基于優(yōu)先級(jí)的IEEE802．16系統(tǒng)接納控制算法研究

摘要：鑒于IEEE802．16標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)接納控制機(jī)制提出定義，為了提高系統(tǒng)帶寬利用率，在分析現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接納控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合IEEE802．16的具體機(jī)制提出了一種基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的接納控制算法。相比于先到先服務(wù)的接納機(jī)制，該算法嚴(yán)格區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，為不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)預(yù)留帶寬，以保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求。利用NS2網(wǎng)絡(luò)模擬軟件對(duì)算法進(jìn)行了仿真和性能評(píng)估。結(jié)果表明，本接納控制算法可以較好地保障高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)在重負(fù)載情況下系統(tǒng)帶寬利用率有了明顯提高。
關(guān)鍵詞：IEEE802．16；服務(wù)質(zhì)量；接納控制；業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)

    無(wú)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(wú)線資源管理機(jī)制中。IEEE802．16作為目前熱點(diǎn)寬帶無(wú)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(duì)接納控制以及調(diào)度算法并沒(méi)有定義，只是采用簡(jiǎn)單的先到先服務(wù)機(jī)制，具體優(yōu)化留給了開(kāi)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(qǐng)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(duì)是否接納此連接申請(qǐng)做出決策。考慮請(qǐng)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(wú)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?；陂T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(duì)當(dāng)前I值的影響δI。準(zhǔn)則基于以下策略：I+δI<Ith。當(dāng)這個(gè)條件滿足時(shí)，到達(dá)的呼叫被接納，否則被拒絕或加入到隊(duì)列。

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(wú)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(duì)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?？煞峙涞馁Y源不只時(shí)隙，還有子信道。筆者研究基于點(diǎn)對(duì)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(duì)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(dòng)、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(duì)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(dòng)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)(rt PS)、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(duì)應(yīng)不同的請(qǐng)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(jí)依次遞減。UGS業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，BE優(yōu)先級(jí)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(duì)不同上層業(yè)務(wù)按一定特性進(jìn)行區(qū)分，并對(duì)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(dòng)、丟包率以安全性等。
    對(duì)于每個(gè)用戶站SS到基站BS的連接，在連接建立時(shí)都會(huì)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(huì)根據(jù)分組對(duì)應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)所要求的QoS對(duì)分組進(jìn)行連接分類，并用連接標(biāo)識(shí)符(Connection Identifier，CID)來(lái)進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)。每條連接都對(duì)應(yīng)一種服務(wù)類別。在SS端，上行帶寬請(qǐng)求發(fā)生器將根據(jù)各個(gè)連接的深度以及隊(duì)列對(duì)應(yīng)的服務(wù)類別，向BS發(fā)送帶寬請(qǐng)求。對(duì)于UGS服務(wù)的連接，不需要進(jìn)行帶寬請(qǐng)求，BS會(huì)分配固定帶寬給該類型的連接。而對(duì)于其他類型的業(yè)務(wù)，帶寬請(qǐng)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(qǐng)求的方式可以是單播輪詢、組播輪詢、廣播輪詢和競(jìng)爭(zhēng)等。BS調(diào)度器根據(jù)接收到的帶寬請(qǐng)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。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)。

2 基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)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(jìng)爭(zhēng)TDM／TDMA方式對(duì)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(qǐng)求的隊(duì)列。
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MinTraff icRate，按照每幀5 ms計(jì)算出要傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，再根據(jù)對(duì)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(hào)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(hào)數(shù)。
2．2 接納準(zhǔn)則
    對(duì)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(duì)應(yīng)的服務(wù)流，有則直接將數(shù)據(jù)包加入對(duì)應(yīng)的隊(duì)列，如果沒(méi)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OoS參數(shù)，并將服務(wù)流狀態(tài)設(shè)為Provisioned。對(duì)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(duì)應(yīng)服務(wù)流，沒(méi)有的話，創(chuàng)建對(duì)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(qǐng)求激活服務(wù)流。
    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(jí)，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(qǐng)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(jí)，能夠滿足實(shí)時(shí)性的要求。對(duì)于BE和nrtPS業(yè)務(wù)，由于沒(méi)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(jí)。對(duì)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(jí)不同。根據(jù)請(qǐng)求流的最小預(yù)留速率以及對(duì)應(yīng)的SS的調(diào)制方式，計(jì)算出請(qǐng)求流所需要的時(shí)隙數(shù)。
    UGS業(yè)務(wù)接納準(zhǔn)則為請(qǐng)求帶寬Treq-1+Tocc<T(Treq-1表示UGS業(yè)務(wù)請(qǐng)求的帶寬，T表示系統(tǒng)總帶寬，Tocc表示系統(tǒng)已用帶寬)；rtPS和ertPS業(yè)務(wù)接納準(zhǔn)則為Treq-2+Tocc<T-Tres-1，(Treq-2表示rtPS和ertPS業(yè)務(wù)請(qǐng)求的帶寬，Tres-1表示為高優(yōu)先級(jí)的UGS業(yè)務(wù)預(yù)留的帶寬)；BE和nrtPS業(yè)務(wù)的接納準(zhǔn)則為Treq-3+Tocc<T-Tres-2(Tres-3表示nrtPS和BE業(yè)務(wù)請(qǐng)求的帶寬，Tres-2表示為中優(yōu)先級(jí)的rtPS和ertPS業(yè)務(wù)預(yù)留的帶寬)。

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(guó)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(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)。它是一種離散事件模擬器，有一個(gè)Schedul er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(kù)，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能。文中使用NS2搭建了802．16協(xié)議的仿真平臺(tái)，加入了基于優(yōu)先級(jí)的接納控制算法，對(duì)算法性能進(jìn)行了仿真。
    仿真中定義幀長(zhǎng)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(jí)，將rtPS和ertPS業(yè)務(wù)分為中優(yōu)先級(jí)，將nrtPS和BE業(yè)務(wù)分為低優(yōu)先級(jí)。為高優(yōu)先業(yè)務(wù)預(yù)留帶寬為4 Mbps，為中優(yōu)先級(jí)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(duì)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。

    從圖2顯而易見(jiàn)，高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)具有比中低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)更高的接納率，這樣保證了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性。

    由圖3可以看出，相比于沒(méi)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(huì)被接納，所以接納控制并不能看出優(yōu)勢(shì)。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(jí)的一部分帶寬沒(méi)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(yǔ)
    本文在對(duì)傳統(tǒng)蜂窩無(wú)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(jí)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。