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一种适应信道的WiMax分级调度架构
2008年3月14日 15:52    C114    评论()    
作 者:电子产品世界

    摘要:针对无线信道中与时间和位置相关性错误,本文简要介绍了IEEE802.16d协议的QoS服务模型,在对WiMax的QoS机制和调度策略进行了深入的研究后,提出了一种新的MAC层分级分组调度架构。以满足不同类型业务的QoS需求,解决了无线信道特殊性带来的调度问题。

    引言

    随着VoIP电话、视频会议和在线视频等多媒体业务迅猛发展,对网络性能提出了与传统的网页浏览、FTP服务、E-mail等业务不同的需求,不同类型的业务具有各自明确的服务质量(QoS,QualityofService)成为现代通信网络的一大特征。旨在提供传输距离更远、速度更高的无线城域网规范—WiMax标准中,无线信道的位置依赖性、突发和高的信道误码也成为其QoS要面对的首要问题。针对不同的应用需求,802.16d标准中为QoS定义了四种业务类型,明确规范了交互机制,但将调度等内容留待开发者自行解决。

    文献[2]提出一种新型的CIF-Q调度算法,能够较好地适应无线特性、满足实时要求,但缺乏对多类型业务的区别服务。文献[3]提出的CSDPS算法能够不依赖于信道特性,却无法保证时延限制。将文献[4]提出的分级体系结构应用到WiMax的QoS调度架构中,提出了两层的分组调度算法,针对不同类型业务的QoS需求,在良好适应无线特性的同时,实现对不同业务应用的支持。

    IEEE802.16d的服务类型

    主动授予服务(UGS,UnsolicitedGrantService)

    UGS业务用于传输周期性的、包大小固定的实时数据业务,其典型业务是VoIP电话。UGS业务一旦申请成功,在传输过程中就不需要再去申请。BS周期性地强制调度,不接收来自SS的竞争请求机会,同时禁止使用捎带请求,这样避免了带宽请求引入的开销和时延。

    实时轮询服务(rtPS,Real-timePollingService)

    rtPS主要用于支持周期性的、包大小可变的实时业务,如MPEG视频业务。rtPS提供周期性的单播轮询带宽请求机会,从而使得该连接能够周期地改变带宽请求。BS也不接收来自SS的其他竞争请求机会和捎带请求。这种服务比UGS的请求开销大,但能按需动态分配带宽。

    非实时轮询服务(nrtPS,Non-Real-timePollingService)

    nrtPS主要用于支持非周期、变长分组的非实时VBR服务流,如高带宽的FTP业务流,它有最小速率要求。BS提供比rtPS轮询间隔更长的周期或不定期的单播请求机会,SS也可以使用竞争和捎带请求的方式来请求带宽。

    尽力而为服务(BE,BestEffortService)

    BE主要用于支持非实时、无任何速率和时延要求的分组数据业务,其稳定性由高层协议来保证。典型业务是Telnet和Http服务。SS可以随时提出带宽申请,允许使用任何类型的竞争请求机会和捎带请求,但是不允许它们使用任何单播轮询请求机会。

    QoS调度架构的设计

    本架构的设计见图1。服务请求通过分类器后,按照QoS需求特性,将业务流分组放入不同队列。从队列中取出的请求加以流量监控,保证在对用户流量进行规约的同时,允许保持业务流限定范围内的突发性。通过流量监控后的服务请求先进入下层调度,针对同种排队类型的业务进行调度,包括实时调度、非实时调度和BE调度。上层总调度针对不同种排队类型业务进行总体统筹安排。下面将对这些模块进行深入分析。主要由下面几个部分组成:

    图1  调度构架图

    调度控制器

    四种类型业务的带宽请求方式不同,对时延、抖动和速率等参数的要求也不同。考虑到无线信道特性,采用如下调度控制策略:为UGS业务预留一定带宽BUGS,维持特征表,用于定期给SS分配相应的带宽来发送UGS业务流。对于rtPS业务,通过确定其单播轮询间隔的参数值,可以调整实时业务传输机会的多寡和带宽分配量。对于nrtPS业务,通过确定其单播轮询间隔来调整获取传输机会的周期,保证非实时业务的最小速率。并检查带宽的空余量,决定是否对nrtPS业务的竞争和捎带请求进行授权。按照上述思想,将周期性的、具有恒定速率的UGS业务流、rtPS和nrtPS的轮询流放至实时队列,将nrtPS业务流的带宽请求放至非实时队列,而将没有QoS要求的BE业务流放至BE队列。

    流量监控

    为了使上游流量适应可用的带宽资源,避免不必要的报文丢弃和拥塞,系统要对分类后的业务流进行流量监控。本模块采用令牌桶算法,策略如下:当报文到来后,只要令牌桶中有令牌,无论数量是否足够,都可以转发报文,同时令牌桶中的令牌量按报文的长度做相应的减少。当令牌数量小于报文长度时,就可以欠债转发,即转发后令牌桶中令牌数目为负,在下次添加令牌的时候,先还清所欠债务,再继续转发报文。这种借贷处理方法在处理突发报文时有优势,能够在限制流量的同时,保证报文发送的连续性,很好地除抖动的影响。系统为实时业务流预留一定的带宽,并优先处理实时业务。非实时业务流和BE业务流的突发性较高,业务量相对繁重,这类业务是流量监控的工作主要对象。

    实时调度器

    实时调度器负责对带宽和延时要求比较严格的实时业务流,包括UGS业务流、rtPS业务流和nrtPS业务的轮询流。由于业务的实时性,在业务延时后,无法也无需补偿其带宽。也就是说一定要保证实时业务的时延需要,尽量避免某一实时业务长时间等待现象,同时使各业务流的延时在可容忍的门限内。考虑到这些因素,实时调度器中采用不依赖于信道状态的包公平排队CIF-Q(ChannelIndependentFairQueuing)算法。CIF-Q算法的核心是起始时间公平排队(SFQ,Start time Fair Queuing)算法,通过参考无错服务系统,业务流可划分为领先流、落后流和正常流三类。流的落后(领先)度为无错服务和真实服务之差。如果领先流获得了一个调度机会,则以概率α放弃它,被放弃的机会分配给具有最大落后度的落后流。在这种补偿策略下,落后流可以接受额外服务,而同步流不会受到干扰,领先流将会优美地降低它们的服务。概率α的值是由网络状态和实时业务流的QoS参数(授权大小、轮询间隔、最大轮询时延抖动和最小预约速率等)决定的。

    下面是对算法模型的伪代码描述,并将在NS2仿真中采用C++实现。

    参数初始值:

    Vi=max(Vi,min{Vj|j∈A})

    lagi=0

    参数更新:

    Vi+=packetik.length/ratei

    lagi±=packetik·length

    业务调度:

    选择业务流i=min{Vi| iA};若业务流i落后,并可正常发送,则调度业务流i,更新Vi;若业务流i落后,但不可正常发送,则选择业务流j = max{lagk/rk | k∈A ∧packetjk可发送}进行调度,更新Vi、lagi、lagj;若业务流i领先,则以概率1-a正常调度业务流i,更新Vi;概率a放弃调度业务流i,选择业务流j=max{lagk/rk | k∈A ∧packetjk可发送}进行调度,更新Vi、lagi、lagj;

[1]  [2]  [3]  编 辑:张翀
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