一种适应信道的WiMax分级调度架构

摘要：针对无线信道中与时间和位置相关性错误，本文简要介绍了IEEE|0">IEEE802.16d协议的QoS|0">QoS服务模型，在对WiMax的QoS机制和调度策略进行了深入的研究后，提出了一种新的MAC层分级分组调度架构。以满足不同类型业务的QoS需求，解决了无线信道特殊性带来的调度问题。

引言

随着VoIP电话、视频会议和在线视频等多媒体业务迅猛发展，对网络性能提出了与传统的网页浏览、FTP服务、E-mail等业务不同的需求，不同类型的业务具有各自明确的服务质量(QoS，QualityofService)成为现代通信网络的一大特征。旨在提供传输距离更远、速度更高的无线城域网规范-WiMax标准中，无线信道的位置依赖性、突发和高的信道误码也成为其QoS要面对的首要问题。针对不同的应用需求，802.16d标准中为QoS定义了四种业务类型，明确规范了交互机制，但将调度等内容留待开发者自行解决。

文献[2]提出一种新型的CIF-Q调度算法，能够较好地适应无线特性、满足实时要求，但缺乏对多类型业务的区别服务。文献[3]提出的CSDPS算法能够不依赖于信道特性，却无法保证时延限制。将文献[4]提出的分级体系结构应用到WiMax的QoS调度架构中，提出了两层的分组调度算法，针对不同类型业务的QoS需求，在良好适应无线特性的同时，实现对不同业务应用的支持。

IEEE802.16d的服务类型

主动授予服务(UGS，UnsolicitedGrantService)

UGS业务用于传输周期性的、包大小固定的实时数据业务，其典型业务是VoIP电话。UGS业务一旦申请成功，在传输过程中就不需要再去申请。BS周期性地强制调度，不接收来自SS的竞争请求机会，同时禁止使用捎带请求，这样避免了带宽请求引入的开销和时延。

实时轮询服务(rtPS，Real-timePollingService)

rtPS主要用于支持周期性的、包大小可变的实时业务，如MPEG视频业务。rtPS提供周期性的单播轮询带宽请求机会，从而使得该连接能够周期地改变带宽请求。BS也不接收来自SS的其他竞争请求机会和捎带请求。这种服务比UGS的请求开销大，但能按需动态分配带宽。

非实时轮询服务(nrtPS，Non-Real-timePollingService)

nrtPS主要用于支持非周期、变长分组的非实时VBR服务流，如高带宽的FTP业务流，它有最小速率要求。BS提供比rtPS轮询间隔更长的周期或不定期的单播请求机会，SS也可以使用竞争和捎带请求的方式来请求带宽。

尽力而为服务(BE，BestEffortService)

BE主要用于支持非实时、无任何速率和时延要求的分组数据业务，其稳定性由高层协议来保证。典型业务是Telnet和Http服务。SS可以随时提出带宽申请，允许使用任何类型的竞争请求机会和捎带请求，但是不允许它们使用任何单播轮询请求机会。

QoS调度架构的设计

本架构的设计见图1。服务请求通过分类器后，按照QoS需求特性，将业务流分组放入不同队列。从队列中取出的请求加以流量监控，保证在对用户流量进行规约的同时，允许保持业务流限定范围内的突发性。通过流量监控后的服务请求先进入下层调度，针对同种排队类型的业务进行调度，包括实时调度、非实时调度和BE调度。上层总调度针对不同种排队类型业务进行总体统筹安排。下面将对这些模块进行深入分析。主要由下面几个部分组成：

图1 调度构架图

调度控制器

四种类型业务的带宽请求方式不同，对时延、抖动和速率等参数的要求也不同。考虑到无线信道特性，采用如下调度控制策略：为UGS业务预留一定带宽BUGS，维持特征表，用于定期给SS分配相应的带宽来发送UGS业务流。对于rtPS业务，通过确定其单播轮询间隔的参数值，可以调整实时业务传输机会的多寡和带宽分配量。对于nrtPS业务，通过确定其单播轮询间隔来调整获取传输机会的周期，保证非实时业务的最小速率。并检查带宽的空余量，决定是否对nrtPS业务的竞争和捎带请求进行授权。按照上述思想，将周期性的、具有恒定速率的UGS业务流、rtPS和nrtPS的轮询流放至实时队列，将nrtPS业务流的带宽请求放至非实时队列，而将没有QoS要求的BE业务流放至BE队列。

流量监控

为了使上游流量适应可用的带宽资源，避免不必要的报文丢弃和拥塞，系统要对分类后的业务流进行流量监控。本模块采用令牌桶算法，策略如下：当报文到来后，只要令牌桶中有令牌，无论数量是否足够，都可以转发报文，同时令牌桶中的令牌量按报文的长度做相应的减少。当令牌数量小于报文长度时，就可以欠债转发，即转发后令牌桶中令牌数目为负，在下次添加令牌的时候，先还清所欠债务，再继续转发报文。这种借贷处理方法在处理突发报文时有优势，