络流量动态划分为单个流，并为每个流公平分配总带宽。与优先级队列不同，每个流都是根据它们的权重来服务的。 The weight assigned to haptic traffic is then increased in steps. Additionally, a low-latency queue (LLQ) provides a priority queue function which is equivalent to Diffserv’s “Expedited forwarding” (EF) queue.

6.实验和仿真结果

6．1.实验结果

如表所示2，由于流量拥塞耗尽了可用带宽，触觉流量有效吞吐量在97%-99%的后台流量负载时急剧下降。在95%-96%的后台负载下，有效流量吞吐量也显著降低。在高达90%的后台流量负载下，有效流量吞吐量维持在1000pps。综上所述，当后台负载超过90%时，每台DHVE机器的数据包有效吞吐量显著下降。从物理实验中可以观察到，在这些水平下，用户会在PHANToM中感受到振动，也会有较大的突然力反馈。在这一点上，触觉系统变得不稳定，幻影不能保持稳定的位置，因为它一直振动。这突出说明了DHVE应用程序需要的最小带宽。

数字11.展示了触觉流量分配时CBWFQ带宽权值分别为1、5、10、30的实验结果。结果表明，当给触觉业务较高的带宽时，分组传输延迟会降低。在图11.，当后台流量增加时，触觉流量的端到端延迟增加到200毫秒，并且触觉流量处于最佳处理状态。这意味着图中的路由器A6尚未设置任何QoS机制。当采用CBWFQ时，触觉流量的延迟减少了200毫秒（最佳努力），低于1毫秒（CBWFQ重量））在载荷95％的后台负载下。设置CBWFQ触觉重量在保证带宽为1 Mbps的情况下，与最佳效果相比，效果有了显著的改善，将CBWFQ的触觉权值设置为10和30，可以进一步减少延迟，如图所示。

6.2。仿真结果

本节调查了在图中路由器A的输出接口上启用了WFQ的触觉流量特性10.. 图形12.显示单个触觉，语音和视频流量的端到端延迟，在瓶颈链路上有45％的背景流量负载（10 Mbps）。组合的流量会使瓶颈链接利用率高达98％。数字12.表明，尽可能努力，触觉流量涉及近730毫秒的端到端延迟，这对于触觉操作完全不可接受。模拟结果如图所示13.是触觉，语音和视频流量流动的端到端延迟，具有不同的WFQ权重。通过改变流过路由器A的输出接口的所有其他流量（除触觉流量除外）的权重来获得结果。已经设置了音频和视频流量流动以实现低于100毫秒的端到端延迟（这是适用于音频和视频流应用程序）。WFQ权重来自最佳努力（WFQ）到WFQ体重．初始时，最优IP网络对触觉流量造成的端到端延迟为800毫秒;然而，通过为触觉流量引入优先服务分类，这种延迟得到了改善。可以看到，触觉流量的端到端时延从800毫秒(WFQ权重)下降)到1.14毫秒(WFQ重量)．在接口上启用LLQ (low-latency queue)后，延迟时间进一步减小到0.7毫秒。结果表明，WFQ的引入提高了触觉流量的QoS。

数字14.显示以太网层处触觉流量的吞吐量;它突出显示WFQ权重<9时吞吐量的降低。通过为触觉，语音和视频流量设置不同的WFQ权重来获得结果。触觉数据包是64个字节，在以太网层处成为92字节。因此，以太网层的总吞吐量是 Kbps. This is closely matched to the values in Figure14.．

数字15.显示了当瓶颈链路速率从10mbps降低到E1(2.048 Mbps)和/或T1(1.544 Mbps)时，接收到的触觉流量速率之间的关系。这显示了多个触觉网络流(多达10流)。如图所示，当有三个或更多的流时，接收到的触觉流量的速率会急剧降低，因为流量拥塞耗尽了这些流可用的带宽。为了使haptic应用程序保持850kbps的稳定网络吞吐量，远程haptic接收器接收大约1000包/s是很重要的。这反过来又有助于保持局部触觉反馈控制回路，从而消除不稳定性。T1链路性能较E1链路差，原因是E1链路带宽容量比T1链路大。综上所述，当有两个触觉流时，从每台DHVE机器接收到的包速率显著下降。从物理实验中可以观察到，在这些水平下，用户会在PHANToM中感受到振动，也会有较大的突然力反馈。

6.3。仿真与实验结果讨论

章节6．1和6．2分别给出了实验和仿真结果。虽然这两种方法都显示出可比较的结果，但仍有一些差异。当WFQ权重为9时，模拟触觉流量的端到端延迟减小到2毫秒左右。实验台的结果表明，当CBWFQ权重为1毫秒时，端到端时延下降到1毫秒．这是因为CBWFQ可以分配最小的带宽，其中触觉流量具有独占使用。因此，仿真模型与实验试验床相当，尽管它包含比实验试验床更多的交通源。因此，如果给定最小量的网络带宽，则触觉流量能够提高其传输质量。这在先前部分显示了实验和仿真结果。从测试床实验中，当网络在网络中启用CBWFQ时，可以提高用户触觉感知，与只有努力的服务相比。

我们还研究了使用DSCP进行触觉流量的结果。这在表格中显示3.．研究了触觉流量，用于不同AF和DSCP标记的EF下的最大端到端延迟。具有低延迟队列（LLQ）的EF提供最高优先级，从而产生最低延迟。表格3.结果表明，AF21-AF23、AF31-AF33、AF41-AF43和EF的端到端延迟较AF11-AF13低。因此，不建议将AF11-AF13用于触觉、音频或视频传输。这与IETF关于视频和语音传输的建议(RFC4594)一致[6]．最大的端到端延迟还取决于使用的链路类型和流量加载。在这种情况下，我们在仿真模型中使用了触觉流量、实时音频和视频流流量以及其他多媒体流量。我们在Immerscom 2007发表的论文中也提出了类似的结果[25]使用T1（1.544 Mbps）和T3（44.736 Mbps）链路研究了触觉流量。BE和AF11-AF13不建议用于传输触觉流量。此结果证实了这些建议对语音和视频流量也有效。

图中的结果14.显示我们的DHVE应用程序的触觉流量有736 kbps的吞吐量。因此，为了有效地传输触觉流量，保留最小带宽是很重要的。这与实验台的结果相比较，实验台的结果表明，CBWFQ为1可以保证有足够的带宽(在我们的应用中为736 kbps)用于触觉流量，从而减少了触觉流量的延迟，如图所示11.．结果证实，触觉通信可与电话或视频类相媲美，但它对抖动非常敏感[8，11.]．根据我们的调查结果，我们提出了一种用于触觉交通的DSCP标记方案。在表中提出了网络管理员在托管网络中使用触觉流量的要求4．触觉类建议具有EF或至少AF21及以上的DSCP标记。

7.结论和未来的工作

本文研究了在支持QoS的分组交换网络(如下一代Internet)上为dhve提供QoS的问题。此外，这项研究与作为网络对等体而不是传统的客户机-服务器架构实现的dvh特别相关。提出了一种新的点对点DHVE架构，该架构允许分布在IP网络上的节点对虚拟对象执行协作和协作的触觉任务。然后研究为这些类型的应用程序提供QoS。该方法采用了一个实验测试平台网络来收集有关网络对等体产生的触觉流量统计分布的经验数据。然后用于生成一个触觉流量模型，该模型用于网络仿真，分析在启用qos的网络中DHVE流量的性能。触觉流量与语音(G711)、视频(MPEG-2)和其他多媒体流量一起被模拟。在此基础上提出了适合于触觉流量的网络级参数值，并提出了为多模式流量提供QoS的建议。这项工作包括在最佳IP网络和DiffServ IP网络下的触觉流量的研究。

结果表明，网络仿真模型对物理网络有利地进行了比较，并且可以用于生成可伸缩的触觉网络模型，其中可以检查承载触觉业务的多个连接。这两种方法都表明，通过提供使用特定QoS类的“更好的努力”服务来减少网络延迟和抖动，这可能导致用户对虚拟环境等分布式应用程序的触觉体验的改进。

仿真结果表明，随着队列调度权重的增加，触觉吞吐量相应增加。在实验测试台上，通过在DiffServ网络中运行触觉应用程序，发现触觉通信经历的端到端延迟从200毫秒（最大努力）减少到40毫秒（CBWFQ）。仿真和实验结果均表明，通过实现流量分类和优先级机制（WFQ和CBWFQ），触觉流量的传输得到了改善。该仿真模型可用于模拟大量的触觉交通流。由此得出的结论是，通过在路由器中适当设置DiffServ DSCP和分组调度器，DiffServ分组交换网络中的WFQ和CBWFQ可以提高传输触觉流量的网络性能。随后，提出了一种具有DSCP标记方案的触觉交通类。这可以作为配置支持QoS的网络以支持DHVE应用程序或多模式流量的参考。

在未来，我们打算研究关于diffserve -enabled IP QoS网络的可能性的触觉用户感知测试，该网络允许多个(>2)用户之间的一致性力量和位置协作。此外，我们将研究权值随机早期检测(WRED)和交错的应用，它们被专门配置来改善在拥塞条件下可能导致网络突发丢包的触觉流量。

承认

这项工作得到了北爱尔兰北爱尔兰北部贝尔法斯特的工业研究和技术单位的支持。

参考

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