基于优先级的IEEE802．16系统接纳控制算法研究

摘要：鉴于IEEE802．16标准中未对接纳控制机制提出定义，为了提高系统带宽利用率，在分析现有无线网络接纳控制技术的基础上，结合IEEE802．16的具体机制提出了一种基于业务优先级的接纳控制算法。相比于先到先服务的接纳机制，该算法严格区分业务优先级，为不同优先级业务预留带宽，以保证实时业务的服务质量(QoS)要求。利用NS2网络模拟软件对算法进行了仿真和性能评估。结果表明，本接纳控制算法可以较好地保障高优先级业务的实时性，同时在重负载情况下系统带宽利用率有了明显提高。
关键词：IEEE802．16；服务质量；接纳控制；业务优先级

    无线网络的日益发展使得其能够支持各种类型的业务，因此需要保证各类业务的QoS，同时要提高系统利用率，为此需要引入有效的接纳控制算法到无线资源管理机制中。IEEE802．16作为目前热点宽带无线接入技术，定义了MAC层和PHY层的机制。但是标准中对接纳控制以及调度算法并没有定义，只是采用简单的先到先服务机制，具体优化留给了开发者。
    按照ITU-T和ATM论坛的定义，接纳控制是网络在新连接申请建立的时刻根据新连接的业务特性(用流量参数表征)、服务质量要求和网络资源(带宽，缓冲区)的当前状况对是否接纳此连接申请做出决策。考虑请求流的特性和资源需求，结合网络的当前资源状态，制定合适的接纳控制机制，必须既保证新接入流的带宽和时延等QoS要求，而且现有网络中业务流的QoS能够继续保持。
    目前无线网络常用接纳控制算法有，保护带宽算法，基于门限算法等。保护带宽算法是指系统为切换呼叫预留一些信道，即保护信道。如保护信道为C-K，当已有呼叫小于门限K时，则所有新呼叫都可以被接纳，大于门限K时只有切换呼叫能够被接纳。基于门限接纳的执行基于资源I的可用性，目的是保持I中的每一个元素小于门限向量Ith。这些门限基于系统的拥塞状况而定义。当呼叫到达时，算法估计新呼叫对当前I值的影响δI。准则基于以下策略：I+δI<Ith。当这个条件满足时，到达的呼叫被接纳，否则被拒绝或加入到队列。

1 IEEE802．16系统的QoS机制
1．1 IEEE802．16系统的业务类型
    IEEE802．16定义了2～66 GHz固定宽带无线接入系统的空中接口。定义了Mesh网和PMP两种组网方式。MAC层的多址方式可以是TDMA，对于OFDMA的物理层，MAC可以采用OFDMA的多址方式。OFDMA将所有可用的载波分多个子信道，每个子信道包含若干子载波。可分配的资源不只时隙，还有子信道。笔者研究基于点对多点模式(即一个中心节点BS管理若干个子节点SS)，TDMA多址方式，物理层基于OFDM技术。
    IEEE802．16是面向连接的，数据传输以及寻址是基于连接的，连接对应的服务流定义了连接的QoS参数，如时延，时延抖动、最大可持续速率等。节点有业务传输时，须建立对应的连接，并激活服务流。
    IEEE 802．16e标准中定义了5种不同的业务类型，它们分别为：主动授予业务(UGS)、增强型实时轮询业务(ertPS)、实时轮询业务(rt PS)、非实时轮询业务(nrtPS)、尽力传输业务(BE)。不同业务对应不同的请求／授权机制，提供不同的QoS。根据实时性的要求，定义优先级依次递减。UGS业务优先级最高，BE优先级最低。主要特性如表1所示。考虑不同业务的QoS参数，选择合适的接纳控制算法。

1．2 IEEE802．16系统的QoS架构
    IEEE802．16的QoS的核心概念是对不同上层业务按一定特性进行区分，并对各个类别的服务流保证一定的传输参数。参数包括：吞吐量、时延、时延抖动、丢包率以安全性等。
    对于每个用户站SS到基站BS的连接，在连接建立时都会被分配一个服务类别。当分组在汇聚子层被分类时，分类器会根据分组对应的应用服务所要求的QoS对分组进行连接分类，并用连接标识符(Connection Identifier，CID)来进行唯一标识。每条连接都对应一种服务类别。在SS端，上行带宽请求发生器将根据各个连接的深度以及队列对应的服务类别，向BS发送带宽请求。对于UGS服务的连接，不需要进行带宽请求，BS会分配固定带宽给该类型的连接。而对于其他类型的业务，带宽请求消息中需要包含连接队列的深度，以代表目前的带宽需求量。带宽请求的方式可以是单播轮询、组播轮询、广播轮询和竞争等。BS调度器根据接收到的带宽请求消息产生上行链路映射消息UL-MAP。而SS端调度器则根据接收到的UL-MAP消息的内容，从各连接队列中提取分组，并在UL-MAP消息定义的时隙下发送。图1是目前IEEE 802．16中已有的QoS体系构架，接纳控制模块位于BS侧，负责连接建立的QoS机制。但具体的控制机制在已有构架中并未给出定义，这是本文研究的重点。

2 基于业务优先级的接纳控制算法
    IEEE802．16的时隙分配以帧时间T为周期，由调度中心节点BS按非竞争TDM／TDMA方式对各SS的各流分配时隙。在每个周期结束时，BS根据之前的时隙使用情况，轮询各个发出连接请求的队列。
2．1 系统剩余资源估计
    在每帧结束时，BS查询传输链表，得到相应的传输数据大小。具体如下：在链表中分上下行，根据查询出的QoS参数记录中的MinTraff icRate，按照每帧5 ms计算出要传输的比特数，再根据对应的调制编码方式计算出每个CID传输占用的时隙(以OFDM符号为单位)。用总时隙数减去本帧需要的时隙数，得到系统剩余的OFDM符号数。
2．2 接纳准则
    对于下行业务，BS每收到上层数据包时，首先查询是否有对应的服务流，有则直接将数据包加入对应的队列，如果没有服务流，则BS根据业务类型创建服务流，设置服务流的各种OoS参数，并将服务流状态设为Provisioned。对于上行业务，SS每收到上行数据包时，也是先查询是否有对应服务流，没有的话，创建对应服务流且状态设为Provisioned，并在合适的时隙发送DSA-REQ给BS，请求激活服务流。
    BS在每帧结束时，查询是否有待激活的上下行服务流。根据待激活的服务流的业务类型，业务优先级，以及当前网络的状态，做出接纳决策。如果时隙能够满足服务流的请求，则接纳该流，否则拒绝。每次轮询时，UGS业务首先被轮询，然后是rtPS和ertPS，这样UGS业务就具有高的优先级，能够满足实时性的要求。对于BE和nrtPS业务，由于没有时延要求，只要有带宽就接纳。
    为UGS业务预留带宽，保证高的优先级。对于其他类型业务，轮询的先后顺序不同，体现了优先级不同。根据请求流的最小预留速率以及对应的SS的调制方式，计算出请求流所需要的时隙数。
    UGS业务接纳准则为请求带宽Treq-1+Tocc<T(Treq-1表示UGS业务请求的带宽，T表示系统总带宽，Tocc表示系统已用带宽)；rtPS和ertPS业务接纳准则为Treq-2+Tocc<T-Tres-1，(Treq-2表示rtPS和ertPS业务请求的带宽，Tres-1表示为高优先级的UGS业务预留的带宽)；BE和nrtPS业务的接纳准则为Treq-3+Tocc<T-Tres-2(Tres-3表示nrtPS和BE业务请求的带宽，Tres-2表示为中优先级的rtPS和ertPS业务预留的带宽)。

3 仿真与性能分析
3．1 仿真环境与参数设置
    NS2是由美国加利福尼亚大学Berkeley分校等四家教育和研究机构共同开发的网络仿真平台。它是一种离散事件模拟器，有一个Schedul er类，负责记录当前的时间、调度队列中的事件并提供函数产生新的事件。NS还提供了有丰富的构建库，强大的数据采集功能。文中使用NS2搭建了802．16协议的仿真平台，加入了基于优先级的接纳控制算法，对算法性能进行了仿真。
    仿真中定义帧长0．005 s，UGS业务流速率为64 kbps，rtPS、ertPS、nrtPS和BE业务速率为1 024 kbps，服务流产生周期以及数据包大小基于IEEE802．16标准定义。物理层提供速率50 Mbps。仿真中将UGS业务分为高优先级，将rtPS和ertPS业务分为中优先级，将nrtPS和BE业务分为低优先级。为高优先业务预留带宽为4 Mbps，为中优先级业务预留带宽6 Mbps。假设每个SS都拥有5种业务。
3．2 仿真结果与分析
    仿真时针对不同SS的情况分别进行了分析。记录了网络的吞吐量和系统带宽利用率。

    从图2显而易见，高优先级的业务具有比中低优先级业务更高的接纳率，这样保证了高优先级业务的实时性。

    由图3可以看出，相比于没有接纳控制机制(先到先服务)的系统，当采用接纳控制机制之后，当网络轻载时，由于带宽足够，所有数据都会被接纳，所以接纳控制并不能看出优势。但是随着SS增多，业务增多的时候，因为有预留给高优先级的一部分带宽没有利用所以系统带宽利用率较低，但是在重负荷时接纳控制能够有效控制进入网络的业务，在保证UGS业务的实时性的同时提高带宽利用率。

4 结束语
    本文在对传统蜂窝无线网络接纳控制算法深入研究的基础上，结合IEEE802．16系统的QoS机制，研究了一种基于优先级的资源预留的接纳控制算法。NS2网络模拟软件的仿真结果表明，采用本接纳算法后，相比于先到先服务机制，能有效保证实时业务的实时性需求，同时在重负载时系统的带宽利用率得到了提高。