基于優先級的IEEE802.16系統接納控制算法研究

張雅瓊

（榆林學院 信息工程學院，陜西 榆林 719000）

無線網絡的日益發展使得其能夠支持各種類型的業務，因此需要保證各類業務的QoS，同時要提高系統利用率，為此需要引入有效的接納控制算法到無線資源管理機制中。IEEE802.16作為目前熱點寬帶無線接入技術，定義了MAC層和PHY層的機制。但是標準中對接納控制以及調度算法并沒有定義，只是采用簡單的先到先服務機制，具體優化留給了開發者。

按照ITU-T和ATM論壇的定義，接納控制是網絡在新連接申請建立的時刻根據新連接的業務特性 （用流量參數表征）、服務質量要求和網絡資源（帶寬，緩沖區）的當前狀況對是否接納此連接申請做出決策。考慮請求流的特性和資源需求，結合網絡的當前資源狀態，制定合適的接納控制機制，必須既保證新接入流的帶寬和時延等QoS要求，而且現有網絡中業務流的QoS能夠繼續保持。

目前無線網絡常用接納控制算法有，保護帶寬算法，基于門限算法等。保護帶寬算法是指系統為切換呼叫預留一些信道，即保護信道。如保護信道為C-K，當已有呼叫小于門限K時，則所有新呼叫都可以被接納，大于門限K時只有切換呼叫能夠被接納[1]。基于門限接納的執行基于資源I的可用性，目的是保持I中的每一個元素小于門限向量Ith。這些門限基于系統的擁塞狀況而定義。當呼叫到達時，算法估計新呼叫對當前I值的影響δI。準則基于以下策略：I+δI

1 IEEE802.16系統的QoS機制

1.1 IEEE802.16系統的業務類型

IEEE802.16定義了2～66 GHz固定寬帶無線接入系統的空中接口。定義了Mesh網和PMP兩種組網方式。MAC層的多址方式可以是TDMA，對于OFDMA的物理層，MAC可以采用OFDMA的多址方式。OFDMA將所有可用的載波分多個子信道，每個子信道包含若干子載波。可分配的資源不只時隙，還有子信道[3]。筆者研究基于點對多點模式（即一個中心節點BS管理若干個子節點SS），TDMA多址方式，物理層基于OFDM技術。

IEEE802.16是面向連接的，數據傳輸以及尋址是基于連接的，連接對應的服務流定義了連接的QoS參數，如時延，時延抖動、最大可持續速率等。節點有業務傳輸時，須建立對應的連接，并激活服務流。

IEEE 802.16e標準中定義了5種不同的業務類型，它們分別為：主動授予業務（UGS）、增強型實時輪詢業務（ertPS）、實時輪詢業務（rtPS）、非實時輪詢業務（nrtPS）、盡力傳輸業務（BE）。不同業務對應不同的請求/授權機制，提供不同的QoS。根據實時性的要求，定義優先級依次遞減。UGS業務優先級最高，BE優先級最低。主要特性如表1所示。考慮不同業務的QoS參數，選擇合適的接納控制算法。

1.2 IEEE802.16系統的QoS架構

IEEE802.16的QoS的核心概念是對不同上層業務按一定特性進行區分，并對各個類別的服務流保證一定的傳輸參數。參數包括：吞吐量、時延、時延抖動、丟包率以安全性等。

對于每個用戶站SS到基站BS的連接，在連接建立時都會被分配一個服務類別。當分組在匯聚子層被分類時，分類器會根據分組對應的應用服務所要求的QoS對分組進行連接分類，并用連接標識符（Connection Identifier，CID）來進行唯一標識。每條連接都對應一種服務類別[5]。在SS端，上行帶寬請求發生器將根據各個連接的深度以及隊列對應的服務類別，向BS發送帶寬請求。對于UGS服務的連接，不需要進行帶寬請求，BS會分配固定帶寬給該類型的連接。而對于其他類型的業務，帶寬請求消息中需要包含連接隊列的深度，以代表目前的帶寬需求量。帶寬請求的方式可以是單播輪詢、組播輪詢、廣播輪詢和競爭等。BS調度器根據接收到的帶寬請求消息產生上行鏈路映射消息UL-MAP。而SS端調度器則根據接收到的UL-MAP消息的內容，從各連接隊列中提取分組，并在UL-MAP消息定義的時隙下發送[5]。圖1是目前IEEE 802.16中已有的QoS體系構架，接納控制模塊位于BS側，負責連接建立的QoS機制。但具體的控制機制在已有構架中并未給出定義，這是本文研究的重點。

表1 IEEE802.16業務類型Tab.1 Types of service in IEEE802.16

圖1 IEEE802.16系統QoS圖Fig.1 QoS chart of IEEE802.16

2 基于業務優先級的接納控制算法

IEEE802.16的時隙分配以幀時間T為周期，由調度中心節點BS按非競爭TDM/TDMA方式對各SS的各流分配時隙。在每個周期結束時，BS根據之前的時隙使用情況，輪詢各個發出連接請求的隊列[6]。

2.1 系統剩余資源估計

在每幀結束時，BS查詢傳輸鏈表，得到相應的傳輸數據大小。具體如下：在鏈表中分上下行，根據查詢出的QoS參數記錄中的MinTrafficRate，按照每幀5 ms計算出要傳輸的比特數，再根據對應的調制編碼方式計算出每個CID傳輸占用的時隙（以OFDM符號為單位）。用總時隙數減去本幀需要的時隙數，得到系統剩余的OFDM符號數。

2.2 接納準則

對于下行業務，BS每收到上層數據包時，首先查詢是否有對應的服務流，有則直接將數據包加入對應的隊列，如果沒有服務流，則BS根據業務類型創建服務流，設置服務流的各種QoS參數，并將服務流狀態設為Provisioned。對于上行業務，SS每收到上行數據包時，也是先查詢是否有對應服務流，沒有的話，創建對應服務流且狀態設為Provisioned，并在合適的時隙發送DSA-REQ給BS，請求激活服務流[7]。

BS在每幀結束時，查詢是否有待激活的上下行服務流。根據待激活的服務流的業務類型，業務優先級，以及當前網絡的狀態，做出接納決策。如果時隙能夠滿足服務流的請求，則接納該流，否則拒絕。每次輪詢時，UGS業務首先被輪詢，然后是rtPS和ertPS，這樣UGS業務就具有高的優先級，能夠滿足實時性的要求。對于BE和nrtPS業務，由于沒有時延要求，只要有帶寬就接納。

為UGS業務預留帶寬，保證高的優先級。對于其他類型業務，輪詢的先后順序不同，體現了優先級不同。根據請求流的最小預留速率以及對應的SS的調制方式，計算出請求流所需要的時隙數。

UGS業務接納準則為請求帶寬Treq-1+Tocc

3 仿真與性能分析

3.1 仿真環境與參數設置

NS2是由美國加利福尼亞大學Berkeley分校等四家教育和研究機構共同開發的網絡仿真平臺。它是一種離散事件模擬器，有一個Scheduler類，負責記錄當前的時間、調度隊列中的事件并提供函數產生新的事件。NS還提供了有豐富的構建庫，強大的數據采集功能[8]。文中使用NS2搭建了802.16協議的仿真平臺，加入了基于優先級的接納控制算法，對算法性能進行了仿真。

仿真中定義幀長 0.005 s，UGS業務流速率為 64 kbps，rtPS、ertPS、nrtPS和BE業務速率為1 024 kbps，服務流產生周期以及數據包大小基于IEEE802.16標準定義。物理層提供速率50 Mbps。仿真中將UGS業務分為高優先級，將rtPS和ertPS業務分為中優先級，將nrtPS和BE業務分為低優先級。為高優先業務預留帶寬為4 Mbps，為中優先級業務預留帶寬6 Mbps。假設每個SS都擁有5種業務。

3.2 仿真結果與分析

仿真時針對不同SS的情況分別進行了分析。記錄了網絡的吞吐量和系統帶寬利用率。

圖2 各優先級業務接納成功率Fig.2 Admission Ratio of each priority service

從圖2顯而易見，高優先級的業務具有比中低優先級業務更高的接納率，這樣保證了高優先級業務的實時性。

圖3 無接納控制算法和有接納控制算法帶寬利用率比較Fig.3 Utility of bandwidth of admission algorithm versus Utility of bandwidth with no admission algorithm

由圖3可以看出，相比于沒有接納控制機制（先到先服務）的系統，當采用接納控制機制之后，當網絡輕載時，由于帶寬足夠，所有數據都會被接納，所以接納控制并不能看出優勢。但是隨著SS增多，業務增多的時候，因為有預留給高優先級的一部分帶寬沒有利用所以系統帶寬利用率較低，但是在重負荷時接納控制能夠有效控制進入網絡的業務，在保證UGS業務的實時性的同時提高帶寬利用率。

4 結束語

本文在對傳統蜂窩無線網絡接納控制算法深入研究的基礎上，結合IEEE802.16系統的QoS機制，研究了一種基于優先級的資源預留的接納控制算法。NS2網絡模擬軟件的仿真結果表明，采用本接納算法后，相比于先到先服務機制，能有效保證實時業務的實時性需求，同時在重負載時系統的帶寬利用率得到了提高。

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