（计算机应用技术专业论文）基于亏损公平优先队列和定价的无线qos机制研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 无线通信面临用户数量急剧增加，移动业务逐步多元化。促使对多业务通 信服务质量的要求不断提高。如何高效地管理和使用有限的无线资源是无线通 信技术急待解决的关键问题。对于多业务无线网络，为解决“最后一公里接入” 问题，在点到多点式蜂窝网络拓扑结构中，基站m a c 层各功能模块如何配合 工作达到最优的服务质量以及对服务质量性能的评测，是近年来研究的热点问 题。本文在总结前人研究成果的基础上，从优化用户q o s 角度出发，基于公平 亏损优先队列和定价策略，深入地研究了多业务无线通信网络m a c 层q o s 机 制。 针对未来无线网络提供大规模实时数据的业务特点，以基站上行调度带宽 分配的公平亏损优先队列算法( d f p q ) 为基础，本文引入了基于带宽窃取的自适 应判决机制，进而提出了一种高优先级业务突发期上行带宽分配策略。研究表 明，在不过多影响无线网络各类型业务整体公平性的前提下，通过实时令牌值 线性窃取来增大延时敏感性业务的通过量，可以更好地保证q o s 延时需求。 通过在无线网络带宽分配策略中引入微观经济学定价( p r i c i n g ) 机制，根据 不同业务实际服务质量情况( 如把移动站请求服务和基站响应服务转化为基于 定价的用户满意度) ，可以很好地维护系统整体利益和公平性。分析公平亏损优 先队列和定价机制对系统带宽分配策略的影响，建立以获得整体性能最大化的 系统函数来评估无线多业务通信系统，便于无线运营商参考分析系统设计的优 劣。本文研究表明，在增加自适应性带宽分配策略和价格公平体系后，可使无 线网络m a c 层综合服务质量更优，也可以多角度综合评测系统各方面服务质 量。 关键词：无线服务质量；亏损公平优先队列：定价 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed r a m a t i ci n c r e a s ei nt h en u m b e ro fw i r e l e s ss u b s c r i b e r sa n dt h eg r a d u a i d i v e r s i f i c a t i o ni nm o b i l es e r v i c e sp r o v i d e db vo p e r a t o r s , t h er e q u i r e m e n t so nt h e q u a i l t 卅s e r v i c e ( q o s lf o rm u l t i s e r v i c ea r ea l s oi nh i g hd e m a n d h o wt oe f f e c t i v e l y m a n a g ea n du s et h ei i m i t e dw i r e l e s sr e s o u r c e si st h ek e yi s s u ei nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s i nm u l t i - s e r v i c ew i r e l e s sn e t w o r kw i t hp o i n t - t o - m u l t i - p o i n tt o p o l o g y , i no r d e rt os o l v et h e i a s tm i l ea c c e s s p r o b l e m h o wt oc 0 0 r d i n a t ef u n c t i o n a im o d u l e si nb a s es t a t i o n sm a c l a y e rf o ra c h i e v i n gt h eo p t i m i z e dq o sa n dt oe v a l u a t et h es y s t e mp e r f o r m a n c ei so n eo ft h e r e s e a r c hh o t s p o t si nr e c e n ty e a r s b a s e do nt h ee x i s t i n gr e s e a r c h ，t h i st h e s i si n v e s t i g a t e si n d e t a i l s0 1 1 1t h eo p t i m a iq o sm e c h a n i s m si nm a ci a y e ro fm u l t i s e r v i c ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb a s e do nd e f i c i tf a i rp r i o r i t yq u e u ea n dp r i c i n gs t r a t e r y a i m i n ga tam a s so fr e a l - t i m ed a t ap r o v i d e di nf u t o r ew i r e l e s sn e t w o r k s t h i st h e s i s i n t r o d u c e sa na d a p t i v eb a n d w i d t hs t e a l i n gm e c h a n i s mb a s e do nd e f i c i tf a i rp r i o r i t vq u e u e a l g o r i t h mf o ru p l i n kb a n d w i d t ha l l o c a t i o ns c h e d u l e t ob r i n gu pa nu p l i n kb a n d w i d t h a l l o c a t i o ns t r a t e g yd u r i n gh i g hp r i o r i t ys e r v i c ed a t ab u r s tp e r i o d i ti ss h o w nt h a tt h eo o si n d e l a yc a nb eg u a r a n t e e dt h r o u g hal i n e a rs t e a l i n go ft o k e n s i nr e a lt i m e ，a n dt h e t h r o u g h p u to fd e l a y s e n s i t i v es e r v i c e sc a nb ei n c r e a s e dw i t h o u ts i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c i n gt h e w h o l ef a i r n e s so fv a r i o u sw i r e l e s ss e r v i c e s p r i c i n gm e c h a n i s mi nm i c r o e c o n o m i c si si n t r o d u c e dt ob a n d w i d t ha l l o c a t i o ns t r a t e g y f o rw i r e l e s sn e t w o r ki no r d e rt oe f f e c t i v e l ym a i n t a i nt h ew h o l es y s t e mb e n e f i ta n dt h e f a i r n e s sf o ra c t u a iq o so fd i f f e r e n ts e r v i c e s f o re x a m p l e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es s r e q u i r e dq o sa n db sa l l o c a t e dq o sm a yb et r a n s l a t e dt ot h eu s e rs a t i s f a c t i o nl e v e ii n p r i c i n g t h i st h e s i sa n a l y s e st h ei n f l u e n c e so fd e f i c i tf a i rp r i o r i t yq u e u ea n dp r i c i n go n u p l i n kb a n d w i d t ha l l o c a t i o nm e c h a n i s m a n dd e s i g n sas y s t e mi e v e if u n c t i o nt oe v a l u a t e t h ec a p a b i l i t yo fm u l t i - s e r v i c ew i r e l e s sn e t w o r kf o rp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n i th a sb e e n s h o w nt h a tt h ew h o l eq o si nm a cl a y e ro fw i r e l e s sn e t w o r kc a nb ee n h a n c e db va d o p t i n g b o t ha na d a l o t i v ed e f i c i tf a i rp r i o r i t yq u e u ea l g o r i t h ma n dp r i c i n gm e c h a n i s mi nu p l i n k b a n d w i d t ha l l o c a t i o n w h i c ha l s oe n a b l e su st oe v a l u a t et h es y s t e mi e v e iq o si nd i v e r s e w a y s k e yw o r d s ：w i r e l e s sq u a l i t y - o f - s e r v i c e ( q o s ) ；d e f i c i tf a i rp r i o r i t yo u e u e ( d f p o ) ；p r i c i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 无线多业务网络q o s 研究背景与意义 这些年来，伴随着日趋激烈的国际通信技术竞争，全球范围内无线移动通 信技术获得了前所未有的发展，这种发展势头还在延续，甚至更快。在无线局 域网( w l a n i ) 势头正劲之际，最近又出现了无线城域网( w m a n ) 技术。与为无 线局域网制定8 0 2 1 l 系列标准一样，i e e eg r o u p 1 】也为无线城域网推出了8 0 2 1 6 标准吃1 。同时业界各公司也相继加入到w i m a x 论坛，针对关键性技术和标准进 行讨论。与此同时，因特网( i n t c m e t ) 无论是技术还是业务都以空前的速度向 前发展。随着各种便携式终端设备如笔记本电脑、智能手机以及个人数字助理 ( p d a ) 等的普及，人们对通过无线方式随时随地接入因特网获取信息的需求 变得越来越迫切。这种需求从最初简单收发电子邮件的数据服务，到进行网络 浏览、获取多媒体信息以及视频会议等多媒体服务。因此，未来无线通信网络 需要支持实时、大数据量为特征的多媒体业务，提供能承载高时效、高速率业 务的能力，而现阶段的通信系统都无法很好地满足此方面要求。目前全世界范 围内得到广泛应用的第二代移动通信系统主要有g s m 系统和i s 9 5c d m a 系 统。其中g s m 系统可以提供2 4 k - 9 6 k b s 以及1 4 4 k b s 的电路交换语音业务，还 可以通过g p r s 和e d g e 分别提供1 4 4 k b s 和3 8 4 k b s 的分组交换数据业务。l s - 9 5 系统能够提供可变速率接入，其峰值速率分别可以达n 9 6 k b s 和1 4 4 k b s ，还可 以通过使用蜂窝数据分组数据( c d p d ) 网络来提供1 9 2 k b s 的数据业务。第 三代移动通信系统( 3 g ) 主要有欧洲的w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 以及中国的 t d s c d m a 方案。但3 g 移动通信系统所能够提供的业务能力与人们期望仍相 去甚远。对于宏小区或快速移动用户，3 g 系统仅能够提供3 8 4 k b s 或更低的接入 速率；只是对于室内用户，3 g 系统才可以提供2 m s 的按入速率。很显然，第二 代和第三代移动通信系统都不能完全满足全多媒体业务的需要。因此，研究更 高速率的4 g 通信系统，提供大数据量实时业务，以适应未来高速无线多媒体业 务的市场需求是非常必要的。 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用于宽带无线接入 ( b w a ) ，并获得很大成功。但w l a n 总体设计及其提供的通信能力并不能很好 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 地适用于室外b w a 应用。基于上述情况，i e e e8 0 2 1 6 无线城域网是为了满足日 益增长的宽带无线接入和“最后一英里”接入的市场需求，并同时解决了物理 层环境( 室外射频传输) 和服务质量( q o s ) 两方面问题。8 0 2 1 6 无线服务为用户终 端与诸如公众电话网络，互联网之类的核心网络之间提供了一条通信路径( 如图 卜1 ) ，解决了其他宽带接入技术( d s l ，c a b l e 等) 无法使用或者费用太高的城域 网络“最后一英里”接入问题。b w a 应用还包括住宅宽带接入，用于s o h o 和 小企业的d s l 级业务，用于企业的t l e 1 级业务，还包括用于热点的无线回传和 蜂窝小区基站回传业务等( 如图1 2 ) 。最早的i e e e8 0 2 1 6 标准是在2 0 0 1 年1 2 月获 得批准的，是针对1 0 6 6 g h z 高频段视距( l o s ) 环境而制定的无线城域网标准。 图1 - 1i e e e8 0 2 1 6 无线城域网杯准( w i l m a x ) 图1 - 2i e e e8 0 2 1 6 的b w a 应用 2 0 0 4 年1 0 月公布的i e e e8 0 2 1 6 4 3 】标准 通过服务流和动态交互式信令机制来 创建具有q o s 保证的调度服务，然而在 协议标准中连接认证接纳和上行带宽 分配实现算法依然是一个有待解决的 问题。因此，本文选取在保证多种业务 q o s 前提下，合理地分配系统资源，建 立兼备公平性和性能最优化的q o s 机制 作为研究方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 无线多业务网络q o s 机制现状 在无线多业务网络中，q o s 机制对于提高通信可靠性、加快通信传输率起 着重要作用。q o s 机制准确地说一套无线网络空中传输的规范标准，涉及比如 m a c 功能模块划分，带宽分配算法，交互式信令传输方式和分组格式等。无线 网络q o s 机制的研究引起了国内外极大的关注，许多科研人员在q o s 相关机制 或保证技术方面投入了巨大的精力，也做出了不少贡献。 在i e e e8 0 2 1 6 系列协议草案提出前，各种无线协议并没有明确的q o s 相关 机制为业务提供足够的服务保障，这样的系统服务可靠性是不高的。但是研究 人员闯接地采用一些方法在这些无线协议中提供一定的q o s 保证。i e e e8 0 2 1 1 。 e d c f 机制提出流量类别( t r a f f i cc a t e g o d e s ) 和竞争窗口两个关键变量，将q o s 需 求相近的业务规聚成四种接入类别( a c c e s s c a t e g o r i e s ，a c ) 。并将竞争窗口大小 的设置和a c 联系起来，创建适当的优先级竞争机制，使不同业务通过竞争接入 信道发送数据。y a n g x i a 0 1 4 建立了基于多重马尔科夫链状态转移图的数学模 型，用数学公式推导分析系统资源饱和情况时的吞吐量、时延等，初步可以看 到用户分级对系统服务质量具有有效的改善。类似地，d j d e n g ，r - s c h a n g ”， i a a d ，c c a s t e l l u c c i a 6 j 在相应的研究工作中也尝试着在8 0 2 1 l 中建立业务级别， 采用优先级机制来提供满足q o s 需求。同样地，自适应机制也广泛的被采用， 使得q o s 关键参数能够动态地自我调节。e c a l i ，m c o n t i ，e g r e g o f i p j 提出能 自适应调节的退避机制，即退避窗口参数相对于时间是可变动的。 随着i e e e8 0 2 1 6 标准的公布，协议首次明确规定t q o s 机制，并将业务划 分为u g s ，r t p s ，n a p s ，b e 四种基本业务，同时提出服务流的重要概念。建立 在这些新特性上，从服务质量角度出发，研究协议模型的q o s 结构逐步地发展 起来。g u o s o n g c h u ，d e n g w 抽f 8 】等人提出了针对8 0 2 1 6 宽带接入系统的m a c j 昙q o s 9 构架，分别对基站和移动站m a c 功能进行模块化，进而引出上行调度 模块，流量调度模块，流量分类器等概念。同时对不同的用户采用不同的调度 策略，如移动站上行调度器采用m p f q i 周度算法【1 0 1 ，对于高优先级内部采用 w f q 算法i l i 】提供低时延保证，对于中级业务采用w r r 算法【l 2 】。 在上述q o s 结构基础上，许多研究员针对时分模型提出不少带宽分配算法， 大部分是针对分组调度的【1 3 , 1 4 。 d f f j i a n f e n gc h e r t ，w e n h u aj i a o ，h o n g x iw a n g ”】 提出针对多级别业务之间调度的亏损公平优先队歹i j ( d f p q ) 算法，然后分别对b e 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 业务采取循环( r o u n dr o b i n ) 算、法【，对r t p s 业务采取超时优先( e a r l i e s td e a d l i n e f i r s t ) 算法【l ”，对n r t p s ) l k 务采取权重公平队列( w e i g h tf a i rq u e u e ) 算法【1 8 】。此亏损 公平优先队列算法来源于1 9 9 5 年提出的d w r r 算法l 嘲。另外，还有部分人通过 研究连接控制模块算法来提供q o s 保障。h a ! t a n gw a n g ，w e ! l i 等人通过服务降 级方法1 2 0 1 来提高网络用户承载量，这种q o s 保障思路源于传统的较少服务类别 的蜂窝型网络认证控制算法1 2 m 卯，扩展到多业务模型而来的。 从数学模型的角度来观察，无线多业务网络q o s 机制的研究无非就是有限 资源在多维q o s 需求下的最优化分配，如何达到用户和系统性能最大化的问题。 这跟微观经济学中的经济模型非常相似。不少研究人员首先研究建立基于无线 资源的经济学模型【2 3 j 。s o u r a vp a l ，m a l n a kc h a t t e r j e e ，s a j a lk d a s 提出主要 基于时延q o s 参数的用户满意度方法给无线非实时业务数据提供传送时延的 q o s 保i 正t 2 9 1 。该方法来源于蜂窝网络功率控制满意度算法【捌，利用s 型函数 3 1 来近似模拟用户的满意程度，尽量降低网络不安定率【3 2 郊 ( c h u r n i n gr a t e ) 。由于 各类业务的q o s 需求多样性，他们又选取各类业务的关键q o s 参数建立不同的 满意度函数i h ”j 进行评估，控制用户的长期不满意度，减少中断服务供应商服 务的几率。基于定价机制的q o s 算法，同样也涵括了接入控制和带宽分配两个 部分3 6 删。 现在国内研究工作者在i e e e8 0 2 1 6 协议范围内也展开了多方面的研究，比 较突出的是q o s 跨层机制设训4 1 删，通过q o s 结构模块的创新设计，以及链路 层和物理层算法融合的方式来取得业务自适应性，提升系统级q o s 性能。在p m p 和m e s h 拓扑模式下，国内也出现不少基于时分模型的带宽分配算法研究成果 m ”j ，同时很多硕士研究生也分别在c d m a 和最新的8 0 2 1 6 协议基础上展开了 相关的q o s 机制算法研究【4 9 】，为本文提供了巨大的参考价值。 1 3 本文研究内容与论文组织 在传统i e e e8 0 2 1 l x 系列协议无线局域网( w in ) 中，传输业务的q o s 主要 是通过竞争和轮询等方式来保证。由于业务分组大小可变，并且基站和移动站 之间通过请求一应答机制协商参与带宽分配，若频繁通过竞争时隙发送带宽请 求，势必减少用户有效数据吞吐量，降低系统整体性能；若不及时通过带宽请 求调整资源分配，可能造成有限带宽的浪费，降低系统公平性。 根据i e e e8 0 2 1 6 0 标准规定的四种调度业务、带宽请求方式和以服务流为核 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 心的q o s 机制，以自定义的无线各业务q o s 需求为主要参考准则，综合考虑传 统无线多业务网络已有的连接接纳和带宽分配策略，逐步提出一整套无线多业 务q o s 保证评测机制的策略： 1 ) 一种点到多点式( p o i n t - t o m u l t i p o i n t ，p m p ) 网络( 即基站一移动台模 式) 带宽自适应动态分配算法，可应用于i e e e 8 0 2 1 6 等领域。本策略利用基站 在每一个上行通信时间帧里收到的不同业务带宽请求量值进行分析评估，动 态调整各业务请求队列在同一上行帧内所获得的令牌值，使得不同业务能公 平按需获得带宽。在移动节点已经与基站建立连接的前提下，经过上行通信 时间帧后所收到的不同业务带宽请求预留量在一定程度上反映了不同业务的 繁忙状况。当某级业务带宽申请预留量所占比重增加，则说明该级业务变得 繁忙，反之则说明该级业务相对空闲。在某级业务繁忙时，通过适当的带宽 自适应分配机制增加该级业务请求队列在一个上行通信帧所获得的令牌值， 以增加该级业务的通过量，从而可以动态地针对各级业务状况来调整系统的 带宽资源分配，保证高级别业务通信质量不会受到严重影响；反之则保持该 级业务请求队列原有令牌值，根据优先级来保证服务的公平性，提高整个网 络系统的资源利用率； 2 ) 一种基于用户满意度( u s e rs a t i s f a c t i o nf a c t o r ，u s f ) 的带宽动态分配 算法。本策略利用s i g m o i d 函数构建用户满意度函数，利用各业务连接的分组 q o s 参数( 主要是最大时延限) 作为因子，控制每个上行帧内通过的分组用户满 意度，达到提供系统整体用户满意度和性能的目的。不同业务被分配给不同 的满意度参数，业务分组等级越高，在数据产生时初始化满意度参数越高。 基站可以根据获得带宽的各分组用户满意度，予以统计网络内各服务等级用 户群体不满意度。回馈信息可用于基站的连接认证控制模块，供用户作为连 接请求发送的参考； 3 ) 一种综合d f p q 自适应带宽分配算法和用户满意度的动态资源管理策 略。研究发现，在尽量满足各等级用户满意度的前提下，会导致部分实时数 据的服务质量降低( 平均时延增大) ；若满足高级别用户在时延方面的需求时， 会导致部分用户因服务质量无法得到充分满足而“生气”离开网络。通过权 重因子平衡后产生的新系统性能函数，可供无线运营商参考设计无线多业务 网络。 本论文主要分为五章，第一章为绪论，介绍无线多业务网络q o s 背景和意 义，相关研究现状，以及本文工作内容和贡献。第二章主要讲述q o s 机制研 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 究需要的相关背景知识和技术。第三章重点阐述了原亏损公平优先队列算法 流程和q o s 增强的自适应带宽分配方案。第四章通过引入微观经济学定价机 制的用户满意度，重新设计具有q o s 保证的带宽分配策略。最后一章是本文 总结并且对未来工作的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章无线多业务网络q o s 机制 2 1 无线多业务网络q o s 服务质量不单单是网络空中传输的事情，而是应用程序、用户终端、网络、 服务器各部分的综合效应。例如，一个用于远程视频播放的端到端应用程序， 就可能由以下几个部分组成：从向媒体服务器发送获取视频的请求，得到响应 后在源地进行压缩，通过无线空中接口将其传送到移动终端。在目的地进行解 压缩，最后在视频窗口播放。在端到端路径上，任何一个环节不满足q o s 要求， 都会影响播放的完整性。 2 1 1o o s 定义及衡量指标 所谓服务质量( q u a l i t y - o f - s e r v i c e ，q o s ) 是指服务性能的聚集效应，它决定 用户对特定服务的满意程度。在正常情况下，如果网络只用于特定的无延时和 带宽要求的系统，并不需要q o s 保证，但是对关键应用和多媒体应用，q o s 保 证就十分必要。当网络过载或拥塞时，网络要能确保重要业务的q o s 要求，同 时保证网络的高效运行。 服务质量是多方面因素的综合反映，它包括多方面内容，如传输延迟、延 迟抖动、丢包率、带宽要求等。每种业务都对q o s 有特定要求，有些可能对其 中某些指标要求高一些，如视频会话业务对数据包传输的延迟十分敏感。衡量 q o s 的技术指标包括以下几个： 1 )可用带宽：指网络两个节点之问特定应用业务流的平均速率，主要衡量 用户从网络取得业务数据的能力。所有的实时业务对带宽都有一定的要求，如 对于视频业务，当可用带宽低于视频源的编码速率时，图像质量就无法保证； 2 )时延：指数据包在网络两个节点之间传送的平均往返时间。所有实时性 业务都对时延有一定要求，如v o i p 业务，一般要求网络时延小于2 0 0 m s ，当网 络时延大于4 0 0 m s 时，通话就会变得无法忍受； 3 )时延抖动：指时延的变化。有些业务，如流媒体业务，可以通过适当的 缓存来减少时延抖动对业务的影响。而有些业务则对时延抖动非常敏感，如语 音业务，稍大的时延抖动就会导致语音质量迅速下降； 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 4 )丢包率：指在网络传输过程中丢失报文的百分比，用来衡量网络正确转 发用户数据的能力。不同业务队丢包的敏感性不同，在多媒体业务中，丢包是 导致图像质量恶化的最根本原因，少量丢包就可能使图像出现马赛克现象； 5 ) 误包率：指在网络传输过程中报文出现错误的百分比。误包率对一些加 密类的数据业务影响尤为严重。 其中，服务质量的量化指标主要是呼叫和连接建立的响应速度，及网络数 据的吞吐量。 2 1 2q o s 分类 系统按照它能提供的q o s 水平分类，随通信覆盖范围变化有以下几种分类 结果： 1 ) w l a n 无线局域网标准提出的初衷是为了提供高速便捷的无线短距离接入，而没 考虑q o s 保证，所以在i e e e8 0 2 1 l 协议中并没有区分服务的相关内容。只是 它提出的可选接入方式p c f t 5 0 ( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 为满足有严格时延 要求的业务需求提供了可能。因此，在采用i e e e8 0 2 t l 时，可以实现对两类 业务的支持，即非实时业务采用竞争接入方式( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n , d c f t s h ) 在竞争接入时段接入，实时业务采用中央调度方式( p c f ) 在非竞争接入 时段接入。 随着w l a n 应用范围越来越多样化，q o s 要求也参差不齐。i e e e8 0 2 i i 。 就是为满足不同业务q o s 要求而提出的。它在原i e e e8 0 2 i im a c 层调度方式 基础上，引入了混合协调方式( h y b r i dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n 。h c f l 5 2 1 ) 的概念。 其中的增强型竞争接入方式( e n h a n c e dd i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n , e d c f l 5 3 ) 将业务按其优先级粗略分为四大类，这只是从参数分配上来划分，并 没有指明具体的业务应用场合。然而，e d c f 只能反映出不同种业务之间优先 级的差别，却不能提供具体的时延限和带宽保证。非竞争接入方式( h c f c o n t r o l l e dc h a n n e la c c e s s ，h c c a 矧) 以满足时延和带宽要求为目标，选取最小 的服务问隔时间，保证在该间隔内产生的数据包都能被发送，以满足业务的o o s 需求。 2 、w c d m a w c d m a 是第三代蜂窝移动通信的空中接口标准。考虑到无线网络空中接 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 口的特殊性，兼顾蜂窝系统可靠性和业务多样性，w c d m a 的业务分为四个 q o s 类别：会话型业务( c v e 碍a t i 伽i a lc l a s s ) 、流业务( s t r e a m i n gc l a s s ) 、交互式 业务( i n t e r a c t i v ec l a s s ) 和背景业务( b a c k g r o u n dc l a s s ) 。这四类业务的主要区别在 于它们对时延的敏感程度。会话型业务对时延最敏感而背景业务最不敏感。 会话型业务和流业务主要用来承载实时业务，其中会话型业务是指对时延 最敏感的视频电话等。流业务主要指视频流。交互式业务和背景业务主要用于 传统的i n t e m e t 应用，如w w w 网页浏览、e - m a i l 、t e l n e t 、n l p 等。由于它们对 时延较不敏感，可以通过信道编码和重传措施减小包错误概率。其中交互式业 务主要指交互式应用，如：交互式e - m a i l 、交互式网页浏览等，而背景业务主 要指e - m a i l 下载、文件下载等。 3 ) w m a n i e e e8 0 2 1 6 协议给出了用来取代有线连接的高速可靠接入网的空中接口 规范。它以可靠的q o s 保证为目标，采用面向连接的按需分配方式，由基站统 一分配带宽。它将服务类别明确分为四大类：主动授权业务( u n s o l i c i t e dg r a n t s e r v i c e ，u g s ) ，实时查询业务( r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ，r i p s ) ，非实时查询业务 ( n o n - r e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e ，n a p s ) 和尽力而为业务( b e s te f f o r t ，b e ) 。本文研 究工作是基于i e e e8 0 2 1 6 4 协议规范展开的。 2 2q o s 保证技术 2 2 1q o s 保证策略和o o s 管理 q o s 保证策略的设计实施，首先需要考虑选择合适的技术框架，也即服务 模型。服务模型指的是一组端到端的q o s 功能，目前有以下三种q o s 服务模 型：尽力而为服务( b e s t - e f f o r ts e r v i c e ) 、综合服务i n t s e r v ( i n t e g r a t e ds e r v i c e ) 、区 分服务d i f f s e r v ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ) 。 1 ) b e s t - e f f o r ts e r v i c e 尽力而为服务是最简单的服务模型。应用程序可以在任何时候，发出任意 数量的报文，而且不需要事先获得批准，也不需要通知网络。网络则尽最大的 可能性来发送报文，但对时延、带宽等q o s 不提供任何保证。 2 1 i n t e g r a t e ds e r v i c e ( t n t s e r v ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 综合服务模型可以满足多种q o s 需求。这种服务模型在发送报文前，需要 向网络申请特定的服务。这个请求是通过信令( s i g n a l ) 来完成的，应用程序首先 通知网络它自己的流量参数和需要的特定服务质量请求，包括带宽、时延等。 应用程序一般在收到网络的确认信息，即网络已经为这个应用程序的报文预留 了资源后发送报文。而应用程序发出的报文应该控制在流量参数描述范围内。 网络在收到应用程序的资源请求后，执行资源分配控$ 4 ( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ，即 基于应用程序的资源申请和网络现有的资源情况，判断是否为应用程序分配资 源。一旦网络确认已为应用程序的报文分配了资源，则只要应用程序的报文控 制在流量参数描述的范围内，网络将承诺满足应用程序的q o s 需求。而网络将 为每个流( f l o w ，由两端的i p 地址、端口号、协议号确定) 维护一个状态，并基 于这个状态执行报文的分类、流量监管( p o l i c i n g ) 、排队及其调度，来满足对应 用程序的承诺，具有面向连接特性，因此对网络设备的处理能力有较高要求。 传送q o s 请求的信令是资源预留协议( r s ，) ，它通知路由器应用程序的q o s 需求。 3 1d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ( d i f f s e r v ) 区别服务模型可以满足不同q o s 需求。与i n t e g r a t e ds e r v i c e 不同，它不需 要信令，即应用程序在发出报文前，不需要通知路由器。网络不需要为每个流 维护状态，它根据每个报文指定的q o s ，来提供特定的服务。可以用不同的方 法来指定报文的q o s ，如i p 包的优先级位( i pp r e c e d e n c e ) 、报文的源地址和目 的地址等。网络通过这些信息来进行报文的分类、流量整形、流量监管和排队。 通常在配置d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e 时，在网络边界的路由器通过报文的源地址和 目的地址等对报文进行分类，对不同的报文设置不同的m 优先级，而其他路由 器只需要用m 优先级来进行报文的分类。 这三种服务模型中，只有i n t s e r v 与d i f f s c r v 这两种能提供多业务的q o s 保 障。从技术上看，i n t s e 胛具有面向连接的特性及思想，这增加了今后基于i p 网络的复杂性；从实现看，i n t s e r v 需要网络对每个流均维持一个软状态，因此 会导致设备性能下降，或实现相同功能需要更高性能的设备。另外，还需要全 网设备都能提供一致的技术才能实现q o s 。而d i f f s e r v 则没有这方面的缺陷， 且处理效率高，部署及实施可以分布进行，它只是在构建网络时，需要对网络 中的路由器设置相应的规则，会使配置管理比较复杂。而无论是d i f f s c r v ，还是 i n t s e r v ，在最终对服务进行保障时，都是通过以下一些成熟技术来实现： c a r 一一它根据i p 包的优先级或q o s 组，来进行报文的分类、以及报文的度 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 量和流量监管；队列技术一一采用w i l e d 、p q 、c q 、w f q 等队列技术进行拥 塞避免及拥塞管理。 q o s 是向应用提供有区别的、有保证的传输质量，它要求即使因网络资源 出现短缺，依然能够保证事先约定的端到端q o s 。因此，q o s 管理必须使得端 到端的时延限和最大时延抖动在可接受的范围内。一般说来，对于基于蜂窝网 络构架的无线多业务网络，衡量业务等级和业务质量最主要的参数，对于实时 业务是新连接建立的阻塞率和吞吐量，对数据业务是平均时延。 2 2 2m a c 层q o s 实现 数据传输服务质量主要是在数据链路层和网络层实现，这两个层次联合为 无线局域网提供q o s 支持。在数据链路层，主要在w l a n 中o s i 第二层实现优先 级服务。利用不同应用对q o s 有着不同的需求，为其中某些关键的通信数据帧 设置较高用户优先级，从而使这些通信在共享介质或同一交换机宽口获得较大 的带宽或较快的网络响应。网络层可以选择差分服务并结合r s v p 协议来实现在 o s i 第三层的q o s 支持。本文将主要精力集中在m a c 层上的端到端q o s 机制研 究。 m a c 层的主要功能有数据的接入和传输、网络连接、认证和加密。由于 m a c 层功能相对上层功能比较独立，所以考虑m a c 层时可以忽略上层的路由、 切换等带来的影响。m a c 层分组调度机制的选择可以兼顾物理层功率分配和速 率分配方案，有效地分配系统资源。而在物理层，若为保证q o s 引入复杂的调 制、编码方式、先进的天线技术等，则会在很大程度上增加系统实现的复杂性， 且由于信道容量的限制，系统性能的增值空间不大。因此，m a c 层的合理调度 机制可以更加有效地满足用户的q o s 要求。 无线局域网和无线城域网中，在网络的覆盖范围内，所有的站点都能接受 到信道上的信息。从传输技术的角度看，它们属于广播式网络( b r o a d c a s t n e t w o r k ) 。这种网络仅有一条通信信道，由网络上的所有终端共享。信道上的 分组或包( p a c k e t ) 可以被所有的站点接收。分组的地址字段指明此分组应被哪 个站点接收。一旦接收到分组，各站点将检查它的地址字段。如果是发送给它 的，则处理该分组，否则将它丢弃。在广播式网络中，任一时刻一个信道上只 能有一个站点发送信息。当有多个站点有发送需求时，就需要一种仲裁机制来 解决冲突。m a c 层就是专门处理对共享信道的访问问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 m a c 层的信道分配问题，就是考虑如何在多个用户之问分配一个单独的广 播信道。它通常设计到5 个关键性的假设。( 1 ) 站点模型( s t a t i o nm o d e l ) ：一个系 统可以e h n 个独立的站点( s t a t i o n ) 组成，它可以是任何形式的通信终端。每个站 点有一个可以产生待发送帧的程序或用户。( 2 ) 单信道假设：所有的通信都通过 单个信道进行。所有的站点都在该信道上发送和接收信息，尽管协议软件可以 给各个站点赋予不同的优先级，但就硬件而言，各站点都是平等的。( 3 ) 冲突假 设：如果两帧同时发送，它们会相互重叠，结果产生的信号难以辨认，这就叫 做冲突( c o l l i s i o n ) 。所有站点都能检测到冲突的产生，冲突的帧不能被正确接收。 当不考虑物理层的信道出错时，除了冲突产生的差错，不再有其他任何的差错。 ( 4 ) 时隙( s l o t t e dt i m e ) ：时间被分为离散区间( 时隙) ，帧总是在时隙开始的一瞬 间开始发送。在一个时隙内可能有0 个、1 个或多个帧占用信道。若一个时隙内 没有帧占用信道，则该时隙为空闲时隙；若只有一个帧占用信道，则该帧成功 占用信道；若有多个帧占用信道，则这些帧在该时隙内发生冲突。( 5 ) 载波侦听 ( c a r r i e rs e n s e ) ：所有的站点在使用信道以前都可以检测到信道是否正在使用 ( 隐藏终端和暴露终端问题另作考虑) 。如果信道正忙，其他站点不会再去使用 它，直到它变得空闲。第一个假设说明各站点相互独立地产生数据帧，且每个 站点只有一个用户。单信道假设是问题的核心，除单信道外没有其它的任何外 部通信方式。 另外，i e e e8 0 2 1 6 还引入了o f d m a 多址接入方式。它将原信道划分为若 干个子信道，为每一次传输分配一组子信道，这就从时问和频率两个维度上对 信道进行了划分，不同于单信道的假设。虽然划分了子信道后，每次通信占用 的信道带宽减小，传输速率下降，从总体效果上看，平均时延变长，但是采用 o f d m a 后，信道的分配更加灵活。而在本文研究中，我们只考虑单信道的时 分接入模型。 2 3i e e e8 0 2 1 6 q o s 机制与分析 2 3 1i e e e8 0 2 1 6 系列标准与相关技术比较 根据是否支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 标准可以分为固定宽带无线接入 ( f b w a ，f i x e db r o a d b a n d w i r e l e s s a c c e s s ) 空中接口标准和移动宽带无线接入 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 ( m b w