CN102075440A - 一种服务质量敏感的802.11e多媒体数据分组调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种服务质量敏感的802.11e多媒体数据分组调度方法，针对802.11e中EDCA机制对多媒体数据调度的不公平问题，结合QoS延时敏感性，实时计算多个媒体业务流中数据分组的紧急度，根据紧急度，调整业务流所对应AC队列的参数，改变AC队列优先级，使紧急业务流有更多机会竞争到信道访问权，从而保证紧急业务流相对于高优先级业务流竞争信道的公平性。实验结果证明，紧急业务流分组调度方案中，紧急业务流的带宽需求得到了保证。

Description

一种服务质量敏感的802.11e多媒体数据分组调度方法

技术领域

本发明是涉及计算技术领域，特别是涉及多媒体业务的传输应用，具体为一种服务质量敏感的802.11e多媒体数据分组调度方法。

背景技术

随着多媒体技术的广泛应用和无线通信技术的大力发展，多媒体业务在无线网络中的应用越来越受到人们的关注。无线网络的数据分组调度方法通过决定数据分组传输的顺序或时序，用以保证网络传输公平性和提高网络吞吐量，已经成为提高无线网络中传输效率的有效方法。

然而，迄今为止，针对802.11协议的数据调度方法较少，数据分组传输公平性难以得到保证，迫切需要设计有效的直接针对802.11协议的数据分组调度方法和具体实现机制。

现有IEEE 802.11协议中，如802.11b，采取的是分布式协调功能机制(Distributed Coordination Function，DCF)，无线信道的使用权通过各个节点竞争来决定，采用CSMA/CA策略，在传输数据前进行信道检测，若信道处于空闲状态，节点需要等待一段额外的时间——分布式帧间间隔(DistributedInter-Frame Space，DIFS)。过了DIFS之后，若信道仍然空闲，则可开始传输数据。在802.11b中只有一个队列，所有数据业务属于先来先服务的类型，没有区别对待业务类型，这样不能保证服务质量(Quality of Service，QoS)要求高的数据业务的服务(如延迟要求高的实时业务不一定能够得到优先服务)。

为了对音频、视频等多媒体业务进行区分服务，IEEE成立了802.11e工作组，提出了802.11e协议。该协议为各种多媒体业务提供了不同的QoS支持。如音频、视频、FTP等按照服务质量需求分别拥有不同的优先级。

增强分布式信道接入(EDCA)机制是IEEE 802.11e协议中采用的基于竞争的信道访问机制。802.11e定义了8个用户优先级(User Priority，UP)，8类数据业务流分别映射到4个AC队列中，分别是：音频流(AC-VO，Voice)、视频流(AC-VI，Video)、尽力服务流(AC-BE，Best Effort)和背景流(AC-BK，Background)。二者对应关系如表1所示。EDCA机制中，为了让用户优先级较高的AC队列有更多机会竞争到信道的访问权，每个AC队列都有其对应的参数：仲裁帧间间隔(AIFS，Arbitration Inter-Frame Space)、最小竞争窗口值CW_min、最大竞争窗口值CW_max、传输机会(TXOPlimit)，EDCA基本访问机制如图1所示。

从图1中可以看出，拥有较小的AIFS或者竞争窗口值(Contentionwindow，CW)的AC队列将优先获得信道的访问权。每个AC队列在信道的竞争过程中，都拥有各自的AIFS[AC]，CW_min[AC]，CW_max[AC]，当竞争信道发生冲突时，就进入退避(backoff)程序。退避过程是，AC队列退避计时器减到0的队列访问信道，若计时器同时减到0，则优先级别最高的AC队列获得信道访问权，其他AC队列则又进入下一轮退避过程。在这过程中，因为较高传送优先级的AC队列其竞争窗口较小，故随机产生的退避值也较小，则其拥有较大的概率竞争到信道的访问权。表2是802.11e中各AC队列优先级别及参数设置。

表1用户优先级与AC映射表

表2802.11e各AC队列参数设置

各个队列在竞争信道时的优先权有差异，各队列的传送优先级别分别为Voice＞Video＞Best Effort＞Background。图2是802.11e EDCA机制映射方案，音频流进入AC-VO队列，视频流进入AC-VI队列，尽力服务流进入AC-BE队列，背景流进入AC-BK队列。每个AC队列包括4个参数：AIFS(其中：AIFS[AC]＝AIFSN[AC]*时隙+SIFS，SIFS为短帧间隔)、传输机会、最小竞争窗口值CW_min、最大竞争窗口值CW_max。

802.11e中EDCA机制对4类不同数据业务进行了区分服务。但是EDCA机制有其不足之处：优先级别高的AC队列(音频、视频)拥有更多机会竞争到信道访问权，若高优先级AC队列一直占用信道，则低优先级AC队列的业务将得到很少或者得不到服务。低优先级AC队列则会因等待时间过长变得紧急(Urgency)，需要得到优先服务，但因为它的AC队列优先级别低，很难竞争到信道的访问权，因此会出现饿死的状态，从而严重影响无线通信的性能。

因此，802.11e中的EDCA机制虽然保证了音频、视频流的信道访问权，但是低优先级流则可能因为高优先级流一直占用信道，导致低优先级流一直得不到服务而出现长时间的传输等待和饿死的现象，无法保证业务流传输的公平性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对802.11e中增强分布式信道接入(EDCA)机制的不足，即多媒体数据分组调度的不公平问题，提出一种服务质量敏感的802.11e多媒体数据分组调度方法；该方法根据不同多媒体数据业务延时敏感性需求，按照实时媒体业务流的等待时间，计算多种媒体业务流的数据调度的紧急度，然后基于多媒体业务流的紧急度对EDCA各个AC队列参数(AIFS、CW_min和CW_max)进行调整，改变各AC队列优先级别，增加紧急业务AC队列竞争到信道访问权的概率，使紧急业务流拥有更多机会访问信道，保证不同业务流之间的传输公平性。

本发明所述服务质量敏感的802.11e多媒体数据分组调度方法不仅可以适应于802.11e的无线网络，还可适用于其它服务质量敏感的数据包调度的应用场合，根据实时的服务质量需求动态调度不同媒体业务数据包，具有十分广泛的应用前景。

本发明的解决方案是，所述服务质量敏感的802.11e多媒体数据分组调度方法包括以下步骤：

步骤1：根据多媒体数据的服务质量需求和实际队列的排队情况，计算各个AC队列对头的紧急度值

i表示第i个业务流队列，k表示第i个业务流队列的第k个数据分组，k＝1，表示队列的首个数据分组；业务流队列的紧急度为队首紧急度

步骤2：对于

(U_threshold为一指定的阈值)的紧急业务流，则在EDCA机制中调整其AC队列参数AIFS[AC]，将AIFSN[AC]值调整为1，待紧急业务流服务完后，参数复原；若

的非紧急分组，其对应AC队列参数不作调整；

注：U_threshold根据实际需求设定值，例如U_threshold设为0.01，则表示第i个业务流的第k个数据分组为紧急分组，否则为非紧急分组；

步骤3：比较所有紧急业务流的紧急度U_i，若紧急业务流有1，2，...，i，紧急度分别为U₁，U₂，...，U_i，所有紧急业务的紧急度和为：U＝U₁+U₂+...+U_i，每条紧急业务流所占紧急比重为：U₁/U，U₂/U，U_i/U，调整各紧急业务对应AC队列的最小竞争窗口值CW_min、最大竞争窗口值CW_max参数，AC队列的CW_min和CW_max调整为原来的1/4(U_i/U)；当只有一个紧急业务流时，其AC队列CW_min和CW_max参数都调整为原来的1/4；U_i值越小的，调整幅度越大，当计算CW_min＜1，则置CW_min＝1；

步骤4：调整参数后，各个AC队列得到新的优先级，各新优先级AC竞争信道，传输其业务流。优先级高的AC队列有更多机会竞争到信道访问权；

步骤5：循环执行步骤1至步骤4(即依次执行步骤1至步骤4，多次重复该过程)。

以下对本发明做进一步说明：

本发明方法是根据不同的媒体业务的服务质量需求，实时计算AC队列的调度紧急度，通过根据紧急度调整队列参数，以改变不同数据队列访问信道的概率，来完成数据包的调度。

以下是对本发明中步骤1计算紧急度的进一步说明：

通常来说，多媒体业务按照实时性可以分为实时和非实时业务，实时业务对延时要求比较严格，能够容忍一定的误码和分组丢失，常见的如语音、视频直播等应用；而非实时业务则没有严格的延时要求，但对误码率要求高，如音频、视频下载、FTP和Email等应用。表3列出部分多媒体应用的数据速率、分组丢失和延时要求等服务质量(QoS)要求。

表3中指出，不同业务具有不同的延迟要求。实时音频和视频流延时都要求不超过125ms，而对于非实时音频、视频流则无延时限制，FTP等数据其延时要求则由定时器来决定，多媒体业务可能因为等待表3多媒体业务的服务质量需求

时间过久而变得紧急。为判别各AC队列中业务流是否紧急，提出紧急度(Urgent degree)概念，通过计算业务流中数据分组的紧急度，来估算整个业务流的紧急情况。如下定义：

表示多个AC队列中第i个业务流的第k个数据分组的紧急度，则

$U_i^k=D_i^k-d_i^k-L_k/r_i$

表示第i个业务流的第k个数据分组的QoS延时需求，

表示第i个业务流的第k个数据分组积累延时(已等待时间)，L_k表示第k个数据分组大小，r_i表示业务流i发送速率。其中：

$d_i^k=S\left(t\right)-A_i^k$

S(t)表示当前时间，

表示第i个流的第k个数据分组到达AC队列时间。

由以上可知，本发明为一种服务质量敏感的802.11e多媒体数据分组调度方法，它可根据不同多媒体数据业务延时敏感性需求，按照实时媒体业务流的等待时间，计算多种媒体业务流的数据调度的紧急度，然后基于多媒体业务流的紧急度对EDCA各个AC队列参数(AIFS、CW_min和CW_max)进行调整，改变各AC队列优先级别，增加紧急业务AC队列竞争到信道访问权的概率，使紧急业务流拥有更多机会访问信道，保证不同业务流之间的传输公平性。

附图说明

图1EDCA信道竞争机制；

图2802.11e EDCA映射；

图3VO_1_VI_1_BE_1_BK_1_EDCA；

图4VO_1_VI_1_BE_1_BK_1_QoS_EDCA；

图5VO_5_VI_4_BE_2_BK_1_EDCA；

图6VO_5_VI_4_BE_2_BK_1_QoS_EDCA；

图7VO_6_VI_4_BE_3_BK_1_EDCA；

图8VO_6VI_4_BE_3_BK_1_QoS_EDCA。

注：

图1中AIFS[VO]、AIFS[BE]、AIFS[BK]分别为音频流、尽力服务流和背景流的仲裁帧间间隔；

图2中AIFS、CW_min和CW_max分别为仲裁帧间间隔、最小竞争窗口、最大竞争窗口；

图3-图8中VO、VI、BE、BK分别表示音频流、视频流、尽力服务流和背景流；

图3VO_1_VI_1_BE_1_BK_1_EDCA则表示EDCA方案中1条音频流、1条视频流、一条尽力服务流和一条背景流传输；

图4VO_1_VI_1_BE_1_BK_1_QoS_EDCA则表示服务质量敏感的EDCA方案中1条音频流、1条视频流、一条尽力服务流和一条背景流传输。

具体实施方式

实施例1：一个无线接入点APN₀向四个无线客户节点client(N₁、N₂、N₃、N₄)发送数据分组。每个节点接收一种类型的数据业务流，接入点数据速率为2Mb，基本速率为1Mb。EDCA各AC队列默认参数设置见表2，各业务流基本参数设置及对应的AC队列见表4。实验采用由UC Berkeley开发的NS-2仿真802.11e的EDCA机制和提出的QoS延时敏感的数据分组调度方法。

表4中Packet-size是数据分组大小和IP包头大小，如AC_VO队列中的音频流，数据大小160B，IP包头20B，速率(Rate)依据表3中多媒体数据进行设置，AC_VO队列的音频流速率72Kb由64Kb数据速率和8Kb的IP包头传输速率组成。进行紧急业务流仿真时，假定只有BE流是紧急流，调整AC_BE队列的参数：AIFSN设为1，CW_min、CW_max分别调整为原来的1/4(分别调整为8、256)，其他参数不作调整。

表4各业务流参数设置

图3、图4表示的是AC_VO、AC_VI、AC_BE和AC_BK队列分别有1条业务流，图3是EDCA机制仿真结果，图4是提出的紧急业务流数据分组调度方法(QoS_EDCA)仿真。这样业务总负荷较小，两种方案中，音频(VO)、视频(VI)和尽力服务流(BE)都能满足其带宽要求，分别达到72Kb、195Kb、137.5Kb。在低负载情况下，背景流(BK)可达到较高的传输速率。

图5、图6表示5条音频流、4条视频流、2条尽力服务流和1条背景流下EDCA调度和提出的QoS_EDCA调度仿真结果。图5中音频流(360Kb)和视频流(780Kb)都能达到其带宽要求，而尽力服务流所需的275Kb带宽并未达到，在音频流(30秒)和视频流(35秒)传输结束时，其带宽才略有提高。图6中紧急业务流(BE)则平稳的获得了所需的带宽，达到275Kb的速率，同时降低了优先级别较低视频流和背景流的速率，保证了紧急业务流的服务。

图7、图8表示6条音频流、4条视频流、3条尽力服务流和1条背景流EDCA调度和提出的QoS_EDCA调度仿真结果。图7中音频流(平均带宽432.62Kb)和视频流(平均带宽776.97Kb)基本能够达到所要求的带宽，两者占用了大多的信道访问权。尽力服务流所达到的平均带宽只有90.85Kb，远没有达到所需的412.5Kb带宽。

图8中是紧急业务分组调度算法中，各业务流所获得带宽则完全不同，音频流获得383.04Kb的平均带宽，带宽比起EDCA机制中有近40Kb的减少，视频流获得570.06Kb的平均带宽，减少幅度超过200Kb。视音频流带宽分别在紧急业务流(BE)出现时开始降低，而紧急业务流(BE)则达到其带宽需求。

由仿真结果可知，当优先级别高的AC队列中有大量数据要发送时，低优先级别的数据业务就会得到很少或者几乎得不到服务。紧急业务出现时，为保证紧急业务得到更好的服务，调整其所对用AC队列的参数，从而改变其优先级别，这样紧急业务就能得到更多的机会访问信道。本发明方法可以最终保证不同类型业务流调度的公平性。

Claims (2)

1.一种服务质量敏感的802.11e多媒体数据分组调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据多媒体数据的服务质量需求和实际队列的排队情况，计算各个AC队列对头的紧急度值

i表示第i个业务流队列，k表示第i个业务流队列的第k个数据分组，k＝1，表示队列的首个数据分组；业务流队列的紧急度为队首紧急度

步骤2：对于

的紧急业务流，则在EDCA机制中调整其AC队列参数AIFS[AC]，将AIFSN[AC]值调整为1，待紧急业务流服务完后，参数复原；若

的非紧急分组，其对应AC队列参数不作调整；U_threshold为一指定的阈值；

步骤3：比较所有紧急业务流的紧急度U_i，若紧急业务流有1，2，...，i，紧急度分别为U₁，U₂，...，U_i，所有紧急业务的紧急度和为：U＝U₁+U₂+...+U_i，每条紧急业务流所占紧急比重为：U₁/U，U₂/U，U_i/U，调整各紧急业务对应AC队列的最小竞争窗口值CW_min、最大竞争窗口值CW_max参数，AC队列的CW_min和CW_max调整为原来的1/4(U_i/U)；当只有一个紧急业务流时，其AC队列CW_min和CW_max参数都调整为原来的1/4；U_i值越小的，调整幅度越大，当计算CW_min＜1，则置CW_min＝1；

步骤4：调整参数后，各个AC队列得到新的优先级，各新优先级AC竞争信道，传输其业务流。优先级高的AC队列有更多机会竞争到信道访问权；

步骤5：循环执行步骤1至步骤4。

2.一种服务质量敏感的802.11e多媒体数据分组调度方法，其特征在于，步骤1所述服务质量需求为延迟需求，它的紧急度值计算如下定义：

表示多个AC队列中第i个业务流的第k个数据分组的紧急度，则

$U_i^k=D_i^k-d_i^k-L_k/r_i$

表示第i个业务流的第k个数据分组的QoS延时需求，

表示第i个业务流的第k个数据分组积累延时，L_k表示第k个数据分组大小，r_i表示业务流i发送速率；其中：

$d_i^k=S\left(t\right)-A_i^k$

S(t)表示当前时间，表示第i个流的第k个数据分组到达AC队列时间。

Images