一種適應(yīng)信道的WiMax分級調(diào)度架構(gòu)

　　摘要： 針對無線信道中與時(shí)間和位置相關(guān)性錯(cuò)誤，本文簡要介紹了IEEE 802.16d協(xié)議的QoS服務(wù)模型，在對WiMax的QoS機(jī)制和調(diào)度策略進(jìn)行了深入的研究后，提出了一種新的MAC層分級分組調(diào)度架構(gòu)。以滿足不同類型業(yè)務(wù)的QoS需求，解決了無線信道特殊性帶來的調(diào)度問題。

　　關(guān)鍵詞： 無線城域網(wǎng)規(guī)范;服務(wù)質(zhì)量;調(diào)度;無線信道

　　引言

　　隨著VoIP電話、視頻會(huì)議和在線視頻等多媒體業(yè)務(wù)迅猛發(fā)展，對網(wǎng)絡(luò)性能提出了與傳統(tǒng)的網(wǎng)頁瀏覽、FTP服務(wù)、E-mail等業(yè)務(wù)不同的需求，不同類型的業(yè)務(wù)具有各自明確的服務(wù)質(zhì)量(QoS，Quality of Service)成為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的一大特征。旨在提供傳輸距離更遠(yuǎn)、速度更高的無線城域網(wǎng)規(guī)范—WiMax標(biāo)準(zhǔn)中，無線信道的位置依賴性、突發(fā)和高的信道誤碼也成為其QoS要面對的首要問題。針對不同的應(yīng)用需求，802.16d標(biāo)準(zhǔn)中為QoS定義了四種業(yè)務(wù)類型，明確規(guī)范了交互機(jī)制，但將調(diào)度等內(nèi)容留待開發(fā)者自行解決。

　　文獻(xiàn)[2]提出一種新型的CIF-Q調(diào)度算法，能夠較好地適應(yīng)無線特性、滿足實(shí)時(shí)要求，但缺乏對多類型業(yè)務(wù)的區(qū)別服務(wù)。文獻(xiàn)[3]提出的CSDPS算法能夠不依賴于信道特性，卻無法保證時(shí)延限制。將文獻(xiàn)[4]提出的分級體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用到WiMax的QoS調(diào)度架構(gòu)中，提出了兩層的分組調(diào)度算法，針對不同類型業(yè)務(wù)的QoS需求，在良好適應(yīng)無線特性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對不同業(yè)務(wù)應(yīng)用的支持。

　　IEEE 802.16d的服務(wù)類型

　　主動(dòng)授予服務(wù)(UGS，Unsolicited Grant Service)

　　UGS業(yè)務(wù)用于傳輸周期性的、包大小固定的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其典型業(yè)務(wù)是VoIP電話。UGS業(yè)務(wù)一旦申請成功，在傳輸過程中就不需要再去申請。BS周期性地強(qiáng)制調(diào)度，不接收來自SS的競爭請求機(jī)會(huì)，同時(shí)禁止使用捎帶請求，這樣避免了帶寬請求引入的開銷和時(shí)延。

　　實(shí)時(shí)輪詢服務(wù)(rtPS，Real-time Polling Service)

　　rtPS主要用于支持周期性的、包大小可變的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，如MPEG視頻業(yè)務(wù)。rtPS提供周期性的單播輪詢帶寬請求機(jī)會(huì)，從而使得該連接能夠周期地改變帶寬請求。BS也不接收來自SS的其他競爭請求機(jī)會(huì)和捎帶請求。這種服務(wù)比UGS的請求開銷大，但能按需動(dòng)態(tài)分配帶寬。

　　非實(shí)時(shí)輪詢服務(wù)(nrtPS，Non-Real-time Polling Service)

　　nrtPS主要用于支持非周期、變長分組的非實(shí)時(shí)VBR服務(wù)流，如高帶寬的FTP業(yè)務(wù)流，它有最小速率要求。BS提供比rtPS輪詢間隔更長的周期或不定期的單播請求機(jī)會(huì)，SS也可以使用競爭和捎帶請求的方式來請求帶寬。

　　盡力而為服務(wù)(BE，Best Effort Service)

　　BE主要用于支持非實(shí)時(shí)、無任何速率和時(shí)延要求的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其穩(wěn)定性由高層協(xié)議來保證。典型業(yè)務(wù)是Telnet和Http服務(wù)。SS可以隨時(shí)提出帶寬申請，允許使用任何類型的競爭請求機(jī)會(huì)和捎帶請求，但是不允許它們使用任何單播輪詢請求機(jī)會(huì)。

　　QoS調(diào)度架構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　本架構(gòu)的設(shè)計(jì)見圖 1。服務(wù)請求通過分類器后，按照QoS需求特性，將業(yè)務(wù)流分組放入不同隊(duì)列。從隊(duì)列中取出的請求加以流量監(jiān)控，保證在對用戶流量進(jìn)行規(guī)約的同時(shí)，允許保持業(yè)務(wù)流限定范圍內(nèi)的突發(fā)性。通過流量監(jiān)控后的服務(wù)請求先進(jìn)入下層調(diào)度，針對同種排隊(duì)類型的業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)度，包括實(shí)時(shí)調(diào)度、非實(shí)時(shí)調(diào)度和BE調(diào)度。上層總調(diào)度針對不同種排隊(duì)類型業(yè)務(wù)進(jìn)行總體統(tǒng)籌安排。下面將對這些模塊進(jìn)行深入分析。主要由下面幾個(gè)部分組成：

圖1 調(diào)度構(gòu)架圖

　　調(diào)度控制器

　　四種類型業(yè)務(wù)的帶寬請求方式不同，對時(shí)延、抖動(dòng)和速率等參數(shù)的要求也不同?？紤]到無線信道特性，采用如下調(diào)度控制策略：為UGS業(yè)務(wù)預(yù)留一定帶寬BUGS，維持特征表，用于定期給SS分配相應(yīng)的帶寬來發(fā)送UGS業(yè)務(wù)流。對于rtPS業(yè)務(wù)，通過確定其單播輪詢間隔的參數(shù)值，可以調(diào)整實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸機(jī)會(huì)的多寡和帶寬分配量。對于nrtPS業(yè)務(wù)，通過確定其單播輪詢間隔來調(diào)整獲取傳輸機(jī)會(huì)的周期，保證非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的最小速率。并檢查帶寬的空余量，決定是否對nrtPS業(yè)務(wù)的競爭和捎帶請求進(jìn)行授權(quán)。按照上述思想，將周期性的、具有恒定速率的UGS業(yè)務(wù)流、rtPS和nrtPS的輪詢流放至實(shí)時(shí)隊(duì)列，將nrtPS業(yè)務(wù)流的帶寬請求放至非實(shí)時(shí)隊(duì)列，而將沒有QoS要求的BE業(yè)務(wù)流放至BE隊(duì)列。

　　流量監(jiān)控

　　為了使上游流量適應(yīng)可用的帶寬資源，避免不必要的報(bào)文丟棄和擁塞，系統(tǒng)要對分類后的業(yè)務(wù)流進(jìn)行流量監(jiān)控。本模塊采用令牌桶算法，策略如下：當(dāng)報(bào)文到來后，只要令牌桶中有令牌，無論數(shù)量是否足夠，都可以轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，同時(shí)令牌桶中的令牌量按報(bào)文的長度做相應(yīng)的減少。當(dāng)令牌數(shù)量小于報(bào)文長度時(shí)，就可以欠債轉(zhuǎn)發(fā)，即轉(zhuǎn)發(fā)后令牌桶中令牌數(shù)目為負(fù)，在下次添加令牌的時(shí)候，先還清所欠債務(wù)，再繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。這種借貸處理方法在處理突發(fā)報(bào)文時(shí)有優(yōu)勢，能夠在限制流量的同時(shí)，保證報(bào)文發(fā)送的連續(xù)性，很好地除抖動(dòng)的影響。系統(tǒng)為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流預(yù)留一定的帶寬，并優(yōu)先處理實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流和BE業(yè)務(wù)流的突發(fā)性較高，業(yè)務(wù)量相對繁重，這類業(yè)務(wù)是流量監(jiān)控的工作主要對象。

　　實(shí)時(shí)調(diào)度器

　　實(shí)時(shí)調(diào)度器負(fù)責(zé)對帶寬和延時(shí)要求比較嚴(yán)格的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流，包括UGS業(yè)務(wù)流、rtPS業(yè)務(wù)流和nrtPS業(yè)務(wù)的輪詢流。由于業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性，在業(yè)務(wù)延時(shí)后，無法也無需補(bǔ)償其帶寬。也就是說一定要保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)延需要，盡量避免某一實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)長時(shí)間等待現(xiàn)象，同時(shí)使各業(yè)務(wù)流的延時(shí)在可容忍的門限內(nèi)。考慮到這些因素，實(shí)時(shí)調(diào)度器中采用不依賴于信道狀態(tài)的包公平排隊(duì)CIF-Q(Channel Independent Fair Queuing)算法。CIF-Q算法的核心是起始時(shí)間公平排隊(duì)(SFQ，Start time Fair Queuing)算法，通過參考無錯(cuò)服務(wù)系統(tǒng)，業(yè)務(wù)流可劃分為領(lǐng)先流、落后流和正常流三類。流的落后(領(lǐng)先)度為無錯(cuò)服務(wù)和真實(shí)服務(wù)之差。如果領(lǐng)先流獲得了一個(gè)調(diào)度機(jī)會(huì)，則以概率α放棄它，被放棄的機(jī)會(huì)分配給具有最大落后度的落后流。在這種補(bǔ)償策略下，落后流可以接受額外服務(wù)，而同步流不會(huì)受到干擾，領(lǐng)先流將會(huì)優(yōu)美地降低它們的服務(wù)。概率α的值是由網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的QoS參數(shù)(授權(quán)大小、輪詢間隔、最大輪詢時(shí)延抖動(dòng)和最小預(yù)約速率等)決定的。

　　下面是對算法模型的偽代碼描述，并將在NS2仿真中采用C++實(shí)現(xiàn)。

　　參數(shù)初始值：

　　Vi=max(Vi, min{Vj | j∈A})

　　lagi=0

　　參數(shù)更新：

　　Vi+=packetik. length / ratei

　　lagi±=packetik·length

　　業(yè)務(wù)調(diào)度：

　　選擇業(yè)務(wù)流i = min{Vi | iA};若業(yè)務(wù)流i落后，并可正常發(fā)送，則調(diào)度業(yè)務(wù)流i，更新Vi;若業(yè)務(wù)流i落后，但不可正常發(fā)送，則選擇業(yè)務(wù)流j = max{lagk/rk | k∈A ∧packetjk可發(fā)送}進(jìn)行調(diào)度，更新Vi、lagi、lagj;若業(yè)務(wù)流i領(lǐng)先，則以概率1-a正常調(diào)度業(yè)務(wù)流i，更新Vi;概率a放棄調(diào)度業(yè)務(wù)流i，選擇業(yè)務(wù)流j=max{lagk/rk | k∈A ∧packetjk可發(fā)送}進(jìn)行調(diào)度，更新Vi、lagi、lagj;

　　其中：Vi：業(yè)務(wù)流i的虛擬時(shí)間

　　lagi：業(yè)務(wù)流i的落后/領(lǐng)先度

　　packetik：業(yè)務(wù)流i的第k個(gè)包

　　ratei：業(yè)務(wù)流i的速率

　　非實(shí)時(shí)調(diào)度器

　　非實(shí)時(shí)調(diào)度器主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)性較弱的nrtPS業(yè)務(wù)流。非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對延時(shí)的要求不高，更加關(guān)注的是在適應(yīng)無線鏈路特性的同時(shí)，如何應(yīng)對繁重的業(yè)務(wù)流、保證吞吐量?；谶@些理由，非實(shí)時(shí)調(diào)度器采用基于業(yè)務(wù)類型排隊(duì)(CBQ，Class-Based Queuing)的適應(yīng)無線信道狀態(tài)調(diào)度算法CSDPS(Channel State Dependent Packet Scheduling)。CSDPS部分用于處理無線鏈路的變化，它將每一個(gè)SS的分組數(shù)據(jù)信息都保存在一個(gè)獨(dú)立的隊(duì)列中，并按照先入先出(FIFO)順序處理每個(gè)隊(duì)列中的分組數(shù)據(jù)。設(shè)置一個(gè)鏈路狀態(tài)監(jiān)視器，用來監(jiān)視所有SS的鏈路狀態(tài)信息，當(dāng)某無線鏈路處于異常狀態(tài)時(shí)，則標(biāo)記該隊(duì)列，使之暫停服務(wù)。一段時(shí)間后取消對它的標(biāo)記，該隊(duì)列可以重新進(jìn)行資源調(diào)度。CBQ跟蹤每個(gè)SS隊(duì)列在確定時(shí)間間隔內(nèi)收到的業(yè)務(wù)數(shù)量，并且限制超過應(yīng)分配共享帶寬的SS在未來分配資源的大小，提供整個(gè)無線信道共享的公平性機(jī)制。

　　參數(shù)初始化：

　　blocktimei=0

　　consumei=0

　　參數(shù)更新：

　　blocktimei+=d

　　consumei+= packetik·length

　　業(yè)務(wù)調(diào)度：

　　每間隔d時(shí)間重新初始化consumei;更新blocktimei;blocktimei >a，取消對隊(duì)列SSi的標(biāo)注;選擇未被標(biāo)注且consumei未超標(biāo)的隊(duì)列SSi;若隊(duì)列SSi的數(shù)據(jù)流可正常發(fā)送，則調(diào)度packetik，并更新consumei;若隊(duì)列SSi的數(shù)據(jù)流不可正常發(fā)送，則標(biāo)注SSi，并初始化blocktimei;

　　其中：blocktimei：隊(duì)列SSi的暫停時(shí)間

　　consumei：隊(duì)列SSi已消耗的數(shù)據(jù)量

　　packetik：隊(duì)列SSi的第k個(gè)數(shù)據(jù)包

　　a：當(dāng)隊(duì)列被標(biāo)注后，恢復(fù)正常所需時(shí)間

　　d：時(shí)間間隔量

　　BE調(diào)度器

　　BE調(diào)度器主要負(fù)責(zé)對服務(wù)質(zhì)量不作要求的BE業(yè)務(wù)流，不須為其提供完備的QoS保證?？紤]到BE業(yè)務(wù)流的典型業(yè)務(wù)是Internet網(wǎng)絡(luò)瀏覽等，實(shí)時(shí)性要求較低，無須考慮服務(wù)中斷的應(yīng)對，采用簡單的先入先出(FIFO，F(xiàn)irst In First Out)算法即可滿足其需求。

　　總調(diào)度器

　　總調(diào)度器負(fù)責(zé)對不同類型的業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)度，在體現(xiàn)各種業(yè)務(wù)享有不同級別服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，還要在三種子調(diào)度之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，達(dá)到相對公平的目的，防止諸如實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)壟斷帶寬或?qū)崟r(shí)業(yè)務(wù)被阻塞等現(xiàn)象的發(fā)生。這包含兩個(gè)方面的內(nèi)容：一、穩(wěn)定三類業(yè)務(wù)間的結(jié)構(gòu);二、適應(yīng)業(yè)務(wù)流變化。為此，總調(diào)度器采取如下策略和措施：為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)預(yù)留一部分帶寬BUGS，為突發(fā)流預(yù)留一部分帶寬Bburst，其余的帶寬按一定比例分配給三類業(yè)務(wù)流。當(dāng)請求比例外帶寬時(shí)，優(yōu)先授權(quán)予實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)次之，BE業(yè)務(wù)最低優(yōu)先級。當(dāng)三類業(yè)務(wù)流間的帶寬需求結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，要適當(dāng)調(diào)整帶寬的分配比例?？紤]到對帶寬的充分利用，當(dāng)由于無線信道誤碼或其他原因造成某一正在傳遞數(shù)據(jù)的連接暫時(shí)中斷，系統(tǒng)會(huì)將連接所占帶寬臨時(shí)分配給別的連接，為了實(shí)現(xiàn)公平性，在暫時(shí)中斷服務(wù)的連接恢復(fù)正常后，系統(tǒng)應(yīng)對中斷連接作出帶寬補(bǔ)償。UGS等業(yè)務(wù)流實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，若連接恢復(fù)后再對連接作出帶寬補(bǔ)償沒有多大意義。對于BE業(yè)務(wù)，調(diào)度不保證其服務(wù)質(zhì)量，因此BE業(yè)務(wù)也無補(bǔ)償。而nrtPS流業(yè)務(wù)量繁重，一旦中斷連接必然導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)滯留，必須考慮連接恢復(fù)后的帶寬補(bǔ)償問題。

　　總調(diào)度器算法模型偽代碼描述如下：

　　檢查進(jìn)入調(diào)度的數(shù)據(jù)流的類型，確定此類型的比例帶寬(Brt或Bnrt或BBE)是否有剩余：若有，則進(jìn)入相應(yīng)的子調(diào)度器，并更新剩余的比例帶寬;若無，則進(jìn)入brust業(yè)務(wù)處理方法。

　　brust業(yè)務(wù)：若Bbrust+Bremain>0，則按照rtPS>nrtPS >BE的優(yōu)先順序處理數(shù)據(jù)流，并更新Bbrust、Bremain。對未取得Bbrust的業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)為NeedCompensate。

　　業(yè)務(wù)補(bǔ)償：若Bremain>0，則對標(biāo)識(shí)為NeedCompensate的業(yè)務(wù)分配Bremain的帶寬，進(jìn)入相應(yīng)子調(diào)度，并更新Bremain。

　　BUGS：UGS業(yè)務(wù)保留帶寬

　　Brt、Bnrt、BBE：實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和BE業(yè)務(wù)的比例帶寬

　　Bremain：剩余帶寬

　　仿真結(jié)果

　　由UC Berkeley開發(fā)的免費(fèi)、開源的多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS-2是一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的模擬器，它可以屏蔽對操作系統(tǒng)的實(shí)際訪問，近乎真實(shí)地模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。由于NS-2本身中不包含WiMax模塊，這里采用對QoS支持較為完善的長庚大學(xué)開發(fā)的WiMax 2.03模塊。本文對調(diào)度架構(gòu)中所涉及的調(diào)度算法用C++進(jìn)行描述，然后采用Otcl腳本語言建立WiMax模擬場景，并獲取的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果。針對無線信道特性導(dǎo)致的高誤碼率，本文模擬1個(gè)BS(Base Station)和4個(gè)SS(subscriber station)組成的WiMax網(wǎng)絡(luò)，仿真場景如圖 2所示。誤碼率設(shè)為1%，最大誤碼時(shí)長16個(gè)時(shí)間間隔。通過對仿真數(shù)據(jù)的分析和對比，可以得到算法的吞吐量、延時(shí)和速率等性能參數(shù)。本架構(gòu)算法與通常調(diào)度算法的對比見圖 3、圖 4(取樣時(shí)間為0.1秒)。

圖 2 仿真場景圖

　　圖 3是UGS、rtPS等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在采用CIFQ算法和FIFO算法時(shí)的延時(shí)對比?？梢钥闯觯跇I(yè)務(wù)擁擠，出現(xiàn)信道錯(cuò)誤時(shí)，F(xiàn)IFO算法會(huì)產(chǎn)生峰值毛刺，出現(xiàn)長延時(shí)現(xiàn)象。相比之下，雖然CIFQ算法的總延時(shí)增加2%，但延時(shí)波動(dòng)較為平穩(wěn)，且無長延時(shí)現(xiàn)象，這證明CIF-Q算法能夠在有效應(yīng)對信道錯(cuò)誤的同時(shí)，滿足了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的延時(shí)和抖動(dòng)需求。

圖3 實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)延時(shí)對比圖

表1 主要性能參數(shù)對比表

　　圖 4是非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在采用CBQ-CSDPS算法和FIFO算法時(shí)的吞吐量對比。明顯可以看出，在信道現(xiàn)在錯(cuò)誤時(shí)，F(xiàn)IFO算法會(huì)導(dǎo)致吞吐量急劇下降。而CBQ-CSDPS算法能夠很好應(yīng)對信道錯(cuò)誤，持續(xù)高吞吐量作業(yè)，總的吞吐量比FIFO算法多出近15%。這證明CBQ-CSDPS算法更有利于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)高效率地使用帶寬。

圖4 非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)吞吐量對比圖

　　在仿真無線特性的高誤碼的場景下，本架構(gòu)的延時(shí)、吞吐量和丟包等方面的表現(xiàn)見表 1。采用本架構(gòu)后，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的延時(shí)/抖動(dòng)有明顯改善的同時(shí)，吞吐量有了一定的提升，丟包率減少了約30%;對于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在采用本架構(gòu)后吞吐量提升十分顯著，丟包率也減少了約30%，但代價(jià)是延時(shí)增加了近15%。表面上看，本架構(gòu)似乎有得有失，但內(nèi)在卻有了質(zhì)的變化：本架構(gòu)以總延時(shí)的少量增加換得對延時(shí)抖動(dòng)的限制、丟包率和吞吐量的提升，從而滿足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的延時(shí)和抖動(dòng)需求;非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)以其非注重的總延時(shí)兌得吞吐量的極大提升，滿足了非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的高速率暢行。這說明本調(diào)度架構(gòu)的算法在高誤碼率的狀況下，能夠較好地滿足各類型業(yè)務(wù)需求。

　　結(jié)語

　　本文結(jié)合CIF-Q和CBQ-CSDPS等調(diào)度算法，提出一種適合于WiMax的MAC層QoS調(diào)度架構(gòu)。該架構(gòu)結(jié)合分級分組調(diào)度算法，充分利用帶寬控制、資源預(yù)留和流量監(jiān)控等策略和機(jī)制。通過NS仿真對算法進(jìn)行仿真，得出如下結(jié)論：①能夠適應(yīng)時(shí)間、位置相關(guān)的等無線信道特性的高誤碼率;②為不同類型業(yè)務(wù)采用相應(yīng)算法，滿足UGS和rtPS業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性，保證了nrtPS業(yè)務(wù)的最小速率，兼顧了BE業(yè)務(wù)的需求;③系統(tǒng)整體具有較高吞吐量、公平性和較小時(shí)延。但在無線功耗、分布式無線網(wǎng)絡(luò)的位置相鄰等問題，還需要進(jìn)一步探討。

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