（通信与信息系统专业论文）wimax系统qos研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 宽带无线接入系统主要基于i e e e 8 0 2 1 6 d e 协议，w i m a x 是其市场名称。 由于w i m a x 系统能够支持多种多媒体业务，采用面向连接机制，其端到端的 q o s 机制显得尤为重要。在w i m a x 标准中，m a c 层定义了较为完整的q o s 信 令机制，但是其相应的q o s 实现机制，包括调度算法、缓冲池管理和流量控制 等，在协议中对这些算法并没有进行定义和阐述。 本文首先介绍q o s 和w i m a x 技术，以及实现q o s 的核心机制：调度算法， 分析了网络带宽资源、提供的服务等级与用户不断增长的多媒体业务需求间的问 题。接着讨论了w i m a x 系统q o s 机制的主要内容：业务流管理、q o s 保证算 法，探讨了q o s 机制对主动授权、实时查询、非实时查询和尽力而为等数据业 务的支持。在第三章在分析8 0 2 1 6 dm a c 层现有q o s 结构的基础上，结合该协 议中所提供的控制机制提出了一种新的、有效的、适合于w i m a x 系统的q o s 架构，包括准入控制、流量管理、上行调度和缓冲区管理几个模块。同时，提出 一种m p f q 和w f 2 q + 分组调度算法相结合的分级的上行请求，授予调度算法体 系，在主动授予业务( u g s ) 、实时轮询业务( r t p s ) 、非实时轮询业务( n r t p s ) 和尽力 传输业务( b e ) 之间公平分配带宽，并保证各种业务的q o s 特性，完成了在i e e e 8 0 2 1 6 d 协议中留给用户自己定义的调度策略。 w f 2q 算法具有很好的公平性和时延性，但是算法的设计没有考虑无线信 道易出错的特点，当一个流的链路从故障恢复后，如何对这个流进行有效的补偿。 本文据此对该算法进行了改进，在w f 2 q + 的基础上增加了带宽补偿机制，提高 了算法的短期公平性。最后通过仿真分析该算法的性能。 关键词：i e e e 8 0 2 1 6 ，w i m a x ，q o s ，分组调度，w f 2q + 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t i e e e 8 0 2 1 6 d ep r o t o c o l sh a v e b e e np r o p o s e dt o s u p p o r tb w a w i m a xi s m o t h e rb a n l eo nt h em a r k e t , b e c a u s em u l t i m e d i at r a 岱c $ c a l lb es u p p o r t e da n dt h e m a ci se n n n e e t i o n - o d e n t e di nw i m a x s y s t e m s ，q o sg u a r a n t e e se n dt oe n di sv e r y i m p o r t a n t q o sm e c h a n i s mi sd e f i n e df u l l yi nw i m a xs t a n d a r d s , b u tt h es c h e d u l i n g u l g o d t h m 。b u f f e ra n dt r a f f i cm a n a g e m e n ti sn o td e f i n e d f i r s t ，q o sa n dw i m a x i si n t r o d u c e d t h ep r o b l e m sb e t w e e nb a n d w i d t hr e s o u r c e s ， s e r v i c el e v e l ss u p p o r t e da n dm u l t i m e d i at r a f f i c sr e q u i r e m e n ta r ea n a l y z e d t h eq o s a s s o c i a t e dw i t haw i m a xs y s t e mm a i n l yr e f e r st o ：s e r v i c ef l o wm a n a g e m e n ta n d q o sg u a r a n t e ea l g o r i t h m ，w h i c ha r ea n a l y z e df i r s t a n dt h e nt h es u p p o r to fq o sf o r u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c ef o g s ) ，r e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e ( r t p s ) ，n o n - r e a l - t i m e 。p o l l i n gs e r v i c e ( n a p s ) ，b e s te f f o r t e ) a n do t h e rd a t as e r v i c e sa r ed i s c u s s e d o nt h e b a s i so fi e e e s 0 2 1 6q o sa r c h i t e c t u r e w ep r o p o s eai m p r o v e dq o sa r c h i t e c t u r e s u i t a b l ef o rb w a s y s t e m si nc h a p t e r3 ，i tc o n s i s t so fs e v e r a lm o d u l e s ：a c c e s sc o n t r o l ， t r a f f i cm a n a g e m e n t , a n du p l i n ks c h e d u l i n g w ep a yo u re m p h a s i so nt h eb su p l i n k r e q u e s t g r a n ts c h e d u l i n ga r c h i t e c t u r ec o m b i n i n gm f f qa n dw f 2 q a l g o r i t h m s t h i s a r c h i t e c t u r ec a l lm a k eb e t t e ru s eo fi e e e8 0 2 1 6c o n t r o lm e c h a n i s m , a l s og u a r a n t e e t h eq o so fv a r i o u ss e r v i c e s ，t h u si m p l e m e n t i n gt h es c h e d u l i n gr e s e r v e db yi e e e 8 0 2 1 6f o ru $ e l 苫t o m a k es p e c i f i cd e f m i f i o o 塔 w 下2q + d i s c i p l i n e si sh i g hf a i ra n dg o o dd e l a y - t o l e r a t e d , b u ti td o e sn o tc o n s i d e r t h ec h a r a c t e r i s t i co f w i r e l e s sn e t w o r k w h e nat r a f f i cf l o wr e t r i e v e sf o ra 谢c h a n n e l h o wt oc o m p e n s a t ei tw i t hg r e a te f f i c i e n c ym u s tb ec o n s i d e r e d s ot h ep a p e rp r e s e n t s t h em o d i f i c a t i o no f 岍2q + a d d sc o m p e n s a t i o nm e c h a n i s mt oi t t h em e c h a n i s m i n c r e a s es h o r t - t e r mf a i r n e s so fw 2q + f i n a l l y , i t sp e r f o r m a n c ei s s h o w e dv i an s 2 s i m u l a t i o n k e y w o r d s ：i e e e s 0 2 1 6 , w i m a x ，q o s ，p a c k e ts c h e d u l i n g , w f 2 q 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废邮电太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：翟家独 签字日期：勘“年，。吼玎日 。学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆噬电太堂有关保留、使用学位论文的 严定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权重庆整虫太堂可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ， 4 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：彳芝搴挂 导师签名： 矩f 钞 签字日期：矗卯占年j 月省日7 签字日期：少。5 年，月y 日 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 q o s 技术的核心问题是如何在只具有“尽力而为”( b e s t - e f f o n ) 服务特性的 电信网络等通信网络中提供超越这一特性的服务质量，为保障复杂网络中重要程 度高的数据更有效地传输创造条件。目前，规模越来越大，种类越来越多，应用 日益复杂的各种网络相继出现，使得q o s 技术成为一个相当复杂，并涉及诸多 因素的技术，实现q o s 控制的难度大大增加。尽管各种通信网络上各种应用的 q o s 往往具有不同的结构和特点，其中相当大一部分问题却可以简单归结为在端 到端网络上如何更有效传输数据的问题。换句话说，就是在具有带宽、缓存、噪 声等约束条件下的实际网络中，如何在保证基本质量的同时，提高一部分重要数 据的传输质量。随着网络技术的发展不断深入，q o s 技术将会成为整个网络的基 础技术，q o s 服务将取代“尽力而为”的服务成为网络的基本特性，从全局和抽 象的高度把握q o s 技术的核心对于理解和应用这种技术具有重大意义，通过研 究q o s 端到端网络的解决方案把q o s 技术推到一个系统的层次上也正是研究的 意义所在。、。 无线接入互联网和无线多媒体数据业务的巨大需求推动了无线通信技术的 快速发展，通信技术宽带化、m 化、移动化成为未来的发展趋势。w i m a x 技术 是以i e e e8 0 2 1 6 系列标准为基础的宽带无线接入技术，几年来发展迅速，逐渐 成为城域宽带无线接入技术的发展热点。w n 幽系统主要有两个技术标准，一 个是指满足固定宽带无线接入的w i m a x8 0 2 1 6 d ( 也称i e e e8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 ) 标准， 另一个是满足固定和移动的宽带无线接入技术w i m a x8 0 2 1 6 e 标准。 由于w i m a x 能够支持多种多媒体业务，采用面向连接机制，其端到端的 q o s 机制显得尤为重要。在w i m a x 标准中，m a c 层定义了较为完整的q o s 机 制。m a c 层针对每个连接可以分别设置不同的q o s 参数，包括速率、延时等指 标；但是其相应的q o s 实现机制，包括调度算法、缓冲池管理和流量控制等， 在协议中对这些算法并没有进行定义和阐述。为了提高系统频谱效率，满足用户 间的公平性，同时很好地支持不同业务的q o s 保证，需要研究w i m a x 系统q o s 架构和实现q o s 解决机制的核心：m a c 层的分组调度算法，因为调度算法提供 了带宽控制、拥塞控制机制。 。 综上所述，w i m a x 系统q o s 的研究具有十分重要的理论价值。针对这一类 问题，本文进行分析讨论，研究适合于w i m a x 系统的q o s 解决方案，提出一 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 种新的、功能较完善的w i m a x q o s 架构，并完成协议中留给用户自定义的调度 策略。 1 。2w i m a x 与i e e e8 0 2 1 6 无线接入技术 随着通信技术和新业务的部署，市场与技术的相互作用，未来通信领域一些 新的特点逐渐显现出来。一方面，传统宽带固定接入用户已经不满足于仅仅在 家庭和办公室等固定环境内使用宽带业务，希望使用宽带接入移动服务；另一方 面，传统的移动用户也不满足于简单的语音、短信和低速数据业务，希望能使用 更高数据速率的业务。用户需求的变化使固定宽带接入服务和移动服务在技术和 业务上呈现融合的趋势，宽带移动化和移动宽带化逐渐成为两个领域技术发展的 趋势，并互为补充、互相促进。在移动宽带化方面，3 g p p l 3 g p p 2 已经制定了 i x e v d o 、h s d p a h s u p a 等技术标准，在移动环境下实现宽带数据传输。在宽 带移动化方面，i e e e8 0 2 工作组先后制定了w l a n 和w i m a x 等技术规范，意 图能沿着固定、游牧，便携、移动这样的演迸路线逐步实现宽带移动化，其中i e e e 8 0 2 1 6w i m a x 是宽带移动的重要里程碑，促进了移动宽带的演进和发展。 w i m a x 是匝e e 8 0 2 1 6 技术在市场推广方面采用的名称，其物理层和m a c 层技术基于在i e e e8 0 2 1 6m 作组中开发的无线城域网( w m a n ) 技术，w i m a x 。也是i e e e8 0 2 1 6 d e 技术的别称。 1 2 1w i m a x 的产生背景 2 0 世纪9 0 年代宽带无线接入技术发展迅速，以本地多点分配系统( l m d s ) 和多信道多点分配为代表的无线技术的市场定位为小型办公室( s o h o ) 、中，小企 业、城市商业中心等用户。但是这一产业并没有像人们预期的那样进一步繁荣壮 大，一个重要的原因就是没有统一的全球性宽带无线接入标准。 1 9 9 9 年，i e e e 成立了8 0 2 1 6 工作组来专门研究宽带无线接入技术规范，目 标是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。目前i e e e 8 0 2 1 6 主要提及两个 标准：8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 即8 0 2 1 6 d 固定宽带无线接入标准和8 0 2 1 6 e 支持移动特性的 宽带无线接入标准。i e e e8 0 2 1 6 d 标准于2 0 0 4 年1 0 月1 日发布，它规范了固定 接入下用户终端同基站系统之间的空中接口，主要定义空中接口的物理层和 m a c 层。8 0 2 1 6 c 标准的最大特点在于对移动性的支持。该标准规定了可同时支 持固定和移动宽带无线接入系统，工作在 6 g h z 适宜于移动性的许可频段，可 支持用户终端以车辆速度移动，同时8 0 2 1 6 d 规定的固定无线接入用户能力并不 因此受到影响。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 i e e e8 0 2 1 6 工作组主要针对w l e s sm a n 的物理层和m a c 层制定规范和 标准。为了形成一个可运营的网络，i e e e8 0 2 1 6 技术必然需要其他部分的支撑， 所以w i m a x 论坛应运而生。w i m a x 论坛成立于2 0 0 1 年4 月，最初该组织旨 在对基于i e e e8 0 2 1 6 标准和e t s ih i p e r m a n 标准的宽带无线接入产品进行一 致性和互操作性认证，通过w i m a x 认证的产品会拥有“w i m a x ( r ) c e r t i f i e d ” 标识。随着8 0 2 1 6 e 技术和规范的进展，该组织的目标也逐步扩展，不仅要建立 一整套基于i e e e8 0 2 1 6 标准和e t s ih i p e r m a n 标准的认证体系，同时还致力 于可运营的宽带无线接入系统的研究、需求的分析、应用模式的探索、市场的拓 展等一系列大力促进宽带无线接入市场发展的工作。通常认为，i e e e8 0 2 1 6 工 作组是i e e e 8 0 2 1 6w i m a x 空中接口规范的制定者，而w i m a x 论坛是技术和 产业链的推动者。目前w i m a x 几乎成为了i e e e 8 0 2 1 6w i m a x 技术的代名词， 其空中接口规范涵盖了i e e e8 0 2 1 6 d e 标准。 1 2 2w i m a x 技术应用场景 w i m a x 论坛给出w i m a x 技术的5 种应用场景定义，即固定、游牧、便携、 简单移动和全移动。 ( 1 ) 固定应用场景：固定接入业务是8 0 2 1 6 运营网络中最基本的业务模型，包 括用户因特网接入、传输承载业务及w i - f i 热点回程等。 ( 2 ) 游牧应用场景：游牧式业务是固定接入方式发展的下一个阶段。终端可以 从不同的接入点接入到一个运营商的网络中；在每次会话连接中，用户终端只能 进行站点式的接入；在两次不同网络的接入中，传输的数据将不被保留。在游牧 式及其以后的应用场景中均支持漫游，并应具备终端电源管理功能。 ( 3 ) 便携应用场景：在这一场景下，用户可以步行连接到网络，除了进行小区 切换外，连接不会发生中断。便携式业务在游牧式业务的基础上进行了发展，从 这个阶段开始，终端可以在不同的基站之间进行切换。当终端静止不动时，便携 式业务的应用模型与固定式业务和游牧式业务相同。当终端进行切换时，用户将 经历短时间( 最长为2 s ) 的业务中断或者感到一些延迟。切换过程结束后，t c p i p 应用对当前i p 地址进行刷新，或者重建m 地址。 ( 4 ) 简单移动应用场景：在这一场景下，用户在使用宽带无线接入业务中能够 步行、驾驶或者乘坐公共汽车等，但当终端移动速度达到6 0 1 2 0 k m h 时，数据 传输速度将有所下降。这是能够在相邻基站之间切换的第一个场景。在切换过程 中，数据包的丢失将控制在一定范围，最差的情况下，t c p i p 会话不中断，但 应用层业务可能有一定的中断。切换完成后，q o s 将重建到初始级别。简单移动 和全移动网络需要支持休眠模式、空闲模式和寻呼模式。移动数据业务是移动场 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 景( 包括简单移动和全移动) 的主要应用，包括目前被业界广泛看好的移动e m a i l 、 流媒体、可视电话、移动游戏、移动v o i p ( m v o i p ) 等业务，同时它们也是占用无 线资源较多的业务。 ( 5 ) 全移动应用场景：在这一场景下，用户可以在移动速度为1 2 0k m h 甚至更 高的情况下无中断地使用宽带无线接入业务，当没有网络连接时，用户终端模块 将处于低功耗模式。 1 2 3i e e e 8 0 2 1 6 d e 空中接口技术特征 目前，i e e e8 0 2 1 6 标准主要包括i e e e8 0 2 1 6 d 和i e e e8 0 2 1 6 e 。8 0 2 1 6 d 的 初衷是统一固定无线接入的空中接口。该标准可以应用于2 - - 1 1 c h z 非视距 ( n l o s ) 传输和1 0 6 6 g h z 视距( l o s ) 传输。而i e e e8 0 2 1 6 e 的目标是能够向下 兼容i e e e 8 0 2 1 6 d ，为了支持移动特性，在i e e e 8 0 2 1 6 d 的基础上加入了切换、 q o s 、安全等新的特性。8 0 2 1 6 e 标准于2 0 0 5 年l o 月通过i e e e8 0 2 1 6t 作组投 票，并提交i e e e8 0 2s a 审批。 相对于上面描述的几种典型应用场景，i e e e8 0 2 1 6 d 用于固定和游牧应用场 景。i e e e8 0 2 1 6 e 用于便携和移动场景，同时支持固定场景。 8 0 2 1 6 d e 的主要技术特征：8 0 2 1 6 d e 的物理层可选用单载波、o f d m 和 o f d m a 共3 种技术。单载波这个选项主要是为了兼容1 0 6 6 g i - i z 频段的视距 传输( o f d m 和o f d m a 只用于 1 1 g h z 频段) 。虽然在8 0 2 1 6 d e 协议中，单载 波物理层也可以用于2 1 1 g h z 频段，但通常认为8 0 2 1 6 d 的典型物理层技术是 o f d m ，8 0 2 1 6 e 的典型物理层技术是0 f d m a 。 8 0 2 1 6 do f d m 物理层采用2 5 6 个子载波，o f d m a 物理层采用2 0 4 8 个子载 波，信号带宽从1 2 5 2 0 m h z 可变。8 0 2 1 6 e 对o f d m a 物理层进行了修改，使 其可支持1 2 8 、5 1 2 、1 0 2 4 和2 0 4 8 共4 种不同的子载波数量，但子载波间隔不变， 信号带宽与子载波数量成正比，这种技术称为可扩展的o f d m a ( s c a l a b l e 0 f d m a ) 。采用这种技术，系统可以在移动环境中灵活适应信道带宽的变化。 在多址方式方面，8 0 2 1 6 d e 在上行采用t d m a ( 时分多址) ，下行采用t d m ( 时 分复用) 支持多用户传输。另一种多址方式是o f d m a ，以2 0 4 8 个子载波的情况 为例，系统将所有可用的子载波分为3 2 个子信道，每个子信道包含若干子载波。 多用户多址采用和跳频类似的方式实现，只是跳频的频域单位为一个子信道，时 域单位为2 或3 个符号周期。 。 在调制技术方面，8 0 2 1 6 d e 支持的最高阶调制方式为6 4 q a m ，相对于蜂窝 移动通信系统( 3 g p ph s d p a 最高支持1 6 q a m ) ，8 0 2 1 6 d e 更强调在信道条件 较好时实现极高的峰值速率。为适应高质量数据通信的要求，8 0 2 1 6 d e 选用了 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 块t u r b o 码、卷积t u r b o 码等纠错能力很强但解码延时较大的信道码，同时也考 虑使用低复杂度、低延时的l d p c 码。 在双工方式方面，8 0 2 1 6 d e 支持f d d 和t d d 两种方式，其物理层技术基 本相同。相对而言，3 g 技术中f d d 和t d d 模式采用的物理层有较大不同。 8 0 2 1 6 d e 在5 m h z 频带上可以实现约1 5 m b i t s 的速率，频谱效率为3 b i t s h z ， 与h s d p a 相似。但8 0 2 1 6 d e 在固定或低速环境下可以使用更大带宽( 2 0 m u z ) ， 实现高达7 5 m b i t s 的峰值速率，这是现有蜂窝移动通信系统难以达到的。这充分 体现出0 f d m 技术在使用更宽频带方面的优势。 8 0 2 1 6 d e 标准支持全i p 网络层协议，8 0 2 1 6 d e 设备可以作为一个路由器接 入现有的m 网络。但现有i p 核心网缺乏有效的移动性管理能力。w i m a x 论坛 已经开始开发网络层协议，8 0 2 1 6n e t m a n 工作组也己开展这方面的工作。同时， 8 0 2 1 6 协议也可以通过一个a t m 汇聚子层将n r m 信元映射到8 0 2 1 6 d em a c 层，具备支持3 g 核心网的潜力。也就是说，w i m a x 支持和3 g 系统的互通和 融合。8 0 2 1 6 d e 的m a c 层支持多种q o s 等级以适应v o i p 、可视电话、流媒体、 在线游戏、浏览、下载等不同的业务类型，包括主动分配带宽( u o s ) 、实时轮询 ( r t p s ) 、非实时轮询( n n p s ) 和尽力而为( b e ) ，其中最后一种为竞争接入的调度机 制。8 0 2 1 6 e 增加了节电模式的内容，以支持移动终端。除正常工作状态外，还 支持空闲状态( 即用户处于激活状态但暂时没有数据交换) 和睡眠状态。 w i m a x 作为一种新兴的宽带城域网接入标准，采用了很多先进和成熟的技 术，能提供较高的传输速率和较强的q o s 保证。 不考虑移动性，本文对w i m a x 系统的研究主要基于i e 髓8 0 2 1 6 2 0 0 4 ，也 即8 0 2 1 6 d 。 1 3o o s 简介 目前，网络的q o s 问题已经成为国际网络研究领域最重要、最富魅力的研 究领域之一，对未来网络技术的研究、应用和发展具有举足轻重的意义。 1 3 1 名词解释 服务质量q o s 是指网络在传输数据流时要满足的一系列服务请求，具体可 以量化一些网络参数的组合，这些网络参数为传输时延( d e l a y ) 、时延抖动( j i t t e r ) 、 吞吐量( t h r o u g h p u t ) 以及可靠性( r e l i a b i l i t y ) 。 时延：是分组从发送端通过网络到达接收端的时间。时延越大，传输协议进 行有效操作的压力越大。 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 时延抖动：是端端传输时延的变化值。 吞吐量：即两端点之间能保持的最大数据传输率。 可靠性：一般被看作是传输系统的特性，可用媒体的平均出错率来表示。 我们所指的不同的服务质量，就是指业务流所获得的一个或多个以上所述的网络 参数不同。为业务流提供一定的q o s 保证，也就是保证业务流的这几个网络参 数所期望的范围之内。 1 3 2i e t f 建议的q o s 技术方案 国际互联网标准化组织i e t f 建议的q o s 技术方案主要有：综合服务资源 预留、区分服务、多协议标记交换、流量工程和基于约束的寻路。 综合服务模型i l 】( i n t - s e r v ：i n t e g r a t e ds e r v i c e ) 的主要特征就是资源预留，它 使用r s v p 2 作为信令协议来建立通道和进行资源预留。区分服务【3 】( d i f f - - s c r v ： d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 通过给分组打上不同的标记，把分组分成不同的类别， 对不同类别的分组分别服务。m p l s t 4 j ( m u l t i p r o t o e o lp r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 是一种转发方案，分组在进入m p l s 域时被赋予一个标签，以后就根据这个标签 对分组流进行分类、转发、服务。流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 的目标是让网 络上的业务流量更加均衡。基于约束的寻路要解决的是根据带宽和延时要求等约 束条件寻找一条合适的路径。 1 3 3q o s 的体系结构 q o s 体系结构可分为三个平面： 控制平面：由处理用户业务流路径的一系列机制构成，包括准入控制、q o s 选路、资源预留。 数据平面：由直接处理用户业务流的一系列机制构成，保括缓冲器管理、拥 塞回避、标记分组、排队、业务整形和分组调度等。 管理平面：由处理网络的操作、运行、管理的一系列机制构成，包括服务等 级协议( s l a ) 、业务预定、计量和记录。 本文主要讨论q o s 体系的数据平面，即q o s 的实现机制。 1 3 4q o s 实现机制 目前的网络中有多种应用，包括话音、视频以及数据，有的有实时性要求， 有的有互操作性要求。不同的业务采用不同的请求轮询机制，对它们进行区分服 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 务对于保证不同业务的q o s 来说是非常关键的 不同业务的q o s 保证可以分为两大类：带宽管理机制和业务流处理机制。 带宽管理机制具体包括：接入控制和资源预留。业务流处理机制具体包括：业务 流分类、分组调度、缓冲池管理、业务流监控和信道接入等。 当一个新业务接入系统时，b s 必须能够监测该业务接入是否会对已有通信 业务产生影响，导致系统无法稳定工作等，另外，根据用户的资源申请进行资源 分配等，这是带宽管理机制的主要功能。为了保证具有更高优先权的业务接入系 统，b s 需要评估整个小区下的业务量大小，为高优先级的业务( 如u g s ) 预留足 够的资源，这就是带宽管理机制中的资源预留机制。 缓冲池管理主要是为了防止缓存器中的数据溢出，包括随机早期侦澳j ( r e d ) 和加权随机早期侦测( w r e d ) 算法。而流量控制主要在于保证业务的传输速率特 性，目前有两种常用算法：漏桶法和令牌桶法。对于属于i p 包类的上层业务流 可以选用令牌桶法，而对于a t m 信元类的上层业务流选则采用漏桶法。调度算 法在流处理机制中处于核心地位，它是q o s 能否得到保证的关键。 调度算法是在分组的级别上给出宽带分配和复用机制，接入控制和拥塞控制 策略都取决于所采用的具体调度规则。在有线网络中已经提出了许多能够提供可 靠q o s 保证的调度算法，但是这些调度规则不能直接应用于无线网络，因为它 们没有考虑到变化的无线链路的信道特性。 无线通信中有许多有线网络中不存在的特殊性质：高错误率和突发特性、无 线链路的位置相关性和时变性、带宽资源短缺、用户具有移动性( 如果结合i e e e 8 0 2 1 6 c ) 、终端功率受限等。 调度算法的分类有很多，例如按对象不同，调度算法可分为工作站间调度和 工作站内调度；按调度具体实现的方式，可分为分层式调度和平面调度等。 1 4 实现o o s 的关键：无线分组调度 分组调度是实现q o s 的核心机制。分组调度实现对链路带宽的管理，是指按 照一定的规则来决定从等待队列中选择哪个分组进行发送，使得所有输入业务流 能够按照预定的方式共享输出链路带宽。 、 1 4 1 无线网络的特殊性 无线网络同有线网络相比具有很大的特殊性，这些特殊性主要有下面列举的 这些： 高的误码率和突发错误。 7 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 无线链路容量与位置相关，与时间相关。 有限的带宽 功率受限 基于上述以及分组调度本身的目标，我们在设计无线网络中分组调度算法的 时候必需考虑上述特殊性，下面对一些主要的问题进行阐述。 ( 1 ) 无线链路的可变性 无线网络和有线网络最大的不同就是传输链路的可变性。依靠高质量的传输 媒质，有线网络中的数据包有非常低的误码率。然而由于干扰、衰减等因素， 无线信道的质量有很高的可变性。在某些高突发错误的状态下，一个无线链路有 可能恶化到一个数据包都不能成功的传送。 ( 2 ) 公平性 在有线网络中，调度的公平性通常是由分配一个确定的服务速率给一个具体 的流加以保证的，而且调度算法阻止不同的流互相干扰。因为有线媒质可以认为 是无错的，所以对于一个流来说，分配的服务速率就是实际的接受速率。然而公 平性问题在无线网络调度中更加复杂一些。有可能按照一定的没有考虑链路状态 的服务策略，对某个数据包加以调度，在一定的无线链路上加以发送，然而这个 无线链路实际上处于错误状态。如果这个数据包发送了，接收方不能接收，而且 浪费了传输资源。考虑到这样的问题，推迟这个数据包的发送到该链路从错误状 态中恢复过来为止是一个合理的选择。因此这个受影响的流暂时损失了分配给它 的带宽。为了确保公平性，当链路状态恢复过来后，需要补偿这个受影响的流的 损失。但是如何补偿这个损失不是一个容易的问题。此外。公平性的粒度例如短 期公平性和长期公平性是影响调度策略的另一个因素。 ( 3 ) 服务质量 宽带无线网将为不同类型的业务提供服务，对这些不同类型的业务需要提供 不同的q o s 。因此，在系统中必须保证不同业务获取了不同的q o s 支持。为了 达到这个目标，相应的机制必须集成到调度算法里面。在不同的调度模型中，保 证q o s 的机制也是不一样的。 ， ( 4 ) 数据吞吐量和信道利用率 - 对于无线网络来说最终要的资源就是带宽。一个有效的无线分组调度算法必 须尽量减少在处于错误状态的链路上进行的无效传输，同时必须尽量增加有效的 服务分配和无线信道的带宽利用率。 ( 5 ) 简单性 分组调度算法还必须满足简单的原则，不能过于复杂，这样才能高速的调度 实时的媒体业务，满足其严格的时延要求。 8 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 4 2 无线网络分组调度算法模型 无线网络分组调度算法是由有线网络的分组调度算法衍生而来。但由于无线 网络具有信道出错率高，且常是突发性，导致分组无法发送的特征，不能将有线 网络中的调度算法直接应用到无线网络中。现今的常用的解决方法是基于信道状 态的调度和补偿。 具体地讲，无线环境下的数据流在准备传输前先要检测信道状态，当某数据 流检测到信道出错( 由于突发的和位置相关的原因) 时，即使它处于积压状态， 此时也是不能传输的，需要等待信道恢复后再延迟传输。但无线信道资源是有限 的，信道资源不能空闲，因此，虽然部分数据流暂时得不到服务，但总可以在其 它位置找到无差错信道进行传输服务。这样，就把应该给这些有差错数据流的资 源先服务于无差错数据流，这些无差错流就暂时获得了多余的服务。虽然信道得 到了充分利用，但违反了系统的短期公平性。因此，要对那些由于信道出错而延 迟传输的数据流进行补偿。即：当这些延迟传输的数据流检测到信道由坏变好时， 原先无差错数据流要将获得的多余服务交还给延迟传输的数据流( 对获得多余服 务的数据流进行惩罚) ，当所有的服务得到补偿后，调度器对服务的分配遵从于 有线网络的调度算法，以获得长期公平。补偿的目的是使由于信道出错而滞后的 数据流能够收回先前失去的服务，使超前流放弃过去获得的多余服务。 补偿机制是无线调度中的关键技术，补偿模式是无线调度算法区别于有线调 度算法的最重要的部分。t i m e l y ( t h ei l l i n o i sm o b i l ee n v i r o n m e n t sl a b o r a t o r y ) 研究组的l u 等人专门针对无线补偿提出了一个无线网络的分组调度算法模型 1 1 4 我们将这个模型称为t i m e l y 模型。基本可分为五个部分： ( 1 ) 无差错服务 即理想状态下( 无信道误码) 的分组调度模型。这时的情况和有线网络状况 基本一致，所以可以考虑采用有线网络中的分组调度算法，如w r r ( w i r e l e s s r o u n dr o b i n ) 、w f q ( w e i g h t e df a i rq u e u e i n g ) 和s t f q ( s t a r t - t u n ef a i rq u e u e i n g ) 等算法。 ( 2 ) 超前和滞后系数模型 l u 等人定义在固定时刻实际接受无差错服务超过其预定的无差错服务的流 为超前( 1 e a d i n g ) 流，而实际接受无差错服务少于其预定的无差错服务的流为滞 后( 1 a g g i n g ) 流。如果流既不超前也不滞后，则称之为同步流。这个部分用以确 定哪些流处于超前或滞后状态，以及其超前或滞后的量，这里假定系数的量为时 隙。目前存在两种计算方式： i 直接计算实际接受无差错服务与预计接受无差错服务的时隙差。 9 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 n 计算己被分配给其它流的时隙量( 1 a gi n d e x ) 和接受到的额外服务的时隙 量( 1 e a di n d e x ) 。 显然第二种方式更为准确，可以通过设定超前和滞后系数的限制达到对各个 流的不同处理，比如滞后系数达到一定程度即可丢掉该滞后流。 ( 3 ) 补偿模型 即在一个信道从差错( e r r o r ) 到无差错( e r r o r - f r e e ) 状态后，采用什么样的方式对 该信道滞后的流进行补偿。这是无线分组调度算法的关键部分。这个模型需要考 虑三个问题：超前流的补偿方式、补偿时隙( 超前流归还的时隙) 的分配方式和 滞后流的补偿方式。 对于超前流的补偿方式，目前存在三种不同的方式： 1 超前流将其所有的时隙都归还给滞后流，直至滞后流达到同步。 超前流按一定比例将其分配的时隙归还，直至滞后流达到同步。 i n 超前流不作任何补偿。 显然如果超前流将所有时隙都归还会造成该服务的中断，这一时期很可能会 导致该队列溢出。而按比例归还保证了该连接的性能衰退保持在一定范围，即满 足短期内吞吐量的限制。 对于补偿时隙的分配方式，也存在三种不同的方式： i 补偿时隙优先分配，直至系统不存在滞后流。这样的后果明显会影响同步流， 甚至可能造成同步流变成滞后流。 当超前流归还时隙时开始分配补偿时隙给滞后流。 m 系统预留一定带宽用以补偿。 对于滞后流的补偿方式，也存在三种不同的方式： i 补偿时隙分配给滞后系数最大的流。 补偿时隙分配给滞后时间最长的流。 m 补偿时隙也按公平排队的方式进行分配。 ( 4 ) 信道监视和预测 由于必须由基站处理调度，基站不可预知用户到基站的上行流的状态( 如上 行流的到达时间) ，当用户的连接处于通信状态时，有必要由用户台监视信道状 态，预测未来信道状态，并将此信息传递给基站。 ( 5 ) 分组队列到排队队列的映射 由于基站( 调度器) 处理的是分配时隙的任务，只是将时隙分配给某一个排 队队列的第一个分组( h e a do fl i n e ) ，而不去考虑这一队列中分组的顺序。比如 在某个队列中，由于误码或别的原因重发的包在队列中的位置靠后，如果按照有 线网络中的公平排队算法，它在这一队列中将最晚得到服务，对于时延敏感的业 1 0 重庆邮电大学硕上论文第一章绪论 务来说，会出现大量丢弃分组的状况。这个问题在无线网络中更容易发生，因此， 在调度算法中应该建立将分组顺序映射到排队顺序上的模块，当分组到达后，根 据其分组的顺序重新调整排队。 1 5 本文主要的研究工作 本文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章介绍了q o s 研究现状，i e e e 8 0 2 1 6 系列协议以及无线分组调度等问题， 分析了网络带宽资源、提供的服务等级与用户不断增长的多媒体业务需求间的问 题。阐明了w i m a x 系统的q o s 研究具有十分重要的理论价值。 第二章介绍了i e e e 8 0 2 1 6 d 协议，着重阐述了该协议中的q o s 机制，包括业 务流管理和q o s 实现机制。 第三章在i e e e 8 0 2 1 6 d 原有q o s 架构的基础上，提出了一种改进的q o s 架构， 补充了8 0 2 1 6 d 中未定义的部分。并就q o s 架构中的上行调度提出了一种m p f q 与w f 2q p 算法结合的分级调度算法结构。 第四章分析比较了现有几种典型的无线分组调度算法，并对本文中上行调度 结构中采用的w f 2 q + 分组调度算法做了改进，使其适合于w i m a x 系统；对该 改进算法进行仿真，验证其可行性。 第五章总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 第二章w im a x 系统的q o s 机制 暂不考虑移动性，本文对w i m a x 系统的研究主要基于i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 ( 8 0 2 1 6 d ) 协议。本章第一节将首先介绍i e e e8 0 2 1 6 d 协议栈，并分层进行说 明。第二节详细阐述了8 0 2 1 6 dm a c 层q o s 相关机制。 2 1w i m a x 体系结构 i e e e8 0 2 1 6 d 规范的协议栈模型【5 1 如图l 所示。空中接口由物理层( p h y ) 和媒质接入层( m a c ) 组成，m a c 层又分成了三个子层：特定服务汇聚子层 ( s e r v i c e s p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 、公共部分子层( c o m m o np a r t s u b l a y c r ) 、安全子层( p r i v a c ys u b l a y e r ) 。 2 1 1 物理层 图2 1 8 0 2 1 6 d 空中接口协议栈模型 i e e e 8 0 2 1 6 d 共定义了4 种物理层规范，分别为无线城域网一单载波 蔓压坚皇盔兰堡主丝茎笙三童幽燮墨丝塑q 竺璺垫型 ( w m a n - s c ) 、无线城域网一增强单载波( w m a n - s c a ) 、无线城域网一正交频分复 用( w m a n o f d m ) 和无线城域网一正交频分多址( w m a s o f d m a ) ，其中 w m a n - s c 模式工作在l o “6g h z 频段，而其他模式工作在2 1 1g h z 频段。各 种模式的物理层均支持时分双工( t o d ) 、频分复用( f d d ) 以及半频分复用 ( h a l