WiMAX 系統(tǒng)中QoS 機(jī)制研究

1、WiMAX系統(tǒng)中QoS機(jī)制研究Study on QoS Mechanisms in WiMAX Systems彭木根,李茗,王文博 摘要：文章分析了WiMAX系統(tǒng)QoS機(jī)制的主要內(nèi)容：業(yè)務(wù)流管理、QoS保證算法，探討了QoS機(jī)制對主動授權(quán)、實(shí)時查詢、非實(shí)時查詢和盡力而為等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持。為了讓不同業(yè)務(wù)的QoS得到保證，文章重點(diǎn)探討了基于信道狀態(tài)的分組調(diào)度算法(CSDPS)、基于業(yè)務(wù)類型排隊(duì)(CBQ)的CSDPS調(diào)度算法和通用處理器共享策略，并給出了相應(yīng)的算法模型。 關(guān)鍵詞：無線城域網(wǎng)；IEEE 802.16協(xié)議；媒體接入控制；服務(wù)質(zhì)量；調(diào)度算法 Abstract:The QoS associa

2、ted with a WiMAX system mainly refers to: service flow management and QoS guarantee algorithm, which are analyzed first. And then the support of QoS for Unsolicited Grant Service (UGS), Real-Time Polling Service (rtPS), Non-Real-Time Polling Service (nrtPS), Best Effort (BE) and other data services

3、are discussed. In order to guarantee the QoS for multimedia services, the paper puts emphasis on the discussion of Channel State Dependent Packet Scheduling (CSDPS) algorithm, Class Based Queuing (CBQ)+ CSDPS algorithm and General Processor Sharing (GPS) algorithm, with relevant algorithm models. Ke

4、y words:wireless MAN; IEEE 802.16 protocol; MAC; QoS; scheduling algorithm IEEE 2004年10月正式發(fā)布了IEEE 802.16-20041，它是相對比較成熟并且最具實(shí)用性的一個標(biāo)準(zhǔn)版本。IEEE 802.16-2004版本是一個相對成熟的標(biāo)準(zhǔn)，如果不考慮移動性，目前WiMAX系統(tǒng)的研究主要基于IEEE 802.16-2004進(jìn)行。 隨著WiMAX應(yīng)用的逐步形成，越來越多的關(guān)鍵問題需要解決，例如MAC層的同步問題、碰撞解決算法、分組調(diào)度機(jī)制等成為目前研究的重點(diǎn)。由于WiMAX能夠支持多種多媒體業(yè)務(wù)，采用面向連接機(jī)制

5、，其端到端的QoS機(jī)制顯得尤為重要，基于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)流管理成為WiMAX的最關(guān)鍵問題之一。為了提高系統(tǒng)頻譜效率，滿足用戶間的公平性，同時很好地支持不同業(yè)務(wù)的QoS保證，需要研究和實(shí)現(xiàn)QoS解決機(jī)制的核心：MAC層的資源管理和調(diào)度算法。1 WiMAX體系結(jié)構(gòu) IEEE 802.16系列標(biāo)準(zhǔn)專門定義了WiMAX的無線空中接口，其空中接口由物理層(PHY)和媒體接入控制(MAC)層組成，如圖1所示。1.1 媒體接入控制層 IEEE802.16的MAC層功能獨(dú)立于具體的物理層規(guī)范，由上到下依次分為3個子層： (1)特定業(yè)務(wù)會聚子層 特定業(yè)務(wù)會聚子層(SSCS)提供與更高層的接口，通過不同的會聚方式更

6、好地適配各種上層業(yè)務(wù)與協(xié)議。 (2)MAC公共子層 MAC公共部分子層(CPS)負(fù)責(zé)執(zhí)行MAC層核心功能，包括系統(tǒng)接入、帶寬分配、連接建立、連接維護(hù)等。 (3)私密子層 私密子層(PS)提供加密、鑒權(quán)、密鑰交換等與安全有關(guān)的功能。由于WiMAX的定位是基于無線模式進(jìn)行“最后一公里”的連接，因此其MAC層的主要功能就是高效地對無線鏈路進(jìn)行管理。IEEE 802.16的MAC層支持兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞剑狐c(diǎn)對多點(diǎn)(PMP)和網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)。IEEE 802.16 MAC協(xié)議是面向連接的，當(dāng)用戶站(SS)被激活進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，會與基站(BS)建立一個或多個用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B接。MAC層對無線資源的使用進(jìn)行調(diào)度

7、并根據(jù)業(yè)務(wù)不同提供QoS保證，通過采用鏈路自適應(yīng)技術(shù)和自適應(yīng)重傳(ARQ)技術(shù)以提供比較高的頻譜效率。 IEEE 802.16 MAC規(guī)定了上行信道接入采用按需多址(DAMA)與時分多址(TDMA)或正交頻分多址(OFDMA)相結(jié)合的方式。由BS對上行鏈路資源進(jìn)行管理，SS在上行信道上進(jìn)行資源請求，BS搜集請求信息并根據(jù)SS的鏈路質(zhì)量和服務(wù)協(xié)定對SS的申請進(jìn)行資源分配。無線資源可能給予特定用戶進(jìn)行接入，也可能給予一組用戶競爭接入。BS將一幀內(nèi)的資源分配信息寫入上行鏈路映射(UL-MAP)，UL-MAP消息在下行信道中廣播給SS。一個UL-MAP消息可能安排一些無線資源用于SS單獨(dú)傳送數(shù)據(jù)，另一

8、些無線資源則給所有或部分SS競爭使用。由于采用競爭傳輸方式會產(chǎn)生沖突，IEEE 802.16建議使用截短的二進(jìn)制指數(shù)退避算法進(jìn)行沖突避免。1.2 物理層 IEEE 802.16共定義了4種物理層規(guī)范，分別為無線城域網(wǎng)-單載波(WMAN-SC)、無線城域網(wǎng)-增強(qiáng)單載波(WMAN-SCa)、無線城域網(wǎng)-正交頻分復(fù)用(WMAN-OFDM)和無線城域網(wǎng)-正交頻分多址(WMAN-OFDMA)，其中WMAN-SC模式工作在1066 GHz頻段，而其他模式工作在211 GHz頻段。各種模式的物理層均支持時分雙工(TDD)、頻分復(fù)用(FDD)以及半頻分復(fù)用(Half-FDD)3種方式。除了WMAN-OFDMA

9、模式上下行鏈路采用了OFDMA接入方式外，其余3種模式下行鏈路采用時分復(fù)用(TDM)廣播方式，上行鏈路采用DAMA與TDMA結(jié)合的多址方式。在WMAN-OFDM中上行鏈路也可采用OFDMA資源分配方式。在各種物理層模式中分配資源單元的含義有所不同，例如在WMAN-SC和WMAN-SCa模式中，分配資源單元主要指時間段，而在WMAN-OFDM和WMAN-OFDMA中分配資源單元還包含子信道。如果采用了自適應(yīng)天線系統(tǒng)(AAS)，資源單元還包含空間資源。 圖2所示為采用WMAN-OFDM模式的TDD系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)示意圖。幀分為上、下行子幀。下行子幀由導(dǎo)頻、幀控制頭部(FCH)和一些數(shù)據(jù)突發(fā)組成。FCH規(guī)

10、定了緊跟其后的一個或多個突發(fā)的屬性和長度。下行鏈路映射(DL_MAP)、UL_MAP、下行鏈路信道描述(DCD)、上行鏈路信道描述(UCD)以及其他描述幀內(nèi)容的廣播消息都在第一個突發(fā)的開頭發(fā)送，剩余的下行鏈路子幀由各個SS的數(shù)據(jù)突發(fā)構(gòu)成。DL_MAP和UL_MAP規(guī)定了上下行子幀中的詳細(xì)控制信息。2 WiMAX的QoS機(jī)制 為了能支持多媒體業(yè)務(wù)，結(jié)合使用單播、組播和廣播3種查詢方式以支持不同的QoS，IEEE 802.16-2004定義了4種調(diào)度業(yè)務(wù)類型，并對每種業(yè)務(wù)類型的帶寬請求方式進(jìn)行了規(guī)定： (1)主動授權(quán)業(yè)務(wù) 主動授權(quán)業(yè)務(wù)(UGS)用于傳輸固定速率實(shí)時數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，例如T1/E1以及沒有靜

11、默壓縮的VoIP等。BS周期地以強(qiáng)制方式進(jìn)行調(diào)度，不接受來自SS的請求，同時禁止使用捎帶請求。BS基于業(yè)務(wù)流的最大連續(xù)業(yè)務(wù)速率(MSTR)周期性地提供固定長度的授權(quán)，這樣避免了帶寬請求引入的開銷和時延以滿足實(shí)時業(yè)務(wù)的時延和時延抖動要求。SS可以通過幀中的聯(lián)帶 (PM，即Poll-Me)比特的設(shè)置為同一SS下的其他非UGS業(yè)務(wù)流請求單播機(jī)會。如果需要改變某個授權(quán)周期內(nèi)的授權(quán)數(shù)目，SS必須啟動動態(tài)業(yè)務(wù)改變(DSC)過程。 (2)實(shí)時查詢業(yè)務(wù) 實(shí)時查詢業(yè)務(wù)(rtPS)用于支持可變速率實(shí)時業(yè)務(wù)，是為滿足動態(tài)變化的業(yè)務(wù)需求而設(shè)計，例如MPEG視頻業(yè)務(wù)。BS為rtPS提供周期性的單播查詢請求機(jī)會，并禁止使

12、用其他競爭請求機(jī)會和捎帶請求。由于SS提出請求，協(xié)議的開銷和時延會增加。 (3)非實(shí)時查詢業(yè)務(wù) 非實(shí)時查詢業(yè)務(wù)(nrtPS)支持非周期變長分組的非實(shí)時數(shù)據(jù)流，例如，有保證最小速率要求的因特網(wǎng)接入。BS提供比rtPS更長的周期或不定期的單播請求機(jī)會。可以使用競爭請求(多播或廣播)機(jī)會，甚至被主動授權(quán)。nrtPS可以被設(shè)置成不同優(yōu)先級。 (4)盡力而為業(yè)務(wù) 盡力而為業(yè)務(wù)(BE)支持非實(shí)時無任何速率和時延抖動要求的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如E-mail和短信等，不要求提供吞吐量和時延保證。BE允許使用任何類型的請求機(jī)會和捎帶請求。 與這4種調(diào)度服務(wù)相關(guān)的QoS參數(shù)包括：最大連續(xù)速率(MSR)、最小保證速率(M

13、RR)、最大時延、最大時延抖動以及業(yè)務(wù)優(yōu)先級等，如表1所示。 WiMAX系統(tǒng)的QoS機(jī)制包含兩部分的內(nèi)容，一部分是關(guān)于業(yè)務(wù)流的管理，它提供了一種實(shí)現(xiàn)上、下行QoS管理的機(jī)制，它是MAC層的核心功能，包括QoS參數(shù)集、業(yè)務(wù)流定義、分類符和動態(tài)業(yè)務(wù)管理等，在IEEE 802.16中進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定；另一部分是相應(yīng)的QoS保證機(jī)制，包括調(diào)度算法、緩沖池管理和流量控制等，在協(xié)議中對這些算法并沒有進(jìn)行定義和闡述。2.1 WiMAX系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)流管理 在WiMAX中，QoS的核心原理是通過把MAC層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包與一個由連接標(biāo)識符(CID)標(biāo)識的業(yè)務(wù)流關(guān)聯(lián)起來，數(shù)據(jù)包的業(yè)務(wù)類型和相應(yīng)參數(shù)都包含在CID中，使得

14、每個數(shù)據(jù)包在進(jìn)行調(diào)度前具有相應(yīng)的QoS要求。IEEE 802.16 MAC協(xié)議對QoS的支持分為3部分：首先創(chuàng)建最初的業(yè)務(wù)流并對業(yè)務(wù)流的QoS參數(shù)進(jìn)行配置；然后對業(yè)務(wù)流進(jìn)行動態(tài)管理，包括動態(tài)業(yè)務(wù)增加(DSA)、動態(tài)業(yè)務(wù)改變(DSC)和動態(tài)業(yè)務(wù)刪除(DSD)；最后在通信過程中對MAC 的分組數(shù)據(jù)單元(PDU)進(jìn)行分類并依據(jù)業(yè)務(wù)流的類別區(qū)分優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度。2.1.1 QoS參數(shù)集QoS參數(shù)集是一組描述業(yè)務(wù)流的QoS參數(shù)(包括時延、時延抖動、最小保證速率等)的集合。一條業(yè)務(wù)流由3個參數(shù)集組成：指派QoS參數(shù)集、已接納QoS參數(shù)集和激活QoS參數(shù)集。指派QoS參數(shù)集是對業(yè)務(wù)流進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)配置時指派的

15、QoS參數(shù)集。系統(tǒng)可以在配置業(yè)務(wù)流期間或創(chuàng)建業(yè)務(wù)流期間對其資源要求能否被滿足進(jìn)行審查。已接納QoS參數(shù)集是BS認(rèn)為能夠滿足其資源要求的QoS參數(shù)集，BS必須為接納了的業(yè)務(wù)流按其已接納QoS參數(shù)集要求預(yù)留資源。對于激活QoS參數(shù)集來說，BS為處于激活狀態(tài)的業(yè)務(wù)流提供其實(shí)際需要同時又不大于接納QoS參數(shù)集的資源要求。 同一條業(yè)務(wù)流的3個QoS參數(shù)集滿足如下關(guān)系：激活QoS參數(shù)集為已接納參數(shù)集子集，已接納QoS參數(shù)集為指派參數(shù)集的子集。 業(yè)務(wù)流主要可以分為3類：已指派、已接納以及激活。對于已指派業(yè)務(wù)流來說，已接納QoS參數(shù)集和激活QoS參數(shù)集均為“空”；對于已接納業(yè)務(wù)流來說，BS按照已接納QoS參數(shù)

16、集的內(nèi)容預(yù)留資源，但并未實(shí)際占用，激活QoS參數(shù)集為“空”；對于激活業(yè)務(wù)流，實(shí)際占用BS按照已接納QoS參數(shù)集安排資源，接納QoS參數(shù)集和激活QoS參數(shù)集均“非空”。2.1.2 業(yè)務(wù)流標(biāo)識、連接標(biāo)識和業(yè)務(wù)類 業(yè)務(wù)流標(biāo)識(SFID)用于標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)創(chuàng)建的不同業(yè)務(wù)流，一個業(yè)務(wù)流至少有一個SFID。在注冊過程中，BS為注冊請求的每條業(yè)務(wù)流分配一個SFID；另外在DSA過程中，BS為動態(tài)增加的每條業(yè)務(wù)流分配一個SFID。分配了SFID的業(yè)務(wù)流可能并未被立即接納或激活，而僅僅處于已指派狀態(tài)。業(yè)務(wù)流動態(tài)管理使用SFID來唯一標(biāo)識業(yè)務(wù)流。 CID用于標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)被接納的業(yè)務(wù)流，在注冊和動態(tài)業(yè)務(wù)增加過程中

17、，BS為被接納的業(yè)務(wù)流分配CID。在將已接納QoS參數(shù)集由“空”成功改變?yōu)椤胺强铡眲討B(tài)業(yè)務(wù)流過程中，BS也要為相應(yīng)的業(yè)務(wù)流分配CID。CID主要用于分配UL-MAP，如果執(zhí)行DSC過程后，某業(yè)務(wù)流已接納QoS參數(shù)集為“非空”，則它的CID將被釋放，但SFID仍保留。 業(yè)務(wù)類在IEEE 802.16中為一種在BS端的可選機(jī)制，通過將多個常用的QoS參數(shù)集分別映射為多個ASCII碼，消息發(fā)送方只需說明業(yè)務(wù)類名字，接收消息的BS就可以按一定規(guī)則將該名字?jǐn)U展為一組QoS參數(shù)。業(yè)務(wù)類使得配置業(yè)務(wù)流任務(wù)由指派服務(wù)器轉(zhuǎn)移到BS上完成，使同類服務(wù)實(shí)現(xiàn)更為靈活。運(yùn)營商通過一個業(yè)務(wù)類名字對一個SS進(jìn)行指派，而該名

18、字的實(shí)現(xiàn)在BS上進(jìn)行配置，BS可以將該名字依據(jù)局部環(huán)境映射為不同的具體實(shí)現(xiàn)。業(yè)務(wù)流可通過3種方式得到其QoS參數(shù)集：顯式指明所有QoS參數(shù)集、指明業(yè)務(wù)類名字、指明業(yè)務(wù)類名字及需要改變的參數(shù)。2.1.3 分類符 分類符是對進(jìn)入系統(tǒng)的每一數(shù)據(jù)單元(分組或ATM信元)進(jìn)行分類的匹配標(biāo)準(zhǔn)。ATM信元匹配標(biāo)準(zhǔn)為虛路徑識別器(VPI)和虛信道識別器(VCI)，分組匹配標(biāo)準(zhǔn)為IP地址。分類符和CID相關(guān)聯(lián)，如果ATM信元或分組與某分類符匹配，則該ATM信元或分組將遞交給與此分類符相關(guān)聯(lián)CID所定義的連接，該連接的業(yè)務(wù)流特性將為該數(shù)據(jù)單元提供相應(yīng)的QoS。多個分類符可以與同一個CID關(guān)聯(lián)，但一個分類符只能關(guān)聯(lián)

19、一個CID。分類符存在優(yōu)先級，進(jìn)入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)單元首先與優(yōu)先級最高的分類符進(jìn)行匹配，如果不匹配再與次優(yōu)先級的分類符進(jìn)行匹配。如果數(shù)據(jù)單元與所有分類符都不匹配，則將丟棄該分組。 分類符可以通過管理操作(配置文件、注冊)增加，也可以通過動態(tài)業(yè)務(wù)操作(如DSA、DSC、DSD)來增加、改變或刪除。2.1.4 動態(tài)業(yè)務(wù)流管理 業(yè)務(wù)流是一個提供特定QoS的單向數(shù)據(jù)流，SS和BS依據(jù)為業(yè)務(wù)流定義好的QoS參數(shù)提供相應(yīng)的QoS服務(wù)屬性，這些屬性包括SS如何請求上行帶寬以及BS上行調(diào)度器進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)度執(zhí)行。一條業(yè)務(wù)流至少有一個SFID，3個QoS參數(shù)集以及一個鑒權(quán)模塊，當(dāng)業(yè)務(wù)流激活或接入系統(tǒng)時還將分配一個CID

20、。業(yè)務(wù)流的建立和業(yè)務(wù)流QoS參數(shù)集的改變都必須通過鑒權(quán)模塊。鑒權(quán)模塊分為預(yù)指派和動態(tài)兩種模型，如圖3所示。多媒體業(yè)務(wù)QoS的區(qū)分機(jī)制詳細(xì)闡述了上下行鏈路SS和BS的處理流程，包括不同業(yè)務(wù)的CID分配、調(diào)度和接入等功能，調(diào)度在QoS保證中占有核心地位2。 業(yè)務(wù)流可以通過MAC動態(tài)業(yè)務(wù)創(chuàng)建、改變或刪除。動態(tài)是指這些操作在SS與BS的通信過程中進(jìn)行，而不是在通信前建立。動態(tài)業(yè)務(wù)流創(chuàng)建可由BS或者SS發(fā)起。由BS發(fā)起的動態(tài)業(yè)務(wù)創(chuàng)建請求(DSA-REQ)消息將包含一個上行鏈路或下行鏈路業(yè)務(wù)流的SFID，還包含與其關(guān)聯(lián)的CID以及一組已接納或激活的QoS參數(shù)。由SS發(fā)起的DSA-REQ消息將包含業(yè)務(wù)流參考

21、(SFR)和QoS參數(shù)集，SFR用于將分類符與業(yè)務(wù)流聯(lián)系起來。 動態(tài)業(yè)務(wù)流改變由BS或SS發(fā)起，在動態(tài)業(yè)務(wù)改變請求DSC-REQ消息中必須使用SFID指定要改變的業(yè)務(wù)流。DSC過程既可以改變指定業(yè)務(wù)流的QoS參數(shù)，也可以增加、刪除或替換該業(yè)務(wù)流的分類符。當(dāng)DSC過程使激活QoS參數(shù)集由“空”變?yōu)椤胺强铡被蛘哂伞胺强铡弊優(yōu)椤翱铡睍r，可實(shí)現(xiàn)其激活或去激活業(yè)務(wù)流功能。 所有的業(yè)務(wù)流都可以由BS或SS發(fā)起的DSD過程刪除，某業(yè)務(wù)流一旦被刪除，與其相關(guān)的所有資源都釋放。如果某SS的基本業(yè)務(wù)流已經(jīng)刪除，該SS必須重新注冊鑒權(quán)。通常情況下，DSD-REQ用SFID來指定要刪除的業(yè)務(wù)流。當(dāng)SS發(fā)起的DSA過程

22、出錯而發(fā)起DSD-REQ時，由于BS還沒有為該業(yè)務(wù)流分配SFID，DSD-REQ消息使用SFR來指定要刪除的業(yè)務(wù)流。2.2 WiMAX系統(tǒng)QoS保證機(jī)制 如前所述，目前的網(wǎng)絡(luò)中有多種應(yīng)用，包括話音、視頻以及數(shù)據(jù)，有的有實(shí)時性要求，有的有互操作性要求。不同的業(yè)務(wù)采用不同的請求輪詢機(jī)制，對它們進(jìn)行區(qū)分服務(wù)對于保證不同業(yè)務(wù)的QoS來說是非常關(guān)鍵的。圖4中給出了不同業(yè)務(wù)流相對應(yīng)的業(yè)務(wù)分類、排隊(duì)和調(diào)度機(jī)制，根據(jù)對實(shí)時性和傳輸業(yè)務(wù)速率的要求不同把所有業(yè)務(wù)分成三種業(yè)務(wù)類型進(jìn)行排隊(duì)，然后不同的對列采用不用的調(diào)度算法，從而滿足不同業(yè)務(wù)的QoS要求。 不同業(yè)務(wù)的QoS保證可以分為兩大類：帶寬管理機(jī)制和業(yè)務(wù)流處理機(jī)

23、制。帶寬管理機(jī)制具體包括：接入控制和資源預(yù)留。業(yè)務(wù)流處理機(jī)制具體包括：業(yè)務(wù)流分類、分組調(diào)度、緩沖池管理、業(yè)務(wù)流監(jiān)控和信道接入等。 當(dāng)一個新業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)時，BS必須能夠監(jiān)測該業(yè)務(wù)接入是否會對已有通信業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致系統(tǒng)無法穩(wěn)定工作等，另外，根據(jù)用戶的資源申請進(jìn)行資源分配等，這是帶寬管理機(jī)制的主要功能。為了保證具有更高優(yōu)先權(quán)的業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)，BS需要評估整個小區(qū)下的業(yè)務(wù)量大小，為高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)(如UGS)預(yù)留足夠的資源，這就是帶寬管理機(jī)制中的資源預(yù)留機(jī)制。 業(yè)務(wù)流機(jī)制下的不同算法如圖5所示，由于WiMAX系統(tǒng)同時支持多種業(yè)務(wù)，在圖4中把對時延和傳輸速率要求不同的業(yè)務(wù)整個分為3種排隊(duì)和調(diào)度類型，所以

24、在圖5中會有2層調(diào)度。第1層調(diào)度針對同種排隊(duì)類型的業(yè)務(wù)，第2層調(diào)度針對不同種排隊(duì)類型業(yè)務(wù)。 圖5中的緩沖池管理主要是為了防止緩存器中的數(shù)據(jù)溢出，包括隨機(jī)早期偵測(RED)和加權(quán)隨機(jī)早期偵測(WRED)3算法。而流量控制主要在于保證業(yè)務(wù)的傳輸速率特性，目前有兩種常用算法：漏桶法和令牌桶法。對于屬于IP包類的上層業(yè)務(wù)流可以選用令牌桶法，而對于ATM信元類的上層業(yè)務(wù)流選則采用漏桶法。調(diào)度算法在流處理機(jī)制中處于核心地位，它是QoS能否得到保證的關(guān)鍵。 調(diào)度算法是在分組的級別上給出寬帶分配和復(fù)用機(jī)制，接入控制和擁塞控制策略都取決于所采用的具體調(diào)度規(guī)則。在有線網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)提出了許多能夠提供可靠QoS保證的調(diào)

25、度算法，但是這些調(diào)度規(guī)則不能直接應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗鼈儧]有考慮到變化的無線鏈路的信道特性。 無線通信中有許多有線網(wǎng)絡(luò)中不存在的特殊性質(zhì)：高錯誤率和突發(fā)特性、無線鏈路的位置相關(guān)性和時變性、帶寬資源短缺、用戶具有移動性(如果結(jié)合IEEE 802.16e)、終端功率受限等。 調(diào)度算法的分類有很多，例如按對象不同，調(diào)度算法可分為工作站間調(diào)度和工作站內(nèi)調(diào)度；按調(diào)度具體實(shí)現(xiàn)的方式，可分為分層式調(diào)度和平面調(diào)度等。2.2.1 基于信道狀態(tài)的分組調(diào)度算法 圖6顯示了基于信道狀態(tài)的分組調(diào)度算法(CSDPS)的原理，每一個移動臺的分組數(shù)據(jù)信息都保存在一個獨(dú)立的隊(duì)列中，假如有3個移動臺，則存儲每個移動臺的信息隊(duì)列分

26、別編號為M1、M2和M3。在每一個隊(duì)列里，分組數(shù)據(jù)按照先入先出(FIFO)順序處理。當(dāng)一條無線鏈路傳輸發(fā)生錯誤時，調(diào)度算法推遲這條鏈路上的分組數(shù)據(jù)傳送。鏈路狀態(tài)監(jiān)視器(LSM)監(jiān)視所有移動臺的鏈路狀態(tài)信息。當(dāng)LSM監(jiān)測到某無線鏈路處于異常狀態(tài)時，則標(biāo)記該隊(duì)列，標(biāo)記過的隊(duì)列不再被服務(wù)。在暫停一段時間后取消對隊(duì)列所做的標(biāo)記，該標(biāo)記隊(duì)列重新可以進(jìn)行資源調(diào)度。 CSDPS算法考慮了與位置相關(guān)和時間相關(guān)的無線信道狀態(tài)，改進(jìn)了傳統(tǒng)調(diào)度算法性能。然而，它有一些缺點(diǎn)，即它沒有采用任何機(jī)制來保證每個移動用戶分配的帶寬大小。對處于異常狀態(tài)的用戶來說，其享有的服務(wù)調(diào)度機(jī)會比它應(yīng)享有的公平服務(wù)調(diào)度機(jī)會小很多；此外，該

27、算法對移動用戶接收到的服務(wù)數(shù)量沒有限制，并且對分組時延沒有提供任何限制。2.2.2 基于CBQ的CSDPS調(diào)度算法 為了解決CSDPS的帶寬資源分配不公平問題，提出了一種基于業(yè)務(wù)類型排隊(duì)(CBQ)的CSDPS調(diào)度算法。在該算法中，對用戶或業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類，每類業(yè)務(wù)都指定特定帶寬大小。CSDPS用來處理無線鏈路的變化，CBQ用來在整個無線信道的資源分配上提供公平機(jī)制。 CBQ是一種分級的信道共享機(jī)制，確保業(yè)務(wù)類在預(yù)定義好的時間內(nèi)接收到足夠資源進(jìn)行傳輸。CBQ跟蹤每種業(yè)務(wù)類型在一確定時間間隔窗口中收到的業(yè)務(wù)數(shù)量，并且限制超過應(yīng)分配共享帶寬的用戶或者業(yè)務(wù)在未來分配資源的大小。2.2.3 通用處理器共享

28、策略 通用處理器共享(GPS)算法是一種基于流的鏈路調(diào)度策略，它具有以下兩個優(yōu)點(diǎn)： (1)可以為經(jīng)過流量監(jiān)控后的業(yè)務(wù)流提供端到端的時延保證，這對實(shí)現(xiàn)端到端的QoS保證具有重要意義。 (2)可以保證各業(yè)務(wù)流公平地享用無線帶寬資源，保證業(yè)務(wù)流間的公平性。 GPS是一種理想情況下的調(diào)度策略，它將分組數(shù)據(jù)傳輸看作是連續(xù)的，并且視其為可以無限細(xì)分的流。但在實(shí)際系統(tǒng)中，分組數(shù)據(jù)傳輸是瞬間的，并且數(shù)據(jù)都是作為一個數(shù)據(jù)塊間斷發(fā)送出去。因此GPS只能作為一種理論分析算法，目前已經(jīng)有很多GPS改進(jìn)策略，如加權(quán)公平排隊(duì)(WFQ)、開始時間公平排隊(duì)(SFQ)、無線注水公平排隊(duì)(WF2Q)等算法?？紤]到無線信道特性，人

29、們還提出了理想加權(quán)公平排隊(duì)(IWFQ)、獨(dú)立于信道狀態(tài)的公平排隊(duì)(CIF-Q)算法、基于服務(wù)器的公平算法(SBFA)和改進(jìn)的基于信道狀態(tài)的包調(diào)度(I-CSDPS)算法4，但所有的這些算法并不是為無線城域網(wǎng)提出來的，如何把這些算法和無線IEEE 802.16 MAC層協(xié)議以及無線城域網(wǎng)的業(yè)務(wù)特性結(jié)合起來，提出更加先進(jìn)的無線調(diào)度算法，在提高系統(tǒng)頻譜效率的同時，保證用戶間的公平性，并且滿足多業(yè)務(wù)QoS要求，是未來研究的重點(diǎn)。3 總結(jié) IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)定義了一系列相互協(xié)作的協(xié)議規(guī)范以保證無線接口上的QoS得到保證，包括MAC層的鑒權(quán)機(jī)制、業(yè)務(wù)流建立控制協(xié)議、調(diào)度算法、無線資源管理機(jī)制、和采用自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)來保證1106誤碼率的物理層機(jī)制。由于無線城域網(wǎng)自身多業(yè)務(wù)特性和無線傳輸信道特征的時變特點(diǎn)，WiMAX端到端的QoS實(shí)現(xiàn)需要各層之間相互協(xié)作，所以跨層協(xié)議研究是未來的重點(diǎn)，另外還需要在移動性和安全性方面做更深一步研究。 總之，在當(dāng)前寬帶無線空中接口標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，IEEE 802.16對QoS的定義還是較完備的。它特別定義了關(guān)鍵的調(diào)度業(yè)務(wù)服務(wù)類型，并給