基于優(yōu)先級的IEEE802.16系統(tǒng)接納控制算法研究

張雅瓊

（榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000）

無線網(wǎng)絡(luò)的日益發(fā)展使得其能夠支持各種類型的業(yè)務(wù)，因此需要保證各類業(yè)務(wù)的QoS，同時(shí)要提高系統(tǒng)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(jī)制中。IEEE802.16作為目前熱點(diǎn)寬帶無線接入技術(shù)，定義了MAC層和PHY層的機(jī)制。但是標(biāo)準(zhǔn)中對接納控制以及調(diào)度算法并沒有定義，只是采用簡單的先到先服務(wù)機(jī)制，具體優(yōu)化留給了開發(fā)者。

按照ITU-T和ATM論壇的定義，接納控制是網(wǎng)絡(luò)在新連接申請建立的時(shí)刻根據(jù)新連接的業(yè)務(wù)特性 （用流量參數(shù)表征）、服務(wù)質(zhì)量要求和網(wǎng)絡(luò)資源（帶寬，緩沖區(qū)）的當(dāng)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(jié)合網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前資源狀態(tài)，制定合適的接納控制機(jī)制，必須既保證新接入流的帶寬和時(shí)延等QoS要求，而且現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流的QoS能夠繼續(xù)保持。

目前無線網(wǎng)絡(luò)常用接納控制算法有，保護(hù)帶寬算法，基于門限算法等。保護(hù)帶寬算法是指系統(tǒng)為切換呼叫預(yù)留一些信道，即保護(hù)信道。如保護(hù)信道為C-K，當(dāng)已有呼叫小于門限K時(shí)，則所有新呼叫都可以被接納，大于門限K時(shí)只有切換呼叫能夠被接納[1]。基于門限接納的執(zhí)行基于資源I的可用性，目的是保持I中的每一個(gè)元素小于門限向量Ith。這些門限基于系統(tǒng)的擁塞狀況而定義。當(dāng)呼叫到達(dá)時(shí)，算法估計(jì)新呼叫對當(dāng)前I值的影響δI。準(zhǔn)則基于以下策略：I+δI

1 IEEE802.16系統(tǒng)的QoS機(jī)制

1.1 IEEE802.16系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類型

IEEE802.16定義了2～66 GHz固定寬帶無線接入系統(tǒng)的空中接口。定義了Mesh網(wǎng)和PMP兩種組網(wǎng)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(gè)子信道，每個(gè)子信道包含若干子載波。可分配的資源不只時(shí)隙，還有子信道[3]。筆者研究基于點(diǎn)對多點(diǎn)模式（即一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)BS管理若干個(gè)子節(jié)點(diǎn)SS），TDMA多址方式，物理層基于OFDM技術(shù)。

IEEE802.16是面向連接的，數(shù)據(jù)傳輸以及尋址是基于連接的，連接對應(yīng)的服務(wù)流定義了連接的QoS參數(shù)，如時(shí)延，時(shí)延抖動、最大可持續(xù)速率等。節(jié)點(diǎn)有業(yè)務(wù)傳輸時(shí)，須建立對應(yīng)的連接，并激活服務(wù)流。

IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)中定義了5種不同的業(yè)務(wù)類型，它們分別為：主動授予業(yè)務(wù)（UGS）、增強(qiáng)型實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)（ertPS）、實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)（rtPS）、非實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)（nrtPS）、盡力傳輸業(yè)務(wù)（BE）。不同業(yè)務(wù)對應(yīng)不同的請求/授權(quán)機(jī)制，提供不同的QoS。根據(jù)實(shí)時(shí)性的要求，定義優(yōu)先級依次遞減。UGS業(yè)務(wù)優(yōu)先級最高，BE優(yōu)先級最低。主要特性如表1所示。考慮不同業(yè)務(wù)的QoS參數(shù)，選擇合適的接納控制算法。

1.2 IEEE802.16系統(tǒng)的QoS架構(gòu)

IEEE802.16的QoS的核心概念是對不同上層業(yè)務(wù)按一定特性進(jìn)行區(qū)分，并對各個(gè)類別的服務(wù)流保證一定的傳輸參數(shù)。參數(shù)包括：吞吐量、時(shí)延、時(shí)延抖動、丟包率以安全性等。

對于每個(gè)用戶站SS到基站BS的連接，在連接建立時(shí)都會被分配一個(gè)服務(wù)類別。當(dāng)分組在匯聚子層被分類時(shí)，分類器會根據(jù)分組對應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)所要求的QoS對分組進(jìn)行連接分類，并用連接標(biāo)識符（Connection Identifier，CID）來進(jìn)行唯一標(biāo)識。每條連接都對應(yīng)一種服務(wù)類別[5]。在SS端，上行帶寬請求發(fā)生器將根據(jù)各個(gè)連接的深度以及隊(duì)列對應(yīng)的服務(wù)類別，向BS發(fā)送帶寬請求。對于UGS服務(wù)的連接，不需要進(jìn)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(yè)務(wù)，帶寬請求消息中需要包含連接隊(duì)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(diào)度器根據(jù)接收到的帶寬請求消息產(chǎn)生上行鏈路映射消息UL-MAP。而SS端調(diào)度器則根據(jù)接收到的UL-MAP消息的內(nèi)容，從各連接隊(duì)列中提取分組，并在UL-MAP消息定義的時(shí)隙下發(fā)送[5]。圖1是目前IEEE 802.16中已有的QoS體系構(gòu)架，接納控制模塊位于BS側(cè)，負(fù)責(zé)連接建立的QoS機(jī)制。但具體的控制機(jī)制在已有構(gòu)架中并未給出定義，這是本文研究的重點(diǎn)。

表1 IEEE802.16業(yè)務(wù)類型Tab.1 Types of service in IEEE802.16

圖1 IEEE802.16系統(tǒng)QoS圖Fig.1 QoS chart of IEEE802.16

2 基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的接納控制算法

IEEE802.16的時(shí)隙分配以幀時(shí)間T為周期，由調(diào)度中心節(jié)點(diǎn)BS按非競爭TDM/TDMA方式對各SS的各流分配時(shí)隙。在每個(gè)周期結(jié)束時(shí)，BS根據(jù)之前的時(shí)隙使用情況，輪詢各個(gè)發(fā)出連接請求的隊(duì)列[6]。

2.1 系統(tǒng)剩余資源估計(jì)

在每幀結(jié)束時(shí)，BS查詢傳輸鏈表，得到相應(yīng)的傳輸數(shù)據(jù)大小。具體如下：在鏈表中分上下行，根據(jù)查詢出的QoS參數(shù)記錄中的MinTrafficRate，按照每幀5 ms計(jì)算出要傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，再根據(jù)對應(yīng)的調(diào)制編碼方式計(jì)算出每個(gè)CID傳輸占用的時(shí)隙（以O(shè)FDM符號為單位）。用總時(shí)隙數(shù)減去本幀需要的時(shí)隙數(shù)，得到系統(tǒng)剩余的OFDM符號數(shù)。

2.2 接納準(zhǔn)則

對于下行業(yè)務(wù)，BS每收到上層數(shù)據(jù)包時(shí)，首先查詢是否有對應(yīng)的服務(wù)流，有則直接將數(shù)據(jù)包加入對應(yīng)的隊(duì)列，如果沒有服務(wù)流，則BS根據(jù)業(yè)務(wù)類型創(chuàng)建服務(wù)流，設(shè)置服務(wù)流的各種QoS參數(shù)，并將服務(wù)流狀態(tài)設(shè)為Provisioned。對于上行業(yè)務(wù)，SS每收到上行數(shù)據(jù)包時(shí)，也是先查詢是否有對應(yīng)服務(wù)流，沒有的話，創(chuàng)建對應(yīng)服務(wù)流且狀態(tài)設(shè)為Provisioned，并在合適的時(shí)隙發(fā)送DSA-REQ給BS，請求激活服務(wù)流[7]。

BS在每幀結(jié)束時(shí)，查詢是否有待激活的上下行服務(wù)流。根據(jù)待激活的服務(wù)流的業(yè)務(wù)類型，業(yè)務(wù)優(yōu)先級，以及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，做出接納決策。如果時(shí)隙能夠滿足服務(wù)流的請求，則接納該流，否則拒絕。每次輪詢時(shí)，UGS業(yè)務(wù)首先被輪詢，然后是rtPS和ertPS，這樣UGS業(yè)務(wù)就具有高的優(yōu)先級，能夠滿足實(shí)時(shí)性的要求。對于BE和nrtPS業(yè)務(wù)，由于沒有時(shí)延要求，只要有帶寬就接納。

為UGS業(yè)務(wù)預(yù)留帶寬，保證高的優(yōu)先級。對于其他類型業(yè)務(wù)，輪詢的先后順序不同，體現(xiàn)了優(yōu)先級不同。根據(jù)請求流的最小預(yù)留速率以及對應(yīng)的SS的調(diào)制方式，計(jì)算出請求流所需要的時(shí)隙數(shù)。

UGS業(yè)務(wù)接納準(zhǔn)則為請求帶寬Treq-1+Tocc

3 仿真與性能分析

3.1 仿真環(huán)境與參數(shù)設(shè)置

NS2是由美國加利福尼亞大學(xué)Berkeley分校等四家教育和研究機(jī)構(gòu)共同開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺。它是一種離散事件模擬器，有一個(gè)Scheduler類，負(fù)責(zé)記錄當(dāng)前的時(shí)間、調(diào)度隊(duì)列中的事件并提供函數(shù)產(chǎn)生新的事件。NS還提供了有豐富的構(gòu)建庫，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能[8]。文中使用NS2搭建了802.16協(xié)議的仿真平臺，加入了基于優(yōu)先級的接納控制算法，對算法性能進(jìn)行了仿真。

仿真中定義幀長 0.005 s，UGS業(yè)務(wù)流速率為 64 kbps，rtPS、ertPS、nrtPS和BE業(yè)務(wù)速率為1 024 kbps，服務(wù)流產(chǎn)生周期以及數(shù)據(jù)包大小基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)定義。物理層提供速率50 Mbps。仿真中將UGS業(yè)務(wù)分為高優(yōu)先級，將rtPS和ertPS業(yè)務(wù)分為中優(yōu)先級，將nrtPS和BE業(yè)務(wù)分為低優(yōu)先級。為高優(yōu)先業(yè)務(wù)預(yù)留帶寬為4 Mbps，為中優(yōu)先級業(yè)務(wù)預(yù)留帶寬6 Mbps。假設(shè)每個(gè)SS都擁有5種業(yè)務(wù)。

3.2 仿真結(jié)果與分析

仿真時(shí)針對不同SS的情況分別進(jìn)行了分析。記錄了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和系統(tǒng)帶寬利用率。

圖2 各優(yōu)先級業(yè)務(wù)接納成功率Fig.2 Admission Ratio of each priority service

從圖2顯而易見，高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)具有比中低優(yōu)先級業(yè)務(wù)更高的接納率，這樣保證了高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)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(jī)制（先到先服務(wù)）的系統(tǒng)，當(dāng)采用接納控制機(jī)制之后，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輕載時(shí)，由于帶寬足夠，所有數(shù)據(jù)都會被接納，所以接納控制并不能看出優(yōu)勢。但是隨著SS增多，業(yè)務(wù)增多的時(shí)候，因?yàn)橛蓄A(yù)留給高優(yōu)先級的一部分帶寬沒有利用所以系統(tǒng)帶寬利用率較低，但是在重負(fù)荷時(shí)接納控制能夠有效控制進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)，在保證UGS業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性的同時(shí)提高帶寬利用率。

4 結(jié)束語

本文在對傳統(tǒng)蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)接納控制算法深入研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合IEEE802.16系統(tǒng)的QoS機(jī)制，研究了一種基于優(yōu)先級的資源預(yù)留的接納控制算法。NS2網(wǎng)絡(luò)模擬軟件的仿真結(jié)果表明，采用本接納算法后，相比于先到先服務(wù)機(jī)制，能有效保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性需求，同時(shí)在重負(fù)載時(shí)系統(tǒng)的帶寬利用率得到了提高。

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