CN101459932A - 基于IEEE802.16d标准的无线Mesh网MAC层带宽请求与分配方法 - Google Patents

基于IEEE802.16d标准的无线Mesh网MAC层带宽请求与分配方法 Download PDF

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CN101459932A CNA2009100765337A CN200910076533A CN101459932A CN 101459932 A CN101459932 A CN 101459932A CN A2009100765337 A CNA2009100765337 A CN A2009100765337A CN 200910076533 A CN200910076533 A CN 200910076533A CN 101459932 A CN101459932 A CN 101459932A
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余婷
申宏刚
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Abstract

本发明为基于IEEE802.16d标准的无线Mesh网MAC层带宽请求与分配方法。本发明在MAC层标准规定的基础上，结合一些队列调度算法，制定Mesh模式下具有QoS保证的带宽请求与分配策略：该策略优先处理实时业务请求并给其预留带宽，保证实时业务的时延；同时根据非实时业务请求队列长度动态的调整预留带宽的大小及步长，提高服务的公平性。同时本发明在一定程度上实现了给不同的应用提供不同水平的QoS保证，并仍然能够达到较高的带宽利用率。

Description

基于IEEE802.16d标准的无线Mesh网MAC层带宽请求与分配方法
技术领域
本发明涉及一种基于IEEE802.16d标准的无线Mesh网MAC层带宽请求与分配方法，属于无线Mesh网通信领域。
背景技术
MAC协议的设计是Mesh网络中的关键技术之一，MAC协议的好坏直接影响到网络吞吐量、时延等性能指标的优劣，但是标准中没有明确规定具体的QoS调度算法，是目前的研究热点。
IEEE802.16标准的MAC层主要通过调度解决相互竞争的多个用户之间信道资源共享，标准虽然详细定义了Mesh模式下的调度机制，但并没有明确规定各种调度机制下数据信道的分配方法。
现阶段也存在基于优先级的分组调度算法的研究，算法通过两个检查点判断网络拥塞状况，并改变非实时业务的调度方式，但由于网络服务的随机性，只是通过固定的检查点判断网络状态并不是十分的合理，另外算法虽然在一定程度上减小了实时业务的时延，但是却增大了非实时业务的丢包率，缺乏公平性。
发明内容
为了给不同的应用提供不同等级的QoS保证，并仍然能够达到较高的带宽利用率，本发明是在MAC层标准规定的基础上，结合一些队列调度算法，提供一种基于IEEE802.16d标准的无线Mesh网MAC层带宽请求与分配方法。该方法能优先处理实时业务请求并给其预留带宽，保证实时业务的时延；同时根据非实时业务请求队列长度动态的调整预留带宽的大小及步长，提高服务的公平性。
本发明的目的可以通过以下措施来达到：
基于IEEE802.16d标准的无线Mesh网MAC层带宽请求与分配方法，包括用分类器及内部调度器进行的队列调度方法和动态带宽预留方法；
所述的队列调度方法包括：
A1.分类器将业务按照类的排队方法的分为实时业务和非实时业务两类；
A2.当实时业务队列和非实时业务队列都为非空时，判断当前处理实时业务数与最大连续处理实时业务数；判断当前的实时业务队列和非实时业务队列；
仅当实时业务队列为非空时，处理实时业务请求；
仅当非实时业务队列为非空时，处理非实时业务请求；
所述的动态带宽预留方法包括：
如果实时业务请求队列长度大于非实时业务请求队列长度，上次调度结束时预留给第一类业务的带宽则增加一调整步长；
如果实时业务请求队列长度小于非实时业务请求队列长度，上次调度结束时预留给第一类业务的带宽则减少一调整步长。
所述的实时业务为恒定比特率业务和可变比特率业务；所述的非实时业务为未定比特率的数据业务。
所述的队列调度方法中设置最大连续处理实时业务数，连续处理一定数目的实时业务，以保证实时业务的优先级；同时对连续处理的实时业务数进行限制，以能处理非实时业务。
所述的调整步长值随着实时业务的增长而加大。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明中的队列调度方法中设置最大连续处理实时业务数，连续处理一定数目的实时业务，保证了实时业务的优先级。同时，连续处理的实时业务数受限，避免了非实时队列饥渴的情况，在一定程度上保证了两类业务的公平性。预留时隙的调整步长应该为自适应动态变化的参数，当实时业务到达速率较快时，预留时隙增加速度也要相应较快才能满足实时业务对时延的要求，因此，调整步长的值也应该增大。反之，当实时业务到达速率较慢时，调整步长的值应该减小。
该本发明通过对实时业务进行预留时隙的分配，保证实时业务的优先级，同时还能对比实时和非实时队列长度自适应的调整预留时隙的大小。在进行微时隙分配时，预留时隙只能用于实时业务数据流的传输，保证了实时业务的优先级，自适应调整预留时隙又在一定程度上保证了两类业务的公平性。
附图说明：
图1是Mesh模式下带宽请求与分配策略；
图2是实时业务在不同策略下的比较；
图3是非实时业务在不同策略下的比较；
图4是队列调度方法流程图；
图5是动态带宽预留方法流程图。
具体实施方式
本发明在上述Mesh模式下MAC层调度算法分析的基础上，分析和研究一种队列调度算法，设计了MAC层具有QoS保证的Mesh模式下的MAC层调度策略。
802.16Mesh模式下的MAC协议的带宽请求分配方法属于分布式方式，基于上面的分析和原则，在设计调度方案时要考虑以下几点：一是如何设计队列；二是队列调度算法的设计；三是出现拥塞时如何具有选择性的丢弃数据包，提供更高优先级业务的QoS保证；四是由于终端受限必须考虑算法的复杂度。
本发明在IEEE802.16MAC层标准规定的基础上，设计一种队列调度算法，并提出一种Mesh模式下的带宽请求策略。该策略通过分类器将业务简单的分为实时和非实时两类，内部调度器根据队列的长度在保证公平性的基础上，对实时业务进行预留带宽的分配，分别完成两个队列的微时隙(Minislot)的分配。该策略可以根据拥塞情况自适应的调整实时业务的预留带宽，提高公平性的同时优化网络的资源利用率，具体过程如图1所示。下面介绍分类器和内部调度器。
1分类器
对于Mesh模式下的QoS，协议并没有明确分类其业务类型。只是定义了CID中Reliability，Priority/Class，Drop Precedence等服务参数。本专利采用基于类的排队方法，将宽带无线Mesh网络中的业务分成两大类：实时业务(Real Time)，包括视频、音频业务，即恒定比特率业务(CBR)和可变比特率业务(VBR)；非实时业务(non—Real Time)，如FTP，HTTP等业务，即一些未定比特率(UBR)的数据业务。通过MSH-DSCH中普通MAC头CID里的Priority/Class字段可以区分两种业务。其中，实时业务对时延比较敏感，非实时业务可以忍受一定的时延，针对两类业务对时延的不同要求，在保证QoS的基础上完成带宽请求和分配。
2内部调度器
QoS性能的量化指标包括带宽、延迟、延迟抖动、丢失率、吞吐量等，从上述分类器的讨论可以看出，本专利的分类器是基于不同业务流对时延要求的不同来进行分类的，所以QoS的指标主要是时延。为保证实时业务流的传输时延，对实时业务进行带宽预留。
所述的队列调度策略具体内容如下：
内部调度器完成队列调度和带宽预留两个功能。其中，队列调度方法流程图如图4所示。
伪代码如下：
IF(两种业务请求队列为非空)THEN
   IF(m<MAX_RT_DEAL)THEN处理实时业务请求；m＝m+1；
   ElSE(m>＝MAX_RT_DEAL)THEN处理非实时业务请求；m＝0；
ELSE IF(仅实时业务请求队列非空)THEN处理实时业务请求；
m＝0；
 ELSE处理非实时业务请求；m＝0；
其中，MAX_RT_DEAL表示最大连续处理实时业务数，m为当前连续处理实时业务数。
即当实时业务队列和非实时业务队列都为非空时，判断当前处理实时业务数与最大连续处理实时业务数；判断当前的实时业务队列和非实时业务队列；
仅当实时业务队列为非空时，处理实时业务请求；
仅当非实时业务队列为非空时，处理非实时业务请求。
动态带宽预留方法具体内容如下：
根据实时业务请求队列占用的长度rtQ-Used和非实时业务请求队列占用的长度nrtQ-Used留实时业务的调整预时隙，调整算法流程图如图5所示。
伪代码如下：
IF(rtQ_Used>＝nrtQ_Used)THEN Pt＝Pt+St；
   IF(Pt>Pt_Max)THEN Pt＝Pt_Max；
   ELSE Pt＝Pt；
ELSE Pt＝Pt-St
   IF(Pt<Pt_Min)THEN Pt＝Pt_Min；
   ELSE Pt＝Pt；
其中：St为调整步长，rtQ_Used为实时业务队列的长度，nrtQ_Used为非实时业务队列长度，Pt为上次调度结束时预留给第一类业务的带宽，Pt_Max可预留的最大带宽。
即如果实时业务请求队列长度大于非实时业务请求队列长度，上次调度结束时预留给实时业务的带宽则增加一调整步长；
如果实时业务请求队列长度小于非实时业务请求队列长度，上次调度结束时预留给实时业务的带宽则减少一调整步长。
队列调度中设置最大连续处理实时业务数，连续处理一定数目的实时业务，保证了实时业务的优先级。同时，连续处理的实时业务数受限，避免了非实时队列饥渴的情况，在一定程度上保证了两类业务的公平性。预留时隙的调整步长应该为自适应动态变化的参数，当实时业务到达速率较快时，预留时隙增加速度也要相应较快才能满足实时业务对时延的要求，因此，调整步长的值也应该增大。反之，当实时业务到达速率较慢时，调整步长的值应该减小。
该方法通过对实时业务进行预留时隙的分配，保证实时业务的优先级，同时还能对比实时和非实时队列长度自适应的调整预留时隙的大小。在进行Minislot分配时，预留时隙只能用于实时业务数据流的传输，保证了实时业务的优先级，自适应调整预留时隙又在一定程度上保证了两类业务的公平性。
本发明已经在VC6.0平台下进行了模拟验证，仿真搭建系统C/S框架，并在框架下加入代码实现信息交互，完成了带宽请求和分配过程。
仿真中假定两个队列的最大长度为10，当队列满时，丢弃新生成的数据包。假定最大能连续处理的实时业务数MAX_RT_DEAL为5，假定初始预留带宽为最小预留时隙30，最大预留时隙为158，每次调整预留步长为4。
比较实时业务和非实时业务在不同到达速率下，采用和不采用时隙预留算法处理的业务请求准许率，结果如图2和图3所示。
实验结果可以看出，采用时隙预留算法后，实时业务和非实时业务的请求处理率有所改善。这是由于预留时隙算法保证连续处理一定数量的实时业务，减小实时业务队列出现阻塞的情况，而连续处理业务最大值的限制又在一定程度上保证了非实时业务的公平性。

Claims (4)

1、基于IEEE802.16d标准的无线Mesh网MAC层带宽请求与分配方法，其特征在于包括：用分类器及内部调度器进行的队列调度方法和动态带宽预留方法；
所述的队列调度方法包括：
A1.分类器将业务按照类的排队方法分为实时业务和非实时业务两类；
A2.当实时业务队列和非实时业务队列都为非空时，判断当前处理实时业务数与最大连续处理实时业务数；判断当前的实时业务队列和非实时业务队列；
仅当实时业务队列为非空时，处理实时业务请求；
仅当非实时业务队列为非空时，处理非实时业务请求；
所述的动态带宽预留方法包括：
如果实时业务请求队列长度大于非实时业务请求队列长度，上次调度结束时预留给第一类业务的带宽则增加一调整步长；
如果实时业务请求队列长度小于非实时业务请求队列长度，上次调度结束时预留给第一类业务的带宽则减少一调整步长。
2、根据权利要求1所述的基于IEEE802.16d标准的无线Mesh网MAC层带宽请求与分配方法，其特征在于：所述的实时业务为恒定比特率数据业务和可变比特率数据业务；所述的非实时业务为未定比特率的数据业务。
3、根据权利要求1所述的基于IEEE802.16d标准的无线Mesh网MAC层带宽请求与分配方法，其特征在于：所述的队列调度方法中设置最大连续处理实时业务数，连续处理一定数目的实时业务，以保证实时业务的优先级；同时对连续处理的实时业务数进行限制，以能处理非实时业务。
4、根据权利要求1所述的基于IEEE802.16d标准的无线Mesh网MAC层带宽请求与分配方法，其特征在于：所述的调整步长值随着实时业务的增长而加大。
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