（电路与系统专业论文）基于ieee80216d的资源调度机制及其优化.pdf

基于i e e e 8 0 2 1 6 d 的资源调度机制及其优化 专业：电路与系统 硕士生：姚志平 指导教师：秦家银教授 摘要 无线城域网( w m a n ) 标准i e e e s 0 2 1 6 d 是第一个用于固定宽带无线接入 的商业标准，定义了物理( p i t y ) 层和介质接入控制( m a c ) 层的技术规范。 固定宽带无线接入技术使用无线介质为离散的用户站点提供高带宽的语音、数 据和多媒体业务，在组网、安装、维护方面灵活快捷，而且系统开发运营成本 低，具有巨大的商业价值，必将成为未来的无线通信主流技术之一。 随着业务的高速发展，高用户量，高数据传输量，多种业务并存的现状使 得对无线通信网络实施无线资源管理非常必要。在m a c 层的无线资源管理机 制的实现上，i e e e 8 0 2 1 6 d 协议本身仅仅给出了m a c 层的系统功能和信令交互 格式的描述，对于具体的实现方法则并未定义。 本文基于8 0 2 1 6 d 协议中规定的m a c 层资源调度模型，主要研究了竞争接 入以及上行资源队列调度机制的算法仿真和实现机制。本文首先针对非授权业 务的竞争接入模式，推导出接入竞争窗口与接入用户数之间的关系，并在 m a t l a b 上进行了数值仿真以及在o p n e t 上建立了竞争接入模型加以验证。 接着，对接入成功后s s 端的上行资源队列调度策略进行了分析以及实现，并在 m a t l a b 上进行了数值算法仿真，在保证一定的q o s 质量前提下，实现了一 种基于队列调度的资源优化策略。通过对仿真结果的分析，进一步论证了本文 提出的针对也e i 瑚2 1 6 d 协议的资源调度优化策略的可行性及正确性。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 d ；资源调度；竞争接入；上行调度；优化 a b s t r a c t r e s e a r c ho i lr e s o u r c es c h e d u l i n ga n do p t i m i z a t i o n f o ri e e e8 0 2 1 6 dp r o t o c o l m a j o r ：c i r c u i ta n ds y s t e m n a m e ：z h i p i n g y a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i a - y i nq i n a b s t r a c t w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na c c e s sn e t w o r k ( w m a n ) p r o t o c o li e e e 9 0 2 1 6 di st h e l u s tc o m m e r c i a l - o r i e n t e do n ef o r 丘x e db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s 、张) ，w h i c h d e f i n e sas e r i e so ft e c h n o l o g yo np h ya n dm a cl a y e r f i x e db m a d b a n dw i r e l e s s a e c e s sp r o v i d e sh i g hr a t ev o i d a t aa n dm u l t i m e d i as e r v i c ef o rm u l t i p o i n t d i s t r i b u t e dc l i e n t st h r o u g hw i r e l e s sm e d i a , w h i c hh a v et h ea d v a n t a g eo fd e p l o y m e n t i n s t a i l a t i o na n dm a i n t e n a n c e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds e r v i c e , i ti sn e c e s s a r yt oe m p l o yw i r e l e s sr e s o u r c em a n a g e m e n tt op r o v i d en u m e r o u sc l i e n t s w i t hh i g hr a t et r a f f i ca n dm u l t i - s e r v i c e w h i l e t h ei e e e s 0 2 1 6 dp r o t o c o ld 0n o t s p e c i f yt h ei m p l e m e n t a t i o no fw i r e l e s sr e s o u r c em a n a g e m e me x c e p tf o r s o m e f u n c t i o n a ld e s c r i p t i o na n dm e s s a g e f l o wm e c h a n i s m i nt h i sp a p e r , w es t u d yt h ep r o c e s so fc o n t e n t i o n - b a s e dm e d i aa r a ? ：s sa n du p l i n k b a n d w i d t ha l l o c a t i o no nt h eb a s i so f 髓脚2 1 6 d w ed e d u c et h er e l a t i o no f c o n t e n t i o nw i n d o w sa n dt h ea c c e s s e du s e r sa n dc a l c u l a t et h eo p t i m i z e dc o n t e n t i o n w i n d o w sa c c o r d i n gt ot h en u m b e ro fu s e r s a f t e r w a r d s ，w ea n a l y z ea nu p l i n k b a n d w i d t ha l l o c a t i o ns c h e m ef o rq o sg u a r a n t e ea n dr e s o u r c eo p t i m i z a t i o n r e s o u r c e m a n a g e m e n tp e r f o r m a n c ei se s t i m a t e dw i t ht h ea v e r a g ed e l a ya n db a n d w i d t h u t i l i z a t i o no ft h eq u e u eb a s e do i lt h eq u e u ep r o b a b i l i t yt r a n s i t i o nm a t r i xa n da q u e u e a w a r eb a n d w i d t ha l l o c a t i o nm e c h a n i s mi sp r e s e n t e d b o t hc a s e s a r es i m u l a t e d m 中山大学硕士学位论文 i nm a t l a ba n do p n e tn e t w o r km o d e l sa r ea l s oe m p l o y e dt ov e r i f yt h er e s u l t s k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 1 6 d , r e s o u r c es c h e d u l i n g , c o n t e n t i o n - b a s e da c c e s s ，u p l i n k b a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，o p t i m i z a t i o n - i v 绪论 一、研究背景 第一章绪论 固定宽带无线接入技术使用无线介质为离散的用户站点提供高带宽的语音、 数据和多媒体业务，在组网、安装、维护方面灵活快捷，而且系统开发运营成本 低，具有巨大的商业价值，成为潜在的未来主流技术之一。2 0 世纪9 0 年代，宽 带无线接入技术得到了快速发展，主要产品有本地多点分配系统( l m d s ) 和多 信道多点分配技术( m m d s ) ，其市场定位于小型家庭办公( s o h o ) 、中小企 业、城市商业中心等用户，尤其是中小企业和城市人口密集的高楼商业区应用的 成本效益明显。但是这一产业没有更进一步繁荣壮大，一个很重要的原因就是没 有统一的全球性宽带无线接入标准。1 9 9 9 年，m e e 成立了m e e8 0 2 1 6 工作组 来专门研究宽带固定无线接入技术规范，i e e e8 0 2 1 6 是m e e 8 0 2 w m a n 的一个 工作组，工作组名称是b r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s ss t a n d a r d s ( 宽带无线接入标准) 。 工作内容主要是开发宽带无线接入系统标准，包括空中接口及其相关功能标准， 目标就是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。在2 - - 6 6 g h z 频段上制定的 无线城域网( w h l e s sm a n ) 标准，标准许可带宽和免许可带宽，i e e e8 0 2 1 6 工作组的出现大大地推动了宽带无线接入技术在全球的发展。 i e e e8 0 2 1 6 标准最初工作在1 0 - 6 6 g h z 频段，仅支持视距( l o s ) 传输和点 到点通信 2 。扩展后的8 0 2 1 6 a 标准工作在2 - l l g h z 的较低频段，允许非视距 ( n l 力s ) 传输和点到多点( p m p ) 通信，支持m e s h ( 网状) 拓扑结构，并且允 许灵活的用户部署和操作。2 0 0 4 年7 月，i e e e8 0 2 1 6 组织将8 0 2 1 6 2 0 0 1 和 8 0 2 1 6 a 空中接口标准进行了融合，又通过了i e e e8 0 2 1 6 d ，即8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准， 标准可以应用于2 - 1 1 g h zn l o s 传输和1 0 - 6 6 g h zl o s 传输。随后，分别针对移 动w i m a x ，管理信息库以及网络部署等问题，i e e e 又再先后确定了i e e e 8 0 2 1 6 e ，i e e e8 0 2 1 6 f ，i e e e8 0 2 1 6 9 ，i e e e8 0 2 1 6 j 标准。而i e e e8 0 2 1 6 d 标 准是其中一个相对成熟、实用的一个标准版本。 i e e e8 0 2 1 6 d 对2 6 6g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层做了详细规 定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多 中山大学硕士学位论文 个物理层。该标准对i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 和i e e e8 0 2 1 6 a 进行了整合和修订，但仍 属于固定宽带无线接入规范。它保持了8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 等标准中的所有模式和 主要特性，增加或修改的内容用来提高系统性能和简化部署，或者用来更正错误、 补充不明确或不完整的描述，包括对部分系统信息的增补和修订。同时，为了能 够后向平滑过渡到8 0 2 1 6 e ，8 0 2 1 6 d 增加了部分功能以支持用户的移动性。是相 对比较成熟并且最具实用性的一个标准版本。 为有助于将i e e e8 0 2 1 6 定义的广义标准变成更加具体的标准，以满足特定 服务提供商的需求，2 0 0 1 年4 月，i n t e l 、奥维通、a i r s p a n n e t w o r k s 、n o k i a 、p r o x i m 、 r e d l i n ea n d a p e r t on e t w o r k s 、a t & t 等1 0 0 家生产、运营商成立了一个非盈利工 业贸易联盟组织一一w i m a x 论坛，它全称是w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e 豁，全球微波接入互操作性，它负责推广遵循i e e e 8 0 2 1 6 和e t s i h i p e r m a n 的宽带无线接入设备，目标是对以i e e e8 0 2 1 6 系列宽带无线接入 标准为基础的产品互通性进行测试和认证，以保证市场上设备的部件是标准化 的。此外，w i m a x 论坛组织还致力于帮助解决技术以外的问题，如各国的频率 分配、市场应用案例分析等。目前w i m a x 几乎成为了i e e e 8 0 2 1 6 标准的别称， 组织成员也发展到约7 0 0 多家。 二、研究意义 在物理层和m a c 层协议的支持下，i e e e 加2 1 6 系统表现出优异的无线传输 性能，其最高传输速率可达7 0 m b i t s s ，最大覆盖范围可达5 0 k i n ，并具有很强的 多业务支持能力，在高速i n t e r n e t 接入、双向数据通信、私有或公共电话、双向 多媒体服务和广播视频等领域具有广泛的应用前景。由于所采用的o f d m 调制 方式其自身的技术特点，允许子载波间频谱混叠，使得系统的频谱利用率大大提 高。此外，采用动态频率选择来降低干扰，采用自适应天线系统来提高覆盖范围和 网络容量，采用空时编码方式通过空间分极在衰落环境下提高系统性能，这些技 术保证了8 0 2 1 6 系统在各种信道环境下均具有良好的无线性能。综合来说， 8 0 2 1 6 的主要优势在于： ( 1 ) 实现更远的传输距离。它所能实现的5 0 公里的无线信号传输距离是无 线局域网所不能比拟的，网络覆盖面积是3 g 发射塔的1 0 倍，只要少数基站建设 绪论 就能实现全城覆盖，这样就使得无线网络应用的范围大大扩展。 ( 2 ) 提供更高速的宽带接入。它提供的最高接入速度是7 0 m ，该速度是3 g 所能提供的宽带速度的3 0 倍。 ( 3 ) 提供优良的最后一公里网络接入服务。作为一种无线城域网技术，它可 以将w i f i 热点连接到互联网，也可作为d s l 等有线接入方式的无线扩展，实现最 后一公里的宽带接入。它可以为5 0 公里线性区域内提供服务，用户无需线缆即可 与基站建立宽带连接。 ( 4 ) 提供多媒体通信服务。由于w i m a x 相对于w i f i 而言，具有更好的可 扩展性和安全性，从而能够实现电信级的多媒体通信服务。 ( 5 ) 具有更好的适用性和更低的成本。8 0 2 1 6 网络拥有的良好适用性充分 体现在以下几个方面：一是网络部署时闻短；二是具有完全覆盖能力；三是可根 据应用需要灵活调整。同时因为其一个基站就可以覆盖5 0 公里，所以只需几个 基站就可覆盖整个城市，大大节省了网络施工成本。 因此，i e e e s 0 2 1 6 技术被视为目前最有发展前景的宽带无线接入技术，是下 一代网络( n g n ) 发展中重要的组成部分。但是为了与有线接入技术竞争，i e e e 8 0 2 1 6 无线技术必须在衰落信道提供与有线服务质量相当的高速率无线接入服 务，并最终为用户提供端到端的连接。宽带无线城域网为了提供足够的上下行带 宽速率，其中的资源调度策略直接关系到系统性能的优劣。另外，i e e e8 0 2 1 6 利用无线链路进行传输，因此m a c 层本身关注的重点就在于如何高效地利用空 中链路资源1 3 】。在i e e e8 0 2 1 6 协议的诸多资源调度研究热点中，又以基于 i e e e 8 0 2 1 6 协议q o s 保障的资源调度机制由于在科研和应用领域具有双重意义， 而格外引人注意。在资源调度的实现方案上，不同调度服务都有不同的特征，因 此应对不同的调度服务提供不同的接入算法。接入算法的优劣直接影响到整个系 统的吞吐量。如何使调度算法在吞吐量，延时，丢包率，系统复杂性上取得平衡， 如何通过切实有效的调度方案和评估手段使支持q o s 服务的调度方案实现资源 的优化配置，都具有非常现实的研究意义。 三、研究的现状 目前，各厂商以及研究机构都积极投入到8 0 2 1 6 d 的技术研究和设备开发工 中山大学硕士学位论文 作当中。设备制造方面，最为积极的主要有l m d s 和m m d s 以及一些拥有o f d m 知识产权的解决方案提供商。而中国的中兴华为等设备厂商w i m a x 论坛的加 入，也进一步提高了中国在w i m a x 商用及设备开发中的地位。 w i m a x 在设备商用化进程方面已初步形成了芯片研发、设备生产、系统应 用的产业链【4 】。目前，继i n t e l 在2 0 0 4 年9 月推出了基于8 0 2 1 6 d 的r o s e d a l e 芯 片，i n t e l 、意法半导体、r u n c o m ，b e c e e m 等公司己能陆续提供8 0 2 1 6 e 芯片组， 且大部分终端芯片都支持m i m o a a s 技术。近期，英特尔推出了符合i e e e 8 0 2 1 6 e2 0 0 5 标准和支持w i f i 及m i m o 技术的移动版w i m a x 芯片：i n t e l w i m a xc o n n e c t i o n2 3 0 0 。终端方面，2 0 0 7 年1 ，三星公司推出了世界上首款 支持w i m a x 无线宽带技术的笔记本电脑。而面向个人用户市场的手持式p d a 终端，商用时间估计要到2 0 0 8 年以后。w i m a x 论坛认证通过的产品有2 8 款， 包括1 3 款基站设备和1 5 款用户端设备，涉及到1 2 个设备厂家。全球范围的 w i m a x 部署发展迅速。截止到2 0 0 6 年上半年，全球得到w i m a x 许可的企业 已达到了7 2 1 家【5 】。2 0 0 6 年8 月，s p r i n t n e x t e l 宣布与i n t e l ，m o t o r o l a 和s a m s u n g 合作在美国全国部署移动w i m a x 网络。诺基亚近期也成为s p r i n tn e x t e l 的 w i m a x 无线宽带网络的网络设备和终端的供应商。s p r i n tn e x t e l 计划2 0 0 7 年在 w i m a x 方面投资8 亿美元，而2 0 0 8 年投资将增加到1 5 2 0 亿美元。使用2 5 2 6 9 g h z 的频段，首先应用于便携和游牧的场景，后续将支持移动的手持终端和 p d a 。将使用多模终端与c d m a 网络配合提供业务，移动w i m a x 主要提供宽 带数据业务。2 0 0 6 年初，日本k d d i 移动公司在大阪中心地区顺利完成了日本 首个移动w i m a x 系统测试，证实了w i m a x 在城市环境中移动车辆使用的相关 功能，为公司正式运营w i m a x 网络奠定了基础。日本n t f d o c o m o 公司也于 2 0 0 6 年2 月开始对w i m a x 进行首次测试。另一日本运营商y o z a n 已经在日本 东京部署了w i m a x 网络，主要用作其w i f i 热点的回传手段。2 0 0 6 年1 2 月， 日本软银集团开始在东京进行移动w i m a x 面向商用化的试验。a i r s p a n 公司在 卡塔尔首都多哈举行第十五届亚运会期间，成功部署了其合并的w ia x i - - f j 方案，w i m a x 主要为w i f i 热点提供无线传输。北电协助中华电信为台湾 宜兰县政府部署了i e e e s 0 2 1 6 e 移动w i m a x 网络。 在国内，中国网通利用己获得的3 5 g h z 固定无线接入频率，已在多个地方 建设了w i m a x 试验网，其中广东和湖南的w i m a x 网络已经进入试商用阶段。 中国电信在北方展开测试工作；中国移动、中国铁通和中国卫通也在积极进行 w i m a x 试验。中电华通作为新兴运营商曾在3 5 g h z 无线接入频率招标中中标 3 0 个大城市，2 0 0 6 年8 月获得信息产业部的经营许可批文，目前开展的无线宽 带业务就是采用w i m a x 的i e e e s 0 2 1 6 标准。整体来看，目前的三家固网运营 商中国铁通、中国网通和中国电信对于w i m a x 的态度比较积极。由于w i m a x 频率还没有分配，大部分运营商还只是处于跟踪和试验阶段。 从目前的技术发展来看，有很多技术问题仍然需要进一步研究，这包括提高 系统的频谱利用率( 如利用s t c + o f d m 技术或超宽带调制技术等) ；降低小区 间的干扰；提高系统容量( 如采用动态频率选择和自适应天线技术等) ：改进 m a c 层性能，研究在宽带无线传输条件下的资源管理机制等；增强安全性能，解 决目前协议中的安全漏洞问题。 在m a c 层的无线资源管理机制的完善和改进问题上，i e e e s 0 2 1 6 d 协议本 身仅仅给出了m a c 层的各种机制和信令交互格式的目标描述，对于其中的实现 方法则留给各厂商完成。在现有声称已实现w i m a x 标准商用厂商中，q o s 都被 列为主要设备参数之一。但是，实际操作性能还有待检验。而关于i e e e 8 0 2 1 6 d m a c 层的研究文献，有相当大一部分也是针对q o s 的算法实现以及资源调度优 化1 6 7 1 ，并且已经提出了一系列的资源分配机制以及队列算法，诸如文献【8 】中 提出的资源冲突解决方案，还有文献【9 】中提出的e d f , w f q 队列算法，文献【1 0 】 中提出的动态队列算法，文献【1 1 】提出的已延迟为主要考虑参数的d r r 和w r i t 算法。但是，在诸多的文献中，都没有对已提出的队列模型的合理性以及其性能 优越性进行合理的论证和比较。而本课题的重点工作之一，就是对m a c 层资源 调度机制的优化研究和仿真实现及其性能评估，并尝试通过仿真模型和数据分析 来论证其现实可行性和客观合理性。到目前为止，已有多家设备制造商声称其设 备能够支持兼容i e e e 8 0 2 1 6 d 协议的m a c 层标准，并且已经有一定数量的文献 针对m a c 层的各种关键技术进行了相关的研究和并提出了各种实现机制，但是 真正完全实现支持q o s 的资源调度机制并论证其合理性以及优越性的研究文献 仍然很匮乏。本研究课题的内容。就是对m a c 层资源调度机制的优化研究和仿 真实现及其性能评估。本文针对i e e e 8 0 2 1 6 d 标准下的宽带无线接入系统设计 中山大学硕士学位论文 了一系列能够保证用户q o s 的资源调度和优化方案，该方案由竞争接入控制方 案、上行带宽分配方案两部分组成。 四、课题研究内容 本文的主要工作就是基于i e e e 8 0 2 1 6 d 协议，对m a c 层的调度策略以及 q o s 的实现功能进行研究，结合数学理论推导与网络模型仿真，提出并验证了一 系列资源优化机制以及性能评估策略。 本文正文由以下五部分组成： 第一章绪论中我们介绍了本文的研究背景以及研究内容。概括阐述了宽带无 线接入标准i e e e 8 0 2 1 6 协议的发展现状，市场应用，关键技术及本文的研究重 点。 第二章我们详细介绍了i e e e 8 0 2 1 6 d 的协议框架，对协议参考模型，m a c 层和物理层的关键技术和特点分别做了介绍，包括m a c 层的q o s 保证机制以及 资源调度策略。 第三章具体针对i e e e 8 0 2 1 6 d 协议m a c 层的q o s 保证机制以及资源调度策 略，分析了符合i e e e 8 0 2 1 6 d 协议的q o s 保证机制的实现框架，并且具体研究 了i e e e s 0 2 1 6 d 协议的资源调度机制，确定了资源优化的内容以及具体策略。 第四章是本文的主要研究内容，通过数学建模和理论推导，我们实现了 i e e e 8 0 2 1 6 d 协议资源调度过程中，竞争接入以及上行资源调度的优化。并且结 合之前的协议实现框架，详细描述了在o p n e t 上建立竞争接入模型和上行调度 模型的仿真方法和实现方式。通过对仿真结果的分析，进一步论证了本文提出的 针对e e 8 0 2 1 6 d 协议的资源调度优化策略的可行性及正确性。 第五章是本文的最后一章，对全文进行了总结，分析了本文的不足和研究成 果，并指出了结合文中提出的模型，对i e e e 8 0 2 1 6 d 协议资源调度机制的优化的 进一步的研究方向。 i e e e8 0 2 1 6 简介 第二章i e e e8 0 2 1 6 简介 一、i e e e8 0 2 1 6 协议 1 协议介绍 图2 - 1 所示是i e e e8 0 2 1 6 d 的协议栈结构，主要包括m a c 和p h y 两个主要 层次，而在m a c 层中又按功能细分为特定业务汇聚子层( c s ) 、m a c 公共部分 子层( c p s ) 和加密协议子层( s s ) 三部分组成，其中加密协议子层是可选的。 ，一- 。一 ；s 畔o f s t a n d a r d； r 二 x ) ，丢失的p d u 数据包为l b 一( ) 【 一对。平均丢失的p d u 数据包数可由下式 k _ 鹱蓑小川( 封吼卜酬 得到。其中，【气+ m 】啊为转移概率矩阵元素中。行j 列的元素，荟【k m l 表 示增加m 个p d u 数据包在所有状态s 的概率，这一概率因d m m p p 概率的不同 面不同，因为我们考虑的是周一蛟长周期到达的p d u 数目。得到平均丢包数后， 我们就可以很容易计算到丢包率，即 。等 睁功 其中，p 是每一帧长周期p d u 的平均到达数。知道了丢失概率，容易知道队列 中山大学硕士学位论文 流量，即每一帧长周期传输的p d u 数。因为不丢失的数据帧均会被传输，因此 容易得到队列流量的表达式 叩。a ( 1 一j ”j ( 4 - 2 8 ) 其单位为p d u 每帧。这里队列流量即有效队列到达速率。在基于队列的带宽分 配算法中，每一连接的平均带宽分配量为 5 。耋6 ( 工) ( 耋石( 岛z ) ) 。4 2 。， 上式中6 b ) 表示队列资源调度行为，在得到上述一系列队列状态的表达式后， 我们可以求得之前定义的性能参数延时( d e l a y ) 以及带宽利用率 ( b a n d w i d t h u t i l i z a t i o n ) 。容易得到平均时延即p d u 从进入队列到被发送出去的 平均时间。由下式获得 万。兰 珂 而带宽利用率可由下式获得 ( 4 - 3 0 ) p；菩(4-31) 下面我们队列通过一个现实的信源模型和调度算法来分析队列调度算法的 性能。 首先我们构造一个两态的马尔可夫调制泊松过程，其中信源的表达式为 u o ，2 ( 吕三三茗) ，人o ，自a ( 乞：5 ：) c 队列的最大到达速率为a = 5 0 ，队列长度的门限值为x = 1 0 0 ，超过门限值的 均视为已出。在已构造信源模型的基础上，下面我们分析一种基于队列长度的上 行资源调度算法，资源调度行为6 “) 如下式所示 r 0 ，x - - o 6 ( 卫) 一 b ，妒b 墨z 1 5 f m 阻，妒一x ( 禾 其中妒“仙，石 ，妒。j 妒b + - ，6 1 ，。这里妒。表示的就是一系列的队 列门限值，即调度器通过判断当前队列长度来决定分配带宽的大小，即资源调度 资源州， 的仇化tj 实j 见 由系列门限序列、i ，2 ：。眠，缈一j 决定。通常，门限都是呈等差关系 增长，我们用、i ，2 旧，q + 8 ，q + 6 8 ，8 * + 6 m n 8 j 来表示门限序列。在本次仿真中， 我f 设置，e i = l ，e = 5 ，b m 。= 6 ，即v = l ，6 ，1 l ，1 6 ，2 1 ，2 6 。 通过m a t l a b 仿真我们可以得到资源调度器随着队列状念的变化而动态授 予不同的带宽的情况。随着队列长度的增加和减少，分配的带宽也随之增加或减 少，从下图4 一1 4 我们可以看到，虽然队列长度有一定的抖动，但是由于分配带 宽随着队列长度动态变化，队列长度也能够及时被修币在一定的长度范围内。 幽4 1 4 基丁队列k = 度的上行资源分配策略 接下来我们通过对建立模型的队列转移概率矩阵进行分析，得到该队列算法 的一系列性能值。 中山人学坝i 学位论文 图4 1 5 基丁不同的上行资源分配策略的队列平均时延与信源速率的关系 c 兰 3 幽4 - 1 6 基丁不同的上行资源分配策略情况f 的资源利埘率与信源速率的戈系 通过m a t l a b 的仿真曲线我们可以看到，在信源速率较低的情况下，基于 4 2 - 资源调度的优化与实现 队列长度的动态队列调度算法与恒定的b m a x 带宽授予方案都能实现一个较低的 延时值。当然，在静态的资源分配方法中我们设置的是b - - b m a x ，因此得到一个 相对更低的延时值。但是，我们也注意到，当调度器使用固定b m a x 的授予方式 时，虽然能维持一个较低的延时值，但是在信源速率较低的情况下，它所能达到 的资源利用率是相对较低的，这在无线链路资源相对紧张的w i m a x 系统中，是 不能够接收的。相反，我们发现使用动态队列调度算法的两种方案，都能够实现 非常好的资源利用性能，从而达到资源的优化使用。 另外，我们不难发现，比较使用动态队列调度算法的两个延时曲线图，取不 同的门限差值( 仿真中e = 3 与e = 5 ) 我们所达到的延时值是有差别的，反映到我 们i e e e s 0 2 1 6 dm a c 层的区分服务流中，就是不同的q o s 性能。我们知道，在 i e e e s 0 2 1 6 d 所定义的四种业务中，非授权业务即r i p s ，n r t p s 业务都是时延敏感 或速率敏感的，也就是对延时参数有一定的门限要求。因此我们可以通过适当的 设置调度门限序列，实现支持各种o o s 业务流的调度策略，并且达到资源优化 利用的目标。 3 上行调度过程的o p n e t 模型仿真 接下来我们在o p n e t 上对我们的上行资源调度模型进行建模仿真，验证在 资源带宽一定的条件下，我们能够保证不同的q o s 要求，并且实现资源的优化 配置。并且通过设置不同的队列调度门限值，实现不同等级的q o s 调度服务。 我们在o p n e t 上通过建立一系列的排队系统来实现上行资源调度模型的仿真。 排队系统一般用m m 1 系统来表示，如图4 一1 7 所示，到达的服务数服从一 定的随机分布( 如泊松分布) ，m 代表马尔可夫过程，1 代表一个队列服务。 i ，m ，l 到达队列 随机过程 队列缓冲队列服务 图4 1 7 简单队列模型示意图 中山大学硕士学位论文 下面我们来介绍根据m e e 8 0 2 1 6 d 协议我们所定义四种队列到达模型。我们 知道，上层到达的数据包，m a c 层根据t o s 或其他已设置的服务参数区分为不 同的服务流，把它与特定的连接流( ) 以及u g s 、r t p s 、n r t p s 、b e 服务流( s f i d ) 相对应。上层业务数据流特性需和m a c 层q o s 参数相适应，这样m a c 层才能 最好地保证数据业务的q o s 要求。 根据i e e e 8 0 2 1 6 d 中对u g s 的描述，u g s 是指数据流以固定周期发送且数 据包长固定的数据业务，例如t 1 e l 和非压缩的v o 口都是典型的应用。因此在 s s 数据源的属性中定义所发送的数据包发送间隔( s o u r c ep a c k e ti n t e r a r r i v a l t i m e ) 为常数1 s ，包的大小( s o u r c ep a c k e ts i z e ) 为常数1 0 2 4 b i t ，符合u g s 调度业务的要求。如下图所示是在o p n e t 中设置的u g s 信源参数。 图4 - 1 8 u g s 信源参数 根据i e e e s 0 2 1 6 d 中对r t e s 的描述，r t p s 是指数据流以固定周期发送但数据 包变长的数据业务，例如m p e g 视频和压缩的 b i p 都是典型的应用。因此在 资源调度的优化与实现 s s 数据源的属性中定义上层所发送的数据包发送间隔( s o u r c ep a c k e t i n t e r a r r i v a lt u n e ) 为常数1 s ，包的大小( s o u r c ep a c k e ts i z e ) 为5 0 0 b i t 到1 5 0 0 b i t 之间的均匀分布，符合r t p s 调度业务的要求。如下图所示是在o p n e t 中设置 的r t p s 信源参数。 图4 - 1 9r t p s 信源参数 根据i e e e s 0 2 1 6 d 中对n r t p s 的描述，n r t p s 支持发送间隔变长、数据长度变 长的数据流，但有最小数据率的要求，例如f t p 是典型的应用。与r t p s 不同， 当网络出现拥塞时r t p s 仍能获得固定周期的单播轮询申请，而n r t p s 的单播轮询 申请却不能够保证。最后是b e 服务，支持的数据流没有最小服务水平的限制， 在资源有剩余时做处理，例如i n t e r n e t 的w e b 冲浪是最典型的应用。这两种业务 在o o s 参数上的区别主要是优先级和请求传送策略。因此在s s 数据源的属性 中定义这两种业务上层所发送的数据包发送间隔( s o u r c ep a c k e ti n t e r a r r i v a l t u n e ) 为均值等于1 s 的泊松分布，包的大小( s o u r c ep a c k e ts i z e ) 同样服从均值 中山大学硕士学位论文 为1 0 2 4 b i t s 的泊松分布，符合n p s 和b e 调度业务的要求。如下图所示是在o p n e t 中设置的r t p s 信源参数。 图睨0n r t p s 信源参数 接下来介绍我们的网络拓扑模型，如图4 2 1 是我们构建符合点对多点 ( p m p ) 拓扑的的资源调度的网络模型，包括一个中心基站( b s ) 以及包括多 种上层业务信源的用户站( s s ) 。每个用户站都会把不同的上层业务流映射到不 同的队列连接中去，根据不同的业务参数，通过自身的调度器进行上行资源调度 工作。也就是说不同队列根据接入业务的不同采取不同的服务速率。具体来说 u g s 以及n p s 采取主动授予的机制，而m t p s 业务则采用一定的队列调度算法 来实现资源调度，b e 业务则根据剩余的带宽资源采取尽力而为的策略。 资源调度的优化与实现 图4 - 2 1 上行资源调度模型的网络拓扑图 在建立了符合协议标准的网络拓扑模型后，我们为了把上层不同的业务流信 源产生的数据包映射到不同的业务队列中，我们自定义了包含区分不同业务的服 务类型控制字的包格式。如图4 - 2 2 是我们定义的包格式模型，其中 t y p c _ o l s c f v i c e 项用以标志数据包的服务类型。 中山大学硕士学位论文 图4 - 2 2 上行资源调度模型的自定义包格式 如前所述，除了u g s 和r t p s 采用主动授予的方式以外，我们需要采取一些 有效的队列调度算法来支持n r t p s 以及b e 业务，如图4 2 4 是采用之前我们在资 源优化数值推导中提到的基于队列长度的上行资源调度算法的网络节点模型。不 同的上层信源将映射到不同的业务流队列中去，并通过调度器进行上行资源调 度。 资源调度的优化与实现 图4 - 2 3 上行资源调度模型的节点模型 在这里我们通过修改调度器的进程模型比较不同的资源调度算法在保证 q o s 服务的前提下，对资源的优化利用。如图是调度器的进程模型，当有上层数 据包进入时，根据自定义的服务类型控制字把包映射到不同的业务流队列中，并 根据一定的调度算法把数据包发送到天线端。这里，我们采用了基于固定优先级 的静态上行调度算法以及基于队列长度的动态上行调度算法。 中山大学硕士学位论文 图4 - 2 4 上行资源调度模型的进程模型 我们设置仿真时间为5 小时，仿真种子( s e e d ) 为1 0 0 ，得到仿真结果如下： 资源调度的优化与实现 图4 2 5 静态资源调度的性能曲线 图4 一z 6 动态资源调度的性能曲线 5 1 中山大学硕士学位论文 在得到的仿真结果中我们可以看到，我们的q o s 上行资源调度策略很好的 区分了不同的o o s 业务，并且能够保证不同业务的o o s 参数。其中，u g s 业务 和r t p s 业务因为不存在轮询、拥塞等情况，队列的延时非常小，非常稳定，基 本控制在0 0 0 3 秒以下的范围，而且几乎不存在抖动。很好的实现了i e e e s 0 2 1 6 d 协议中规定的u g s 和r t p s 的o o s 参数。但是，对于n r t p s 和b e 业务，我们可 以看到采用静态优先级资源分配策略以及动态队列敏感的资源分配策略所表现 出来的延时性能有比较明显的区别。 在静态优先级资源分配策略下，调度器周期性的为n r t p s 业务分配足额的上 行资源，再服务b e 。n r t p s 因为比b e 有较高的优先级，对竞争资源有绝对的支 配权，因而容易造成定期分配的上行资源的浪费。而且调度虽然能保证自身业务 的延时值维持在o 0 0 i s 的数量级内，但是对b e 业务的影响较大。当我们改为使 用基于队列长度的上行资源调度策略时，调度器将根据当前业务队列长度的变化 动态分配上行调度资源，在保证n r t p s 业务的延时在一定的可接受范围内的前提 下，很好的改善了b e 业务的延时状况。如图4 2 6 所示，在采用基于队列长度 的上行资源调度策略时，虽然n a p s 业务性能稍微有所影响，但是轮询业务的整 体延时性能得到了很好的改善。 下面我们来研究在基于队列的上行资源调度算法中，采用不同的队列门限 值，我们可以实现不同q o s 延时参数。如下图4 2 7 所示，我们通过修改调度器 的进程模型，把队列调度的门限值分别设置为5 个数据包和1 0 个数据包。把这 两个调度器分别应用到我们网络拓扑模型中的n r t p s _ l e v c l - 1 和n r t p s _ l e v e l2 节 点模型中去，仿真时间仍然设为5 小时，仿真种子( s e e d ) 为1 0 0 ，得到仿真结 果如下： 资源调度的优化与实现 图4 - 2 7 基于门限值为5 的队列进程 5 3 牛由大学硕士学位论文 图4 2 8 基于门限值为l o 的队列进程 5 4 资源调度的优化与实现 图4 2 9 基于不同门限值的不同q o s 服务等级 图4 3 0 基丁：不同门限值的不同q o s 服务等级( 平均延时值) 5 5 中山大学硕士学位论文 从上面的仿真结果中我们可以很清晰的看到，在基于队列长度的上行资源调 度算法中，我们通过适当设置不同的队列门限值，可以获得区分度很明显的上行 调度o o s 延时参数。 总结和将来工作 第五章总结和将来工作 本文从i e e e 8 0 2 1 6 d 协议入手，研究了固定宽带无线接入技术i e e e 8 0 2 1 6 d 的接入控制，请求机会分配，上行资源调度，上下行传输，o o s 保证等资源调度 过程。随后，我们重点探讨了竞争接入控制以及上行资源调度这两个过程中资源 调度机制的实现及其优化。 本文对i e e e8 0 2 1 6 d 协议p m p 拓扑中的竞争接入过程进行了研究，通过对 竞争接入系统模型的分析，得到了基于一定接入用户数的最优竞争窗口的大小， 我们在m a t l a b 和o p n e t 分别进行了数值仿真和模型仿真，以时域平均吞吐 量为衡量参数，迸一步验证了资源调度过程的性能优化。 接着，我们对上行资源调度过程进行研究，通过数学模型的建立，得到了基 于i e e e8 0 2 1 6 d 协议的上行资源调度机制的性能描述表达式。在上行调度过程 中，在保证q o s 服务的前提下，实现了一种基于队列长度的动态上行资源调度 算法。我们在m a t l a b 上对其资源调度性能进行了初步的评价，并在o p n e t 上建立了网络模型，通过基于队列时延的性能比较加以验证，实现了资源的优化。 本文通过对竞争接入以及上行调度这两个资源调度过程进行系统模型研究， 得到了一种基于i e e e8 0 2 1 6 d 资源调度机制的数学描述方法和评估机制，建立 了一套i e e e8 0 2 1 6 d 协议资源调度仿真平台