（计算机应用技术专业论文）ieee80216中调度算法的qos机制研究.pdf

中文摘要 为了满足未来宽带无线接入的要求，i e e e 标准组织推出了8 0 2 1 6 系列标准。 该标准可以提供可靠的电信级服务质量( q o s ) ，全面支持语音和视频等高延时 要求的应用。对于具有不同q o s 要求的多种类型业务流提供服务质量保证是现 代网络一个重要并且具有挑战性的课题。虽然i e e e8 0 2 1 6 协议支持对各种类型 应用的q o s 保证，但是其没有给出具体调度方案来实现q o s 要求。本文针对应 用于8 0 2 1 6m a c 协议中的q o s 架构进行深入的讨论和研究。 本文在现有文献中调度框架基础上，设计了一个基于g p s s 的8 0 2 1 6 调度 框架，该框架结合了原有的多种调度算法。本文利用a n y l o g i e 仿真工具模拟 8 0 2 1 6m a c 协议，在协议模型的基础上实现了本文的调度框架。该调度框架首 先符合8 0 2 1 6 标准中的m a c 层协议描述，以及标准中提出的四种业务模型；其 次对于r t p s 业务流采取动态比例分配的算法，改善了一些情况下的性能；再者， 本文调度框架中使用的最大最小公平调度算法，保证了各个s s 节点之间带宽分 配的公平性。 通过a n y l o g i e 仿真模型的仿真结果，证明了本文提出的q o s 架构是一个比 较合理并且能够满足多种业务q o s 要求的体系，其中的调度算法既较好地保证 了实时业务的延迟要求，同时也保证不同节点之间带宽分配的公平性。 关键词：i e e e8 0 2 1 6m a c 协议，服务质量，a n y l o g i c a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s si nt h ef u t u r e ，t h e 1 e e es t a n d a r do r g a n i z a t i o np r o p o s e d8 0 2 16s e r i e ss t a n d a r d t h es t a n d a r ds u p p o r t e d r e l i a b l et e l e c o ml e v e lq o sb ys u p p o r t i n gs t r i c td e l a yr e q u i r e m e n ta p p l i c a t i o n s ，s u c h a sv o i c ea n dv i d e oe t c i nm o d e r nn e t w o r ks y s t e m ，p r o v i d i n gq o sg u a r a n t e e sf o r v a r i o u sk i n d so ft r a f f i cw i t hd i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n ti sav e r yi m p o r t a n ta n d c h a l l e n g i n gt a s k a l t h o u g hi e e e8 0 2 16p r o t o c o lc l a i m e d t os u p p o r tq o sg u a r a n t e e s f o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s ，i td i dn o tg i v et h ec o n c r e t em e t h o dt os c h e d u l et r a f f i c i n t h i sp a p e r ，w ew i l lh a v eat a l ka b o u tt h eq o sa r c h i t e c t u r ea n di n v e s t i g a t ei nt h e r e l a t i v ep r o b l e m s a tf i r s t ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e san e w8 0 2 16s c h e d u l i n ga r c h i t e c t u r eb a s e do n g p s s ，i n t e g r a t i n gs o m ek i n d so fe x i s t i n gs c h e d u l i n ga l g o r i t h m s t h e ni tg i v e sa m o d e li m p l e m e n t a t i o ns i m u l a t i n g8 0 2 16m a cp r o t o c o lu s i n ga n y l o g i c a tl a s t ，t h e c o m b i n e ds c h e d u l i n g a l g o r i t h m sa r e a d d e di n t ot h em o d e l t h es c h e d u l i n g a r c h i t e c t u r ea c c o r d sw i t ht h ed e s c r i p t i o no fm a cp r o t o c o li n8 0 2 16s t a n d a r da n dt h e f o u rk i n d so fs e r v i c e s m o d e l s w et a k et h ed y n a m i cs c a l ea d j u s t m e n tf o rr t p s s e r v i c e st oi m p r o v et h en e t w o r kp e r f o r m a n c e t h em a x - m i nf a i rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m e n s u r e sf a i r n e s sb e t w e e ns s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h en e wq o sa r c h i t e c t u r ei se f f e c t i v e ，w h i c hc a nn o t o n l ym e e tt h ed e l a yr e q u i r e m e n to fr e a lt i m ea p p l i c a t i o n s ，b u ta l s og u a r a n t e ef a i r n e s s a m o n gs u b s c r i b e rs t a t i o n s k e yw o r i d s i e e e8 0 2 16m a c p r o t o c o l ，q o s ，a n y l o g i c 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞壅盘茎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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： p 畸 签字日期：钞1 年砌目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特 授权苤洼盘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，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：渤 年 石月f 妒 导师签名： 辩醐岬年l ；川1 天津大学硕f j 学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1b w a 系统以及主要标准概述 随着i n t e r n e t 的迅猛发展，人们对于远程教育、远程医疗、视频会议等多媒体 应用的需求大幅度增加，电子商务更是网络应用的典型热点。同时，人们对网络 带宽及速率也提出了更高的要求，促使网络由低速到高速，由共享到交换、由窄 带到宽带方向迅速发展。目前对于主干网而言，各种宽带组网技术日益成熟和完 善，波分复用系统的带宽已经达多j 4 0 0 g b i t s ，i po v e r a t m 、i po v e rs d h 、i po v e r w d m ( d w d m ) 等技术也已经开始投入使用，并且提出建立全优化光学主干网络。 可以说网络的主干已经为承载各种宽带业务做好了准备。但是，位于通信网络与 客户之间的接入网的发展相对滞后。接入网技术成为制约通信发展的瓶颈i l 圳。 目前正广泛兴起的宽带接入相对于传统的窄带接入而言显示了其不可比拟 的优势和强劲的生命力。为了适应新的形式和需要，出现了多种宽带接入网技术。 包括铜线接入技术、光纤接入技术、混台光纤同轴( h f c ) 接入技术等多种有线接 入技术以及无线接入技术等。宽带无线接入( b w a ) 是指在终端用户和交换局端间 的接入网部分全部或部分采用无线传输方式，为用户提供固定或移动的接入服务 的技术。作为有线接入网的有效补充，它有系统容量大，话音质量与有线一样， 覆盖范围广，系统规划简单，扩容方便，可加密码或用c d m a 增强保密性等技术 特点，可解决边远地区、难于架线地区的信息传输问题。是当前发展最快的接入 网之一【1 5 】。 宽带无线接入( b w a ) 通常指主要用来在用户终端和核心网间传递宽带业务 的固定无线系统。鉴于b w a 系统一直缺乏一个统一的标准，i e e e8 0 2 1 6 - 1 - 作组 于2 0 0 1 年1 0 月完成了i e e es t a n d a r d 8 0 2 1 6 - 2 0 0 1 协议的定制并于2 0 0 2 年4 月8 号正 式发布。 1 1 1i e e e 8 0 2 1 6 标准制定的背景和意义 在未来的信息社会中，人们需要极其便利地获取实时信息。宽带通信网络是 实现这个美好目标的物质技术基础。在各种宽带接入技术中，现有的有线宽带接 入方案，i ：匕女i c a b l em o d e l 和x d s l 等，对于没有部署有线设备的乡村或者偏远郊 区来说，这些方案的代价比较昂贵，因为要部署新的有线设备到这些偏远地区， 非常耗时并且需要大量财力，而宽带无线接入技术为这个问题提供了一个很好的 天津人学硕士学位论文第一章绪论 解决方案。宽带无线接入( b w a ) 系统具有灵活、方便、可移动性和投资少的明显 优势，并且部署成本更低，部署速度更快，因此越来越受n i t 业界的广泛重视。 2 0 0 0 年8 月，美国i e e e 标准8 0 2 1 6 - 1 - 作组提出了一个固定宽带无线接入系统 空中接口的i e e e8 0 2 1 6 1 标准讨论稿，该标准主要应用于宽带无线接入方面。 8 0 2 1 6 标准，也被称为i e e e 无线城域网的标准。这种技术在城域网中提供最后一 公里的宽带接入，接入性能可与电缆、d s l 和e l t 1 相媲美，并且从一开始就提 出了有关声音、视频、数据多种业务类型的服务质量问题。 基于8 0 2 1 6 标准的宽带无线接入系统主要有如下优点：快速提供服务，特别 是在有线接入难以到达的地区，能够克服传统有线网络的物理局限，避免高昂的 安装费用。因此基于8 0 2 1 6 标准的无线宽带接入技术提供了一种灵活、高效的方 法来填平目前在宽带覆盖方面存在的鸿沟。 i e e e8 0 2 1 6 标准的发展有着重要的意义，它是第二代宽带无线接入系统产 生的标志，并将成为宽带接入的主流系统，将是今后无线数据城域网的发展基础。 1 1 2i e e e8 0 2 1 6 系列标准以及发展历程概述 i e e e8 0 2 1 6 标准系列到目前为止包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 、8 0 2 1 6 d 、 8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 f 和8 0 2 1 6 9 共七个标准。其中：8 0 2 1 6 、1 6 a 、1 6 d 属于固定无 线接入空中接口标准，而8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入空中标准。 2 0 0 1 年1 2 月颁布的8 0 2 1 6 标准，对工作在1 0 6 6 g h z 频段的固定宽带无 线接入系统的空中接口物理层和m a c 层进行了规范，由于其使用的频段较高， 因此仅能应用于视距( l o s ) 传输。 2 0 0 3 年1 月颁布的8 0 2 1 6 a 标准对之前颁布的8 0 2 1 6 标准进行了扩展【3 ，对 使用2 l1 g h z 许可和免许可频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和 m a c 层进行了规范，该频段具有非视距( n l o s ) 传输的特点，覆盖范围最远 可达5 0 公里，通常宽带无线接入小区半径为1 0 公里以内。另外，8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供了q o s 保证机制，可支持语音和视频等实时性业务。 2 0 0 2 年正式发布的8 0 2 1 6 e 标准是对8 0 2 1 6 标准的增补文件，是对工作在 1 0 - - 6 6 g h z 频段8 0 2 1 6 系统的兼容性规范，它详细规定了1 0 6 6 g h z 频段8 0 2 1 6 系统在实现上的一系列特性和功能。 7 8 0 2 1 6 d 标准是8 0 2 1 6 标准系列的一个修订版本，是相对比较成熟并且最具 有实用性的一个标准版本。8 0 2 1 6 d 对1 0 - - 6 6 g h z 频段和 l1 g h z 频段的固定宽 带无线接入空中接口物理层和m a c 层进行了详细规定，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 层和相对应的多个物理层。该标准对前几个 8 0 2 1 6 标准进行了整合和修订，仍属于固定宽带无线接入规范。它保持了8 0 2 1 6 、 天津人学硕：t 学能论文第- 章绪论 1 6 a 等标准中的所有模式和主要特性同时未增加新的模式，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、不明确或不完整的描述，其中 包括对部分系统信息的增补和修订。2 0 0 4 年6 月2 3 日，i e e e 正式批准了8 0 2 1 6 d 标准。 8 0 2 1 6 e 标准区别于前几个标准的最大区别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的系统，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。8 0 2 1 6 e 标准规定了支持基站或扇区间高层切换 的功能。制定8 0 2 1 6 e 标准的目的，是希望能够提出一种既能提供高速数据业务 又使用户具有移动性的宽带无线接入解决方案。8 0 2 1 6 e 标准目前正在研究过程 中，最新发布的草案为d r a f t 4 0 。总体来说，8 0 2 1 6 e 空中接口标准化工作主要集 中在切换，安全等方面。 8 0 2 1 6 f 是2 0 0 4 年7 月份正式成立的任务组，该任务组将负责制定8 0 2 1 6 f 标准，定义8 0 2 1 6 固定无线接入系统m a c 层和物理层的管理信息库( m i b ) 以 及相关的管理流程。 8 0 2 1 6 9 也是2 0 0 4 年7 月份正式成立的任务组，标准制定的目的是为了规定 8 0 2 1 6 管理流程和接口，从而能够实现8 0 2 1 6 设备的互操作性和对网络资源、 移动性和频谱的有效管理。8 0 2 1 6 9 标准的主要工作是围绕管理平面进行的。该 标准的制定工作目前正处于征求文稿阶段，计划将在2 0 0 7 年发布。 1 2 无线网络o o s 在当前流行的网络中，i n t e r n e t 仅仅提供点到点的尽力而为的数据传输服务。 路由器只是简单使用先来先服务的服务策略，对于网络拥塞利用缓存管理和丢包 策略来处理。这种单一的尽力而为型传输模式无法满足多媒体应用和用户对网络 服务质量的不同要求。在这种情况下，以提高网络资源的利用率、为用户提高服 务质量为目标的q o s 控制技术应运而生，并且成为下一代网络的核心技术。 “服务质量( q o s ) ”是一组服务要求，网络必须满足这些要求才能确保数据传 输的适当服务级别。这些服务要求以q o s 功能的行业标准为基础。q o s 使得实 时程序能最有效地利用网络带宽。由于q o s 能为某个保证级别提供充足的网络 资源，所以它为共享网络提供了与专用网络类似的服务级别。q o s 保证是指某 个服务级别，该服务级别可以使程序按照指定的速率并在指定的时间帧内传输数 据。 针对网络服务质量q o s ，a t m 论坛和i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r e ) 天津大学硕f j 学位论文第章绪论 组织分别提出了自己的服务体系结构，它们提出的两种服务体系结构是目前大多 数网络q o s 的参考基础。1 e e e 8 0 2 1 6 定义的四种业务流类型和a t m 论坛的服务体 系结构比较类似。 a t m 论坛则将a t m 网络的服务定义为5 类：c b r ( c o n s t a n tb i tr a t e ) ，恒 定比特速率服务，该类型用于仿真位速率等于常量的电路交换；r t v b r ( r e a lt i m e v a r i a b l eb i tr a t e ) ，实时可变比特速率服务，该服务用于支持传输视频影像信息； n r t v b r ( n o n r e a l t i m ev a r i a b l eb i tr a t e ) ，非实时可变比特速率服务，该服务对 多媒体e m a i l 业务提供支持；a b r ( a v a i l a b l eb i tr a t e ) ，可变比特速率服务， 该类型规定了峰值信元速率和最小信元速率，用于传输文件、e m a i l 等普通数据 信息；u b r ( u n s p e c i f i e db i tr a t e ) ，未指定比特速率服务，该类型用于对信元 的丢失和延迟都不敏感而且又希望使用网络剩余资源的应用。 1 3 论文主要相关工作 在论文中，首先笔者分析了目前在8 0 2 1 6 的q o s 研究领域的主要研究成果。 在分析的基础上，对于其中的一种采用g p s s 模式的模型，提出了更进一步的改 进。通过这种改进，将使得这种上行数据调度算法更好的满足实际应用中的q o s 的要求。最后，通过a n y l o g i c 仿真工具建立了改进后的模型，通过具体的仿真 测试以及结果对比来说明结论。 论文的第二章将详细地介绍8 0 2 1 6 协议标准、m a c 层结构以及8 0 2 1 6 标准 定义的q o s 机制。第三章对于在本文所提的模型中所采用的主要算法设计和改 进给与介绍，对于目前的主要研究成果也会给与分析。第四章将对所提出的q o s 架构进行仿真，并且将分析结果。第五章是总结模型的优缺点以及未来还需要进 行的工作的说明。 4 天津大学硕士学位论文 第二章i e e e 8 0 2 1 6 协议m a c 层与o o s 框架 第二章i e e e8 0 2 1 6 协议m a c 层与q o s 框架 无线城域网的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入( b w a ) 市场需求。 虽然多年来8 0 2 1 l x 技术一直与许多其他专有技术一起被用于b w a ，但是w l a n 在室外受到带宽和用户数的限制，同时还存在通信距离的限制，因此并不能很好 地适用于室外的b w a 应用。合适的无线标准应该能同时解决物理层环境( 室外 射频传输) 和q o s 两方面的问题，以满足b w a 和“最后一公里”接入市场的需 求。有这样一个全球标准，就能使通信公司和服务提供商通过建设新的无线城域 网来为目前仍然缺少宽带服务的企业与住宅用户提供服务【1 9 1 。 图2 - l j 给出了标准的参考模型和标准范畴。由图可以看出，m a c 层包括三 个子层。分别为汇聚子层( c s ) ，公共部分子层( c p s ) 和加密子层( p r i v a c y ) 。 其中c s 和加密子层和本文设计的模型没有涉及。 s p o t 删- 图2 - 1i e e e 8 0 2 1 6 协议栈参考模型3 4 3 2 1m a cc p s 子层 一个利用共享媒体的网络必需提供一个有效的共享机制，p m p 和m e s h 拓扑 结构就是共享无线媒体的两种机制。i e e e8 0 2 1 6 支持p m p 和m e s h 两种拓扑结构。 m e s h 结构用于实际应用的还很少，所以只介绍本文模型采用的p m p 模式。这里 的媒体指的是无线电波传播时的传播空间。 e置鼍厢_暑二譬_一写王芒2，言薯 天津大学硕士学位论文 第二章i e e e 8 0 21 6 协议眦c 层与0 0 s 框架 2 i 1p m p 模式 p m p d 4 也体结构上看是一种点到多点的结构，主要结构如图2 - 2 所示。它的 拓扑结构类似于8 0 2 1 i 标准中带a p 的网络结构，任意两个s s 节点之间不能直 接通信，都要通过b s 这个总控节点进行转发。b s 以广播的形式为同一个天线 区域的s s 服务，所有的s s 都能得到从b s 发送的数据，s s 发送的数据直接到 达b s 节点，并由b s 集中统一协调处理。 图2 2p m p 拓扑结构 对于p m p 模式而言，下行和上行数据传输分别在不同的时间帧完成。其中， 下行指的是从b s n 各个s s 方向的传输，上行指的是从s s n b s 方向的数据传输。 在下行子帧期间b s 是唯一的传输者b s 一般采取广播的形式发送一个m a c 层 的协议数据单元( p d u ) 。因为是广播的形式所以所有的s s 都能听ne h b s 发 送的数据。然而不是所有的s s 都接受这些数据包，只有在自身地址与协议数据单 元目的地址相同，或协议数据单元明确指出数据包是发送给所有的节点时节点 才接受并处理数据包，否则忽略这些协议数据单元。 在上行子帧，s s 以t d m a d a m a 的方式共享上行链路。这种媒体共享方式 基于请求，授予( r e q u e s t g r a n t ) 协议，b s 在其中充当调度者的角色根据业务 连接所属的服务类别，或者周期性为其分配传送机会，或周期性对其进行问询， 获取其队列信息，或者分配竞争时隙，让连接以竞争的方式传送带宽请求信息。 从上面的介绍可以看出来，p m p 操作方式适用于典型的多个用户站由一个中 央节点提供服务以便访问外部网络的固定宽带无线接入场景，所以本文的研究基 于p m p 操作方式。 天津大学硕士学位论文第一章i e e e 8 0 2 1 6 协议m a c 层与0 0 5 框架 2 1 2 上行调度服务以及轮询机制 i e e e8 0 2 1 6 标准支持四种在标准中定义的服务：主动授予服务( u g s ) 、 实时轮询服务( r i p s ) 、非实时轮询服务( n r t p s ) 和尽力而为服务( b e ) 。下面简要 介绍四种服务方式所适用的不同类型应用，四种服务的详细特征以及要求的q o s 参数定义在后面标准的q o s 框架中给出。 u g s 用来支持固定时间间隔固定大小数据包的实时数据流，比如t l e 1 和静 音时非压缩的语音l p 等。这种调度服务必需的q o s 业务流参数有最大可承受的流 速率，最大的延迟，可承受的延迟抖动和请求传输策略。因为u g s 支持的是恒 定速率的数据流，所以如果最小预留流速率存在的话，应该和最大可承受流速率 值相等。r t p s 用来支持周期性，变长分组的实时数据流，比如m p e g 视频。n r t p s 用来支持非周期、变长分组的非实时数据流业务。这种业务有最小数据速率的要 求，比如f t p 应用。b e 调度服务用来支持无最小业务级别的数据流，因此是一种 基于可用空间的处理方式。 轮询指的是b s 给s s 分配带宽用以发送带宽请求的过程，这个分配的带宽可 能是给予一个单独的s s 也可能是一组s s 。给一组s s 的分配定义了带宽竞争信息单 元( i e ) 。分配结果不会是以显式消息方式发送，而是以一系列包含在上行链路 映射( u l消息中的信息单元(方式发送。_ m a p )i e ) 轮询是以s s 为单位的，带宽请求信息是s s 以连接编号( c i d ) 为单位发送的。 轮询的方式可以分为单播轮询( u n i c a s tp o l l i n g ) ，组播轮询( m u l t i c a s t p o l l i n g ) 和广播轮询( b r o a d c a s tp o l l i n g ) 。 1 单播轮询 如果问询单个的s s ，不会发送显式的消息去轮询这个s s ，而是以包含在 u l _ m a p 消息中的信息单元方式给此s s 分配带宽进行问询，让其发送带宽请求。 2 组播和广播轮询 如果带宽不够单播轮询多个不活动的s s ，那么一些s s 用户站就要一起放在 组播轮询或者广播轮询中。系统为组播组合广播信息保留了一些连接编号c i d 和 单播轮询类似。 2 1 3 上行带宽分配和请求机制 增加或降低带宽需求对于除恒定速率的u g s 连接之外的其他服务都是必需 的。因为非压缩的u g s 连接带宽需求在连接建立和结束之间是保持不变的，但是 其他连接的带宽需求随时间动态变化，所以需要带宽分配和请求机制来实现b s 和s s 之间协调工作。 7 天津大学硕士学位论文第二章i e e e s 0 2 1 6 协议m a c 层与q o s 框架 请求就是s s 用来告知b s 自身结点需要上行带宽分配的机制。请求可以通过 以下三种方式发送：1 ) 利用b s 组播或者广播轮询的竞争请求机会以竞争的形式 发送请求：2 ) 在b s 授予的时隙发送单独的带宽请求m a c 信息；3 ) 在数据包中 捎带( p i g g y b a c k ) 请求信息。 带宽请求有两种方式，可以是增量请求方式( i n c r e m e n t a l ) 和集合请求方式 ( a g g r e g a t e ) 。当收到增量请求时，b s 将在已分配的带宽基础上，给此连接增加 新请求的带宽。如果是集合请求，b s 将用新的带宽请求覆盖此连接已有的带宽 请求。带宽请求包头的类型域表明了请求是增量式的还是集合式的。请求授予 协议的自我纠正特性要求s s 周期性的使用集合带宽请求。这个周期可能是业务 q o s 和链路质量的函数。 关于带宽授予分配模式，标准中定义了g p c ( g r a n tp e rc o n n e c t i o n ) 和 g p s s ( g r a n tp e rs s ) 两种模式。 在g p c 模式下，b s 的带宽分配是基于连接的。b s 在进行带宽分配时直接说 明某个时隙分配给某个特定的连接。g p c 模式可以简化s s 的结构，因为b s 的带 宽直接细化到连接，s s 只需根据各连接获得的时隙发送数据，无需实现复杂的调 度算法。但是，在请求授予带宽的过程中，s s 中各个连接的队列状态可能已经 发生了变化，但是b s 无法获得各个s s 连接准确的实时状态，所以在这种工作模 式下，b s 得到的带宽请求信息已经过时，不能很好地满足实时连接的延迟要求。 在g p s s 模式下，b s 的带宽分配是面向s s 的。b s 把分配给一个s s 的所有连 接的带宽合成一个整体分配给该s s ，由s s 在结点内部的各个连接之间进行再分 配。g p s s 模式的优点是更加智能化。当某些有严格时延要求的连接迫切需要增 加带宽时，尽管带宽不是响应这些连接的请求而得到的，s s 还是可以把资源先分 配给这些连接，以满足其q o s 要求，这种技术称为b a n d w i d t hs t e a l i n g 酬。但带宽 在s s 中的再分配，要求在s s 中实现较为复杂的调度算法，从而增加了s s 结构的 复杂度。 2 2m a c 层帧结构 在上行和下行信道分配带宽方面，i e e e8 0 2 1 6 同时支持t d d 和f d d 两种双 工方式。本文模型使用的是t d d 双工方式，在此也仅给出t d d 双工方式的帧结构， 如下图2 3 t 7 】所示。 8 天津大毕硕士学位论文第一章i e e e 8 0 21 6 协议h a c 层与0 0 s 框架 、+ ，一7 fr a m e p 2 图2 - - 38 0 21 6 帧结构”1 在时分多路复用的情况下上行和下行链路在不同的时间传输数据但可 以使用同一频率。这里一帧时间长度固定，包括下行子帧和上行子帧两部分，两 个子帧的长度可以在一帧长度范围内动态调整，即上行链路和下行链路的带宽分 配是动态变化的。上行和下行之间的划分由系统的上层控制的系统参数确定。上 行采用t d m a 多路访问方式下行采用t d m 复用方式。帧被分成整数个物理时 隙( p h y s i c a ls l o t ) 。划分的物理时隙个数与具体的物理层相关。 本论文研究内容是关于上行链路调度算法的上行子帧对应上行信道所 以这里着重给出上行子帧的结构，如图2 4 1 所示。上行子帧结构总体上分为三 个部分，第一部分是初始的测距时隙，主要用来收集基站和用户站之间维护射频 链路的处理信息，是获得网络延迟和功率调整的过程；第二部分是请求竞争时隙 是在b s 组播或者广播轮询的情况下，用户站以竞争的方式发送带宽请求信息响 应b s 的轮询。在请求竞争时隙中，由于是以竞争形式发送请求信息，所以各个 请求之间也存在着碰撞；最后是各个s s 发送数据的时隙每个s s 发送数据的时 隙在基站广播的u lm a p 数据包中指定，所以不存在竞争的问题。 m “ c l 、 口 一点 c 。盘一：裟? c 。血。n 图2 - 48 0 21 6 上行子帧结构1 天津大学硕：i ：学位论文 第二章i e e e 8 0 2 1 6 协议m a c 层与0 0 s 框架 2 3q o s 机制的设计目标 i e e e8 0 2 1 6 标准为了支持业务的q o s ，提出了业务流、业务流分类和连接 的概念，运用m a c 层调度机制为上行服务流提供q o s 支持。业务流的特征是由一 组q o s 参数来进行描述的，比如时延，延迟抖动以及吞吐量等。当业务流被系统 接纳之后，它就与连接建立一定的映射关系，此后系统中所有的请求都基于连接 进行。基于连接和服务流的概念，标准定义了像带宽请求和带宽分配授予协议 的q o s 信令机制。在这些信令机制基础上，i e e e8 0 2 1 6 标准定义了四种调度服务， 每种服务适用于一些特定类型的应用。 i e e e8 0 2 1 6m a c 层靠请求授予协议来接入媒体，上行链路采用基于 t d m a d a m a 的多址方式，由b s 进行统一的资源调度，并且划分服务类别，实 现差异化调度服务，从而为多类业务提供q o s 支持。 在i e e e8 0 2 1 6 中实现q o s ，标准中定义的上述机制还不能完全满足要求。 因为，虽然标准提出了业务流分类的概念，但没有给出分类的依据和标准；虽然 提出了m a c 层调度机制，但是没有给出具体的调度方案，留给了具体开发者去 实现；虽然标准说明了业务流经过准入控制系统判定是否能够进入系统，但没有 给出准入控制系统的实现方法。 2 4i e e e8 0 2 1 6 标准中的q o s 框架 2 4 4q o s 对象模型 对于8 0 2 1 6 系统的q o s 保证，i e e e8 0 2 1 6 标准中详细给定了服务类别的划 分、系统的q o s 架构和具体的信令交互机制，但是并没有规定具体的q o s 调度算 法，因此这也成为目前的研究热剧1 5 j 。i e e e8 0 2 1 6 标准中提出了业务流( s e r v i c e f l o w ) ，业务流类( s e r v i c ec l a s s ) 和连接( c o n n e c t i o n ) 的概念。对象模型对应 关系如图2 5 i l5 j 所示，每个对象有一系列属性，其中带下划线的属性能够唯一表 示一个对象，相当于对象i d 。对象之间的关系用对象之间的关联线和两端的数字 表示。业务流是m a c 层协议的核心对象，由一个3 2 位的s f i d ( s e r v i c ef l o wi d ) 唯一标识。它可能是上行方向的，也可能是下行方向的。在8 0 2 1 6 中，上层到达 的数据包封装成相应的m a c 层数据单元p d u ，p d u 的业务流标识s f i d 表示这个 数据包属于哪个业务流，而业务流又归类到特定的业务流类。当业务流被系统接 纳时，就与一个连接相关联。i e e e8 0 2 1 6 的m a c 机制是基于连接的，所有的业 务，无论是面向连接的语音业务还是无连接的数据传输业务，都必须与一个连接 1 0 天津大学硕士学位论文 第_ 章i e e e 8 0 2 1 6 协议m a c 层与o o s 框架 相联系，每个连接用1 6 比特的连接号来唯一标识。 2 4 5 四种服务类别定义 图2 5o o s 对象模型n 朝 8 0 2 1 6 协议所定义的四种服务类别代表了m a c 调度器所支持的数据处理机 制。每条连接都与一个数据服务相联系。每个数据服务都有一组与之相关联的 q o s 参数，这些q o s 参数对该服务的行为进行了量化规定，可以有d s a 和d s c 消 息对话框管理。i e e e8 0 2 1 6 协议支持定义的四种服务：主动授予服务( u n s o l i c i t e d g r a n ts e r v i c eu g s ) ，实时查询服务( r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c er t p s ) ，非实时查询服 务( n o n r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c en a p s ) 和尽力而为( b e s te f f o r tb e ) 。u g s 服务禁 止使用任何形式的竞争请求，s s 不显式发送任何u g s 带宽请求，b s 必须在固定 的时间间隔内给u g s 流分配固定的带宽授予来让u g s 连接发送数据。u g s 服务可 以用于恒定比特率( c b r ) 或者类似的像t i e i 的服务流。当然，如果u g s 流不活 动( i n a c t i v e ) ，那么相应的预留带宽就会白白浪费。r t p s 和n r t p s 流通过单播请求 轮询进行问询，只是在网路拥塞的情况下，n r t p s 得到的轮询机会较少，允许其 利用竞争请求；而r t p s 流无论网络负载情况如何，都会周期性地得到轮询以满足 服务流的延迟要求，并且r t p s 流不允许使用任何的竞争请求。实时轮询服务可以 用于类似r t - v b r j 艮务流的像m p e g 视频流，非实时轮询服务用于非实时业务流， 比如有大量带宽要求的文件传输( f t p ) 应用。 1 主动授予服务 主动授予服务( u g s ) 服务于周期性、定长分组的固定比特率( c b r ) 业务 流。会在传输u g s 业务的连接上传送的典型业务包括固定比特速率( c b r ) 的a t m 天津人学硕l 学位论文第- 章i e e e 8 0 2 1 6 协议m a c 层与q o s 框架 和a t m 之上的e i t i 服务、无静音压缩的v o i p 服务等。这种服务在实时周期的基 础上提供固定带宽授予，这样就消除了s s 发请求的额外开销和延迟，并且保证授 予的带宽能够满足流的实时要求。b s 根据业务流的最大可承受流速率，实时地、 周期性地向携带该业务的连接提供固定带宽分配，u g s 连接只能使用b s 主动提 供的周期性带宽授予来发送数据，而不是由s s 向b s 发送带宽请求。授予大小应 该足以传输固定大小数据包的流，这个值在u g s 连接进入系统的时候，由s s 和 b s 协商确定。 u g s n 艮务流的关键q o s 参数为：主动授予大t j x ( u n s o l i c i t e dg r a n ts i z e ) ，间隔 授予时间( g r a n t sp e ri n t e r v a l ) ，推荐授予间隔( n o m i n a lg r a n ti n t e r v a l ) ，可容 忍的授予抖动( t o l e r a n t e dg r a n tj i t t e r ) 。实施这些参数的理想调度是通过定义参 考时间( r e f e r e n c et i m e ) t o 来实现的。所要求的传输时间定义为t i - - t o + i i n t e r v a l ， 其中i n t e r v a l 为推荐授予间隔。而实际的授予时间t i 必须满足条件：t i t i t i + j i t t e r ，其中j i t t e r 是可容忍的授予抖动【吲。 2 实时轮询服务 实时轮询服务( r t p s ) 服务于周期性，变长分组的实时变比特率业务流，如 m p e g 视频业务流。b s 向携带该业务的r t p s 连接提供实时的、周期的单播轮询， 从而使得该连接能够周期地告知b s 其变化的带宽需求，b s 也就周期地为其分配 变化的突发带宽供其发送分组。这种服务l 匕u g s 的请求开销大，但能使b s 按需 动态分配带宽，从而实现可变的授予带宽以达到优化的数据传输效率。 r t p s 服务流的关键q o s 参数为：建议轮询间隔( n o m i n a lp o l l i n gi n t e r v a l ) ， 可容忍的轮询抖动( t o l e r a t e dp o l lj i t t e r ) ，最小预留业务速率( m i n i m u mr e s e r v e d t r a 伍cr a t e ) 。 3 非实时轮询服务 非实时轮询服务( n r t p s ) 服务于非周期、变长分组的非实时变比特速率服 务流，如高带宽的f t p 业务流。b s 应有规律地( 非周期性) 向携带该业务的连接 提供单播轮询机会，以保证即便在网络阻塞时，该连接也有机会发出带宽请求。 该连接也可以使用竞争方式来发送带宽请求。b s 轮询n r t p s 连接的时间间隔通常 为1 秒或者更短的时间。 n r t p s 服务方式中，b s 需要适时地提供单播轮询机会，这种服务方式要正确 运行，那么请求传输策略设置需要给出以下关键q o s 参数为：建议轮询间隔 ( n o m i n a lp o l l i n gi n t e r v a l ) 、最小预留业务速率( m i n i m u mr e s e r v e dt r a f f i cr a t e ) 和业务优先级( t r a f f i cp r i o r i t y ) 。 4 尽力而为 尽力而为( b e ) 服务是为了给尽力而为业务流提供有效的服务。其特点是不保 1 2 天津大学硕： j 学位论文第二章i e e e 8 0 2 1 6 协议m a c 层与q o s 框架 证完整的可靠性，其稳定性由高层协议来保证。这种连接刁i 仅可以使用单播轮询 提供的发送机会，而且可以使用竞争模式来发送带宽请求。但足对b e 业务的单 播轮询机会取决于网络的负载情况，如果网络负载低，则b e 服务能得到轮询机 会的可能性就比较大，而如果网络负载较高，则得到单播轮询发送机会的可能 性很小，甚至根本得不到，因此发送该业务的s s 不能依赖于单播轮询发送机会。 典型的b e 服务为i n t e m e t 网络浏览服务1 1 5 1 。 b e 服务流的q o s 参数为：最小预留业务速率( m i n i m u mr e s e r v e dt r a f f i cr a t e l 和业务优先级( t r a f f i cp r i o r i t y ) 。 需要说明的一点是，虽然标准定义了4 种类型的业务流，但是目前的研究和 实现的系统大部分采用的是3 种业务流。将非实时轮询服务和尽力而为服务看做 同样的一种业务来处理是目前的趋势。本文也将采用这种处理方法。 2 4 68 0 2 1 6 协议q o s 交互机制 i e e e8 0 2 1 6 标准定义了为b s 和s s 之间进行信息交换的标准信令机制，比如 连接建立( c o n n e c t i o ns e tu p ) ，带宽请求( b wr e q u e s t ) 和上行链路映射 ( u lm a p ) 等信令机制。 连接信令包括连接请求和响应。所有的业务，无论是面向连接的语音业务还 是无连接的数据传输业务，都必须与一个连接相联系。连接为系统的带宽请求、 q o s 支