一种适应信道的WiMax分级调度架构

求比例外带宽时，优先授权予实时业务，非实时业务次之，BE业务最低优先级。当三类业务流间的带宽需求结构发生变化时，要适当调整带宽的分配比例。考虑到对带宽的充分利用，当由于无线信道误码或其他原因造成某一正在传递数据的连接暂时中断，系统会将连接所占带宽临时分配给别的连接，为了实现公平性，在暂时中断服务的连接恢复正常后，系统应对中断连接作出带宽补偿。UGS等业务流实时性很强，若连接恢复后再对连接作出带宽补偿没有多大意义。对于BE业务，调度不保证其服务质量，因此BE业务也无补偿。而nrtPS流业务量繁重，一旦中断连接必然导致大量数据滞留，必须考虑连接恢复后的带宽补偿问题。

总调度器算法模型伪代码描述如下：

检查进入调度的数据流的类型，确定此类型的比例带宽(Brt或Bnrt或BBE)是否有剩余：若有，则进入相应的子调度器，并更新剩余的比例带宽;若无，则进入brust业务处理方法。

brust业务：若Bbrust+Bremain>0，则按照rtPS>nrtPS>BE的优先顺序处理数据流，并更新Bbrust、Bremain。对未取得Bbrust的业务标识为NeedCompensate。

业务补偿：若Bremain>0，则对标识为NeedCompensate的业务分配Bremain的带宽，进入相应子调度，并更新Bremain。

BUGS：UGS业务保留带宽

Brt、Bnrt、BBE：实时业务、非实时业务和BE业务的比例带宽

Bremain：剩余带宽

仿真结果

由UCBerkeley开发的免费、开源的多协议网络仿真软件NS-2是一个事件驱动的模拟器，它可以屏蔽对操作系统的实际访问，近乎真实地模拟网络环境。由于NS-2本身中不包含WiMax模块，这里采用对QoS支持较为完善的长庚大学开发的WiMax2.03模块。本文对调度架构中所涉及的调度算法用C++进行描述，然后采用Otcl脚本语言建立WiMax模拟场景，并获取的仿真数据结果。针对无线信道特性导致的高误码率，本文模拟1个BS(BaseStation)和4个SS(subscriber station)组成的WiMax网络，仿真场景如图 2所示。误码率设为1%，最大误码时长16个时间间隔。通过对仿真数据的分析和对比，可以得到算法的吞吐量、延时和速率等性能参数。本架构算法与通常调度算法的对比见图 3、图 4(取样时间为0.1秒)。

图2 仿真场景图

图3是UGS、rtPS等实时业务在采用CIFQ算法和FIFO算法时的延时对比。可以看出，在业务拥挤，出现信道错误时，FIFO算法会产生峰值毛刺，出现长延时现象。相比之下，虽然CIFQ算法的总延时增加2%，但延时波动较为平稳，且无长延时现象，这证明CIF-Q算法能够在有效应对信道错误的同时，满足了实时业务的延时和抖动需求。

图3 实时业务延时对比图

表1 主要性能参数对比表

图4是非实时业务在采用CBQ-CSDPS算法和FIFO算法时的吞吐量对比。明显可以看出，在信道现在错误时，FIFO算法会导致吞吐量急剧下降。而CBQ-CSDPS算法能够很好应对信道错误，持续高吞吐量作业，总的吞吐量比FIFO算法多出近15%。这证明CBQ-CSDPS算法更有利于非实时业务高效率地使用带宽。

图4 非实时业务吞吐量对比图

在仿真无线特性的高误码的场景下，本架构的延时、吞吐量和丢包等方面的表现见表1。采用本架构后，实时业务的延时/抖动有明显改善的同时，吞吐量有了一定的提升，丢包率减少了约30%;对于非实时业务在采用本架构后吞吐量提升十分显著，丢包率也减少了约30%，但代价是延时增加了近15%。表面上看，本架构似乎有得有失，但内在却有了质的变化：本架构以总延时的少量增加换得对延时抖动的限制、丢包率和吞吐量的提升，从而满足实时业务的延时和抖动需求;非实时业务以其非注重的总延时兑得吞吐量的极大提升，满足了非实时业务的高速率畅行。这说明本调度架构的算法在高误码率的状况下，能够较好地满足各类型业务需求。

结语

本文结合CIF-Q和CBQ-CSDPS等调度算法，提出一种适合于WiMax的MAC层QoS调度架构。该架构结合分级分组调度算法，充分利用带宽控制、资源预留和流量监控等策略和机制。通过NS仿真对算法进行仿真，得出如下结论：①能够适应时间、位置相关的等无线信道特性的高误码率;②为不同类型业务采用相应算法，满足UGS和rtPS业务的实时性，保证了nrtPS业务的最小速率，兼顾了BE业务的需求;③系统整体具有较高吞吐量、公平性和较小时延。但在无线功耗、分布式无线网络的位置相邻等问题，还需要进一步探讨。

参考文献：

1.IEEE802.16-2004.Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems[S]. Apr, 2004. http://www.ieee802.org/16/tg1/docs/802161-99_00.pdf.

2.T.S.EugeneNg