CN111371701A - 基于tdma的mac层队列调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及基于TDMA的MAC层队列调度方法,从节点在每个时隙的起始时刻读取自身的时隙表中本时隙号对应的身份标识，若通过身份标识确定该时隙属于本节点，则根据本节点的时隙类型传输对应缓存队列中的数据，所述对应缓存队列中的数据由输入数据按数据帧类型分别存入该数据帧类型对应的缓存队列；本发明在网络的整体吞吐量与数据调度公平之间达到较优的平衡。

Description

基于TDMA的MAC层队列调度方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于TDMA的MAC层队列调度方法。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展，无线网络依靠其移动性和灵活性等优点得到了广泛的关注与应用研究，所传输业务由传统的单一数据业务逐渐向速率高、实时性强的多媒体业务变化。TDMA时分多址可以满足无线网络灵活组网，多业务传输的要求，并能在网络负载重、节点密度大的场景中保持较高的网络吞吐量，为提升网络的QoS保障能力奠定了基础。
在通信业务由传统的短消息业务向语音视频等多媒体业务转化的趋势下，如何有效的提供无线网络的QoS保障逐渐成为无线网络中的重要关键技术，队列调度在无线网络信息传输控制在起着重要作用，是QoS控制的关键技术，也是改善网络拥塞状况，提高链路利用率和网络吞吐量的核心手段。队列调度算法确定了传输信息分组接受服务的顺序，使其所在的通信传输节点设备能够有策略的控制数据发送的优先级顺序，每条链路的平均时延和带宽满足相关的服务质量要求。
如何充分利用网络吞吐能力，降低语音视频等业务的接入时延是无线网络中的关键问题，因此基于TDMA的MAC队列调度方法一直是研究的热点。
针对无线网络中的队列调度问题，研究者们展开了大量的工作。目前提出的切换方法有：
1.基于优先级的调度算法，根据不同的信息帧分类方法指定不同数据业务的优先级高低，根据优先级的高低顺序进行出队操作，这种方法可以保证高优先级业务的实验性能；
2.基于轮询的队列调度方法，对不同的缓存队列采用循环调度策略，调度机会相等，保证了公平性。
然而，现有的队列调度方法主要存在以下问题：
1.基于优先级的调度方法虽然可以保证高优先级业务的实时性，但是会导致低优先级业务较长时间没有得到调度的“饿死”现象，整体公平性表现不好；
2.基于轮询的调度方法虽然保证了公平性，但是无法满足数据业务减小时延的要求，导致网络性能下降。
发明内容
为改善现有的队列调度方法的通信时延高和调度公平性问题，本发明提出一种基于TDMA的MAC层队列调度方法。
本发明基于TDMA的MAC层队列调度方法，从节点在每个时隙的起始时刻读取自身的时隙表中本时隙号对应的身份标识，若通过身份标识确定该时隙属于本节点，则根据本节点的时隙类型传输对应缓存队列中的数据，所述对应缓存队列中的数据由输入数据按数据帧类型分别存入该数据帧类型对应的缓存队列。
优选地，从节点设有四个数据缓存队列，分别用于存储不同类型的数据帧，视频类队列用于存储视频类数据帧、音频类队列用于存储音频类数据帧、控制类队列用于存储控制类数据帧、一般数据业务类队列用于存储一般数据业务类数据帧。
优选地，如果数据帧属于控制类或一般数据业务类，则先进行帧聚合，再存入相应类型的队列，并更新队列的队列长度信息。
优选地，所述帧聚合包括依次计算待入队的数据帧长度与队列中数据帧长度之和是否小于或等于最优聚合帧长度，如果不存在这样的数据帧，则将待入队的数据帧存入相应类型的队列尾部；如果存在这样的数据帧，则再检测待入队的数据帧的目的地址是否与队列中的数据帧的目的地址相同，如果相同，则在该队列中进行同目的地址聚合。
优选地，所述同目的地址聚合包括将数据帧存入该队列中目的地址相同的数据后面。
优选地，所述最优聚合帧长度的计算包括：
如果误帧率大于等于最大误帧率，则获得最优聚合帧长度：
Figure BDA0002413920590000031
如果误帧率小于最小误帧率，则获得最优聚合帧长度：
Figure BDA0002413920590000032
其中，Lcur表示最优聚合帧长度，FERmax表示最大误帧率，FERmin表示最小误帧率，Pb表示误比特率。
优选地，所述根据本节点的时隙类型传输对应缓存队列中的数据包括，当本节点的时隙为固定时隙时，节点按照队列的优先级从高到低的顺序，判断该缓存队列中是否有数据发送，若有，则发送该缓存队列数据，若没有，则转到下一个缓存队列，判断该缓存队列中是否有数据发送，重复本过程，直到所有缓存队列调度完。
优选地，当本节点的时隙为动态时隙时，节点生成每个缓存队列的调度权值，采用动态加权轮询策略根据缓存队列的调度权值从大到小逐个调度缓存队列。
优选地，所述生成每个缓存队列的调度权值包括：
Figure BDA0002413920590000033
其中，Wi为基于队列长度的队列i的调度权值，i为队列号，WR为初始权值，WD为动态权值；ρi为队列i的权值分配比重；Li为队列i的当前队列长度；
Figure BDA0002413920590000034
为向上取整函数。
优选地，所述采用动态加权轮询策略根据缓存队列的调度权值从大到小逐个调度缓存队列包括：判断当前访问的缓存队列i的调度权值是否为0，如果不为0，则查看缓存队列i中是否有数据需要调度，如果有数据，则将缓存队列i中的数据调度出去，缓存队列i的调度权值减1，并且i执行加1操作，等待下一个动态分配时隙的到来访问下一个缓存队列，如果缓存队列i的权值为0，则直接令i加1访问下一个缓存队列。
本发明的优点及有益效果如下：
在数据入队时，进行数据帧分类与特殊数据帧聚合操作，能够提高时隙的传输能力，提升网络的整体吞吐量。在出队调度时，根据时隙类型采用不同类型的调度策略，提供差异化的QoS保障，能够适应不同类型的数据业务对链路资源的需求，并保证了调度算法的公平性。本发明在网络的整体吞吐量与数据调度公平之间达到较优的平衡。
附图说明
图1是本发明调度方法优选实施例流程示意图；
图2是本发明采用的超帧结构示意图；
图3是本发明数据帧入队流程示意图；
图4是本发明固定时隙出队优选实施例流程示意图；
图5是本发明动态时隙出队优选实施例流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明基于TDMA的MAC层队列调度方法，在TDMA协议的基础上设计了基于区分业务的队列调度，包括：从节点在每个时隙的起始时刻读取自身的时隙表中本时隙号对应的身份标识，若通过身份标识确定该时隙属于本节点，则根据本节点的时隙类型传输对应缓存队列中的数据，所述对应缓存队列中的数据由输入数据按数据帧类型分别存入该数据帧类型对应的缓存队列。
信道资源以超帧为周期进行划分，如图2所示，每个超帧都是由同步、入网和数据传输三个部分组成，同步部分是用于主节点向从节点广播时隙表；入网部分是用于新从节点向主节点申请加入当前网络，以及主节点收集从节点的信息；数据传输部分是由多个时隙组成，每个时隙只允许一个节点传输数据，总时隙个数由具体场景应用来决定。数据传输分为固定时隙和动态时隙两个部分，其中，固定时隙部分是由主节点为每个从节点分配一个固定的时隙；动态时隙部分是主节点根据从节点优先级动态分配的时隙。
从节点的优先级根据不同业务所占的比重来计算，计算公式如下：
Q＝q2×0.5+q3×0.4+q4×0.1
其中，Q为节点优先级，qi为缓存队列i的长度。
典型地，由于缓存队列1中的数据主要是在固定时隙中发送且优先级最高，可以不参加节点优先级计算。
主节点收集统计每个从节点的申请时隙个数和优先级，生成一个时隙请求列表；
如果满足如下关系：
Figure BDA0002413920590000051
其中，m表示从节点数目，Ai表示节点i所需的时隙数目，N表示动态时隙的时隙总数，此时表示动态时隙能够满足所有从节点的时隙需求，可以直接给从节点分配时隙。
但是，如果
Figure BDA0002413920590000052
表示动态时隙数目不足以让所有成员(从节点)都分配到所需的时隙数，此时需要对从节点预约的时隙数目进行约束。
可以为不同优先级的从节点设置相应的权重δ0,δ1,...,δk-1，k表示从节点的优先级个数，δ0表示优先级最高的从节点所占比例的上限，δk-1表示优先级最低的从节点所占比例的下限，则动态预约时隙的约束条件有：
Figure BDA0002413920590000061
其中，Si表示优先级i的从节点所分配的时隙数目，这样可以保证在优先级高的从节点分配较多时隙的情况下，优先级低的从节点也能分配到时隙。主节点通过从节点的优先级进行动态时隙能更好分配网络中时隙资源，减少从节点的数据堆积。
对于数据帧加入缓存队列(即数据帧入队)，本发明采用入队分类管理方式。每个从节点设有四个数据缓存队列，分别用于存储不同类型的数据帧，数据缓存队列包括：视频类队列、音频类队列、控制类队列、一般数据业务类队列。
如图1、图3所示，首先从节点对数据帧进行类型识别，如果是音频类，则存入音频类队列；如果是视频类，则存入视频类队列；如果数据帧属于控制类或一般数据业务类，则先进行帧聚合，再存入相应类型的队列，并更新队列的队列长度信息，即队列长度加1。
优选地，帧聚合的计算方式，包括：
依次计算待入队的数据帧长度与队列中数据帧长度之和是否小于或等于最优聚合帧长度，如果不存在这样的数据帧，则将待入队的数据帧存入相应类型的队列尾部；如果存在这样的数据帧，则再检测待入队的数据帧的目的地址是否与队列中的数据帧的目的地址相同，如果相同，则在该队列中进行同目的地址聚合。
优选地，所述同目的地址聚合包括将数据帧存入该队列中目的地址相同的数据后面，不是存入该队列的尾部。
例如，当前队列的数据结构为c1b2b1a2a1，其中a1、a2为目的地址都为A的先后已存入某队列的数据帧，b1、b2为目的地址都为B的先后已存入该队列的数据帧，c1为目的地址为C的已进入队列的数据帧(c1是最新进入队列，但由于其目的地址C与目的地址A、B不同，则存入队列尾部)。假设现在有一个新数据帧b3其目的地址为B,将该数据帧b3存入该队列中目的地址为B的数据后面，而不是存入该队列的尾部，则存入后队列的数据结构为c1b3b2b1a2a1。
最优聚合帧长度的调整可以采用以下方式之一：
作为一种可实现方式，如果满足FERmin≤Pf≤FERmax，则不需要调整最优聚合帧长度，最优聚合帧长度仍为更新前最优聚合帧长度。
作为另一种可实现方式，如果Pf大于等于FERmax，说明当前的信道条件或者网络状况不好，需要减小聚合帧长度，可以根据以下公式调整最优聚合帧长度：
Figure BDA0002413920590000071
作为另一种可实现方式，如果Pf小于FERmin，说明当前信道条件较好，为了提升系统吞吐量，可以适当增大聚合帧的长度，可以根据以下公式调整最优聚合帧长度：
Figure BDA0002413920590000072
上述几个公式中，Lcur表示最优聚合帧长度，FERmax表示最大误帧率，FERmin表示最小误帧率，Pb表示误比特率,Pf表示误帧率。
误帧率Pf的计算，可以采用以下方式：
Figure BDA0002413920590000073
其中，Nerr表示错误子帧数，Nsum表示总的子帧数。
优选地，误比特率Pb根据Pf和更新前最优聚合帧长度Lcur0计算，方式包括：
Figure BDA0002413920590000081
本发明帧聚合是由于控制类和一般数据业务类数据帧较短，为了推高时隙传输的数据量而提出的改进手段，能进一步提高网络的吞吐量。
本发明从节点在每个时隙的起始时刻读取自身的时隙表中本时隙号对应的身份标识，若通过身份标识确定该时隙属于本节点，则根据本节点的时隙类型传输对应缓存队列中的数据。
典型地，本发明时隙身份标识的确定可以通过查看时隙表中对应时隙号的值是否为1，若值为1，则该时隙属于本节点；若值为0，则该时隙不属于本节点。
本发明根据本节点的时隙类型传输对应缓存队列中的数据，包括以下实现方式：
作为一种可能的方式，当本节点的时隙为固定时隙时，从节点按照缓存队列的优先级从高到低的顺序，判断该缓存队列中是否有数据发送，若有，则发送该缓存队列数据，并更新该队列长度，若没有，则转到下一个缓存队列，判断该缓存队列中是否有数据发送，重复本过程，直到所有缓存队列调度完。
典型地，作为一个实例，如图4所示，假设缓存队列的优先级从高到低的顺序为队列1、队列2、队列3、队列4，首先判断该缓存队列1中是否有数据发送，若有，则将队列1中的数据帧调度出队，将队列长度减1；若队列1中没有数据，则判断该缓存队列2中是否有数据发送若有，则将队列2中的数据帧调度出队，将队列长度减1；若队列2中没有数据，则判断该缓存队列3中是否有数据发送若有，则将队列3中的数据帧调度出队，将队列长度减1；依此进行，直到所有队列调度完成。
作为另一种可能的方式，当本节点的时隙为动态时隙时，从节点生成每个缓存队列的调度权值，采用动态加权轮询策略根据缓存队列的调度权值从大到小逐个调度缓存队列；
典型地，作为一个实例，如图5所示，计算各个缓存队列的调度权值之后，判断当前访问的缓存队列i的调度权值是否大于0，如果是，则查看缓存队列i中是否有数据需要调度，如果有数据，则将缓存队列i中的数据调度出去，缓存队列i的调度权值减1，并且i执行加1操作，等待下一个动态分配时隙的到来访问下一个缓存队列，如果缓存队列i的权值为0，则直接令i加1访问下一个缓存队列。当所有缓存队列的调度权值都为0时，说明一次轮询周期已完，进入下一次轮询周期。
本发明根据调度权值轮询调度能让节点中缓存队列公平调度和适应不同类型的数据业务对链路资源的需求。
优选地，所述生成每个缓存队列的调度权值，包括：
Figure BDA0002413920590000091
其中，i为队列号，在动态分配时隙部分i可取的值为2,3,4；Wi为基于队列长度的队列i的调度权值，WR为初始权值，可设为10，WD为动态权值，可设为5，WR+WD的值确定了轮询调度的轮询周期；ρi为队列i的权值分配比重，ρ2可为可0.5，ρ3可为0.4，ρ4可为0.1；Li为队列i的当前队列长度；
Figure BDA0002413920590000092
为向上取整函数，保证得到的权值为整数。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于TDMA的MAC层队列调度方法，其特征在于：从节点在每个时隙的起始时刻读取自身的时隙表中本时隙号对应的身份标识，若通过身份标识确定该时隙属于本节点，则根据本节点的时隙类型传输对应缓存队列中的数据，所述对应缓存队列中的数据由输入数据按数据帧类型分别存入该数据帧类型对应的缓存队列。
2.根据权利要求1所述基于TDMA的MAC层队列调度方法，其特征在于：从节点设有四个数据缓存队列，分别用于存储不同类型的数据帧，视频类队列用于存储视频类数据帧、音频类队列用于存储音频类数据帧、控制类队列用于存储控制类数据帧、一般数据业务类队列用于存储一般数据业务类数据帧。
3.根据权利要求2所述基于TDMA的MAC层队列调度方法，其特征在于：如果数据帧属于控制类或一般数据业务类，则先进行帧聚合，再存入相应类型的队列，并更新队列的队列长度信息。
4.根据权利要求3所述基于TDMA的MAC层队列调度方法，其特征在于：所述帧聚合包括依次计算待入队的数据帧长度与队列中数据帧长度之和是否小于或等于最优聚合帧长度，如果不存在这样的数据帧，则将待入队的数据帧存入相应类型的队列尾部；如果存在这样的数据帧，则再检测待入队的数据帧的目的地址是否与队列中的数据帧的目的地址相同，如果相同，则在该队列中进行同目的地址聚合。
5.根据权利要求4所述基于TDMA的MAC层队列调度方法，其特征在于：所述同目的地址聚合包括将数据帧存入该队列中目的地址相同的数据后面。
6.根据权利要求4所述基于TDMA的MAC层队列调度方法，其特征在于：所述最优聚合帧长度的计算包括：
如果误帧率大于等于最大误帧率，则获得最优聚合帧长度：
Figure FDA0002413920580000021
如果误帧率小于最小误帧率，则获得最优聚合帧长度：
Figure FDA0002413920580000022
其中，Lcur表示最优聚合帧长度，FERmax表示最大误帧率，FERmin表示最小误帧率，Pb表示误比特率。
7.根据权利要求1所述基于TDMA的MAC层队列调度方法，其特征在于：所述根据本节点的时隙类型传输对应缓存队列中的数据包括，当本节点的时隙为固定时隙时，节点按照队列的优先级从高到低的顺序，判断该缓存队列中是否有数据发送，若有，则发送该缓存队列数据，若没有，则转到下一个缓存队列，判断该缓存队列中是否有数据发送，重复本过程，直到所有缓存队列调度完。
8.根据权利要求1所述基于TDMA的MAC层队列调度方法，其特征在于：当本节点的时隙为动态时隙时，节点生成每个缓存队列的调度权值，采用动态加权轮询策略根据缓存队列的调度权值从大到小逐个调度缓存队列。
9.根据权利要求8所述基于TDMA的MAC层队列调度方法，其特征在于：所述生成每个缓存队列的调度权值包括：
Figure FDA0002413920580000023
其中，Wi为基于队列长度的队列i的调度权值，i为队列号，WR为初始权值，WD为动态权值；ρi为队列i的权值分配比重；Li为队列i的当前队列长度；
Figure FDA0002413920580000024
为向上取整函数。
10.根据权利要求9所述基于TDMA的MAC层队列调度方法，其特征在于：所述采用动态加权轮询策略根据缓存队列的调度权值从大到小逐个调度缓存队列包括：判断当前访问的缓存队列i的调度权值是否为0，如果不为0，则查看缓存队列i中是否有数据需要调度，如果有数据，则将缓存队列i中的数据调度出去，缓存队列i的调度权值减1，并且i执行加1操作，等待下一个动态分配时隙的到来访问下一个缓存队列，如果缓存队列i的权值为0，则直接令i加1访问下一个缓存队列。
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