專利名稱：寬帶無線接入系統(tǒng)中基于測量和QoS的接納控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于IEEE 802.16的寬帶無線接入(BWA)系統(tǒng)中接納控制的算法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
IEEE 802.16標準是無線城域網(wǎng)的空中接口規(guī)范，在未來的寬帶無線接入中有著十分重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景。802.16標準不但允許非視距連接、支持大容量用戶，而且可以提供電信級的QoS保證，全面支持語音、視頻、數(shù)據(jù)等豐富的多媒體業(yè)務(wù)的應(yīng)用。
有效的QoS保證體系必須對無線資源進行合理分配，尤其是針對無線通信環(huán)境下的復(fù)雜環(huán)境，無線接入系統(tǒng)的QoS體系面臨很多挑戰(zhàn)。802.16標準在MAC層實施了一系列的機制。接納控制是寬帶無線接入系統(tǒng)QoS保證體系中的重要策略。通過接納控制，系統(tǒng)可以在正式通信之前對系統(tǒng)資源和業(yè)務(wù)特性進行估計，在能夠滿足新接入的業(yè)務(wù)QoS和不影響已經(jīng)接入的業(yè)務(wù)QoS的前提下允許業(yè)務(wù)接入，并拒絕不滿足接納條件的業(yè)務(wù)。
IEEE 802.16系統(tǒng)有四種不同服務(wù)等級的業(yè)務(wù)，分別是非申請授予業(yè)務(wù)(unsolicited grantservice，UGS)、實時輪詢業(yè)務(wù)(real-time polling service，rtPS)、非實時輪詢業(yè)務(wù)(non-real-timepolling service，nrtPS)、盡力而為的業(yè)務(wù)(best effort service，BE)。
現(xiàn)有的接納策略是基于帶寬的接納方法，其具體的實現(xiàn)流程如下給定系統(tǒng)可用的帶寬B，設(shè)當新業(yè)務(wù)到來時，系統(tǒng)已經(jīng)使用的帶寬是Bused，設(shè)UGS業(yè)務(wù)所需的帶寬為bUGS，rtPS和nrtPS業(yè)務(wù)所需的最小帶寬是bmin，最大帶寬是bmax。
如果新業(yè)務(wù)是UGS業(yè)務(wù)，則如果Bused+bUGS＜B，允許UGS業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)并分配bUGS的預(yù)留帶寬，否則拒絕；如果新業(yè)務(wù)是rtPS業(yè)務(wù)，則如果Bused+bmax＜B，允許業(yè)務(wù)接入并分配bmax的預(yù)留帶寬，否則拒絕；如果新業(yè)務(wù)是nrtPS業(yè)務(wù)，則如果Bused+bmin＜B，允許業(yè)務(wù)接入并分配bmin的預(yù)留帶寬，否則拒絕；對BE業(yè)務(wù)均允許接入，但不分配預(yù)留帶寬。
由于rtPS和nrtPS業(yè)務(wù)的所需帶寬在(bmin，bmax)之間分布，所以每次用最大或最小帶寬來判斷是否接納不是十分合理。比如對rtPS業(yè)務(wù)，如果到來的rtPS業(yè)務(wù)并不需要最大帶寬，但按照最大帶寬判斷接入，則會導致rtPS業(yè)務(wù)的阻塞率較大，對比其他業(yè)務(wù)失去公平性。
同時，對于實時rtPS業(yè)務(wù)，現(xiàn)有的接納控制方法只采用了帶寬控制的方法，沒有考慮實時業(yè)務(wù)的延時、丟包率等的參數(shù)，因此，也無法保證實時業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。一個好的接納算法需要綜合考慮帶寬、延時、丟包率等業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，才能為通信系統(tǒng)提供QoS保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種應(yīng)用在IEEE 802.16寬帶無線接入系統(tǒng)中的基于測量與QoS保證的接納控制算法，可以在不影響系統(tǒng)帶寬資源利用率的情況下有效降低實時業(yè)務(wù)的丟包率，提高服務(wù)質(zhì)量，獲得更好的系統(tǒng)性能。
本發(fā)明的特征在于，依次含有以下步驟步驟(1)，當新業(yè)務(wù)到來時，所述基于IEEE 802.16的寬帶無線接入系統(tǒng)的基站判斷新業(yè)務(wù)的類型，并把其中的非申請授予業(yè)務(wù)列為第1優(yōu)先級，實時輪詢業(yè)務(wù)列為第2優(yōu)先級，非實時輪詢業(yè)務(wù)列為第3優(yōu)先級，分別針對不同的業(yè)務(wù)類型按以下步驟處理；步驟(2)，對于盡力而為的業(yè)務(wù)，該基站允許接入，轉(zhuǎn)步驟(6)；步驟(3)，對于非申請授予業(yè)務(wù)，該基站判斷給定的系統(tǒng)可用帶寬B是否大于系統(tǒng)已經(jīng)使用的帶寬Bused與新業(yè)務(wù)所需帶寬BUGS之和，若比系統(tǒng)給定的可用帶寬大，則允許接入，轉(zhuǎn)步驟(6)，否則，拒絕接入；步驟(4)，對于非實時輪詢業(yè)務(wù)，該基站按以下步驟進行步驟(4.1)，測量所述業(yè)務(wù)的實際帶寬bm；采用時間窗測量方法，步驟如下把一個時間窗分為10個采樣周期，在每一個周期中計算每一類服務(wù)的平均使用帶寬 (采樣時間為S)，在下面4種情況下更新估計帶寬的值①當時間窗結(jié)束時，取最大的 作為估計帶寬；②當接入新流時，更新估計帶寬，并重啟時間窗；③當 超過估計帶寬時，以 作為估計帶寬；④當有一流離開時，更新估計帶寬，并重啟時間窗；估計帶寬的更新公式如下 其中，bm為更新的估計帶寬，即業(yè)務(wù)的實際測量帶寬； 為S中的平均使用帶寬；rp為業(yè)務(wù)信息產(chǎn)生速率；β為帶寬減少因子，當有流結(jié)束離開網(wǎng)絡(luò)時，需要減少使用帶寬的估計值，減少的帶寬大致等于該流的等效帶寬，可以根據(jù)流的不同為β確定不同的值，為了簡化算法，可以取β＝1；步驟(4.2)，判斷給定系統(tǒng)可用的帶寬B是否大于系統(tǒng)已經(jīng)使用的帶寬與所述業(yè)務(wù)的實際帶寬bm之和，若系統(tǒng)可用的帶寬B為大，允許接入，轉(zhuǎn)步驟(6)，否則拒絕接入；步驟(5)，對于實時輪詢業(yè)務(wù)，基站按以下步驟進行步驟(5.1)，測量所述業(yè)務(wù)的實際帶寬bm，測量方法同步驟(4.1)；步驟(5.2)，判斷系統(tǒng)可用帶寬B是否大于系統(tǒng)已用帶寬Bused與所述實際帶寬之和；若系統(tǒng)可用帶寬B為大，則進入步驟(5.3)；否則，便拒絕接入；步驟(5.3)，判斷所述業(yè)務(wù)是否是GPC模式，該模式是指基站為每一連接分配設(shè)定帶寬；若為GPC模式，便判斷pi＜Pi否，pi＜Pi時允許接入，否則拒絕接入，其中，pi為所述業(yè)務(wù)i的丟包率按下式計算pi=λiμie-(μi-λi)(Di-Ts)]]>λi為業(yè)務(wù)包到來的泊松參數(shù)，測量得到的已知值；μi為業(yè)務(wù)包的平均服務(wù)時間，測量得到的已知值；Di為業(yè)務(wù)i允許容忍的最大延時，設(shè)定值；Ts為成幀時間補償，設(shè)定值；pi為根據(jù)服務(wù)質(zhì)量指標而設(shè)定的最大丟包率；若不是GPC模式，按下一步驟進行；步驟(5.4)，按GPSS模式執(zhí)行，該模式是指基站為每一個終端分配設(shè)定的帶寬，而終端把帶寬在它的若干個連接中重新分配；該基站判斷W2＜D否，W2=T1(1-ρ1-ρ2)×(1-ρ1)]]>T1為等待服務(wù)臺空出的時間 ，λi為測量得到的第i優(yōu)先級的包到來的泊松參數(shù)，hi為第i優(yōu)先級的包服務(wù)時間的平均值，σi2為服務(wù)時間方差；ρ1＝λ1h1，ρ2＝λ2h2，λ、h已如前述；D是實時輪詢業(yè)務(wù)允許的最大延時，設(shè)定值；W2是實時輪詢業(yè)務(wù)的延時；判斷結(jié)果，若W2＜D，便允許接入，否則，拒絕接入；步驟(6)，基站分配預(yù)留帶寬。
本發(fā)明引入測量機制，可以實時得到系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，同時采用帶寬與延時結(jié)合的接納控制策略，可以提高實時業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，優(yōu)化寬帶無線接入系統(tǒng)性能。


圖1.IEEE 802.16系統(tǒng)的QoS保證體系；圖2.現(xiàn)有接納控制算法流程圖；圖3.本發(fā)明提出的接納控制算法流程圖；圖4.引入測量機制前后的阻塞率對比圖4a為現(xiàn)有算法的各業(yè)務(wù)的阻塞率，其中直線為非申請授予業(yè)務(wù)阻塞率曲線，星號線為實時業(yè)務(wù)阻塞率曲線，圓點線為非實時業(yè)務(wù)阻塞率曲線；圖4b為引入測量機制后的算法的業(yè)務(wù)阻塞率，其中直線為非申請授予業(yè)務(wù)阻塞率曲線，星號線為實時業(yè)務(wù)阻塞率曲線，圓點線為非實時業(yè)務(wù)阻塞率曲線；圖5.引入時延接納控制前后的rtPS業(yè)務(wù)丟包率對比；圖6.采用本發(fā)明前后的系統(tǒng)資源利用率對比。
具體實施例方式
為實現(xiàn)本發(fā)明要解決的技術(shù)問題，本發(fā)明采用一種引入測量機制的基于帶寬和延時的兩層接納控制體系，包括如下步驟針對所有業(yè)務(wù)，首先根據(jù)帶寬進行接納判斷，如果系統(tǒng)已經(jīng)使用的帶寬與新業(yè)務(wù)的帶寬之和小于系統(tǒng)可以提供的總帶寬，則允許業(yè)務(wù)接入，否則拒絕。為了保證實時性，采用測量方法得到rtPS與nrtPS業(yè)務(wù)的帶寬，以測量帶寬進行帶寬接納判斷。
針對實時rtPS業(yè)務(wù)，在進行了(1)中的帶寬判斷之后，再進行延時判斷。根據(jù)測量得到的業(yè)務(wù)流的參數(shù)，用排隊理論的相關(guān)方法進行建模，得到rtPS業(yè)務(wù)的延時或丟包率的衡量，與相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)相比較進行是否允許接納的判斷。即如果實時業(yè)務(wù)的延時或丟包率指標滿足服務(wù)質(zhì)量要求則允許接入，反之拒絕接入。
下面對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的描述。
圖3為本發(fā)明的接納控制算法的流程圖，具體說明如下新業(yè)務(wù)到來后，首先進行基于帶寬的接納控制判斷。給定系統(tǒng)可用的帶寬B，設(shè)當新業(yè)務(wù)到來時，系統(tǒng)已經(jīng)使用的帶寬是Bused，設(shè)UGS業(yè)務(wù)所需的帶寬為bUGS，測量得到的rtPS和nrtPS業(yè)務(wù)實際帶寬是bm。接納控制模塊首先判斷業(yè)務(wù)類型。
如果新業(yè)務(wù)是UGS業(yè)務(wù)，則如果Bused+bUGS＜B，允許UGS業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)并分配bUGS的預(yù)留帶寬，否則拒絕；如果新業(yè)務(wù)是rtPS業(yè)務(wù)，則如果Bused+bm＜B，開始進行延時接納判斷，否則拒絕；如果新業(yè)務(wù)是nrtPS業(yè)務(wù)，則如果Bused+bm＜B，允許接入并分配bm的預(yù)留帶寬，否則拒絕；對BE業(yè)務(wù)均允許接入，但不分配預(yù)留帶寬。
對于(2)中的進入延時接納判斷的rtPS業(yè)務(wù)，根據(jù)延時接納控制算法進行接納判斷。
802.16的MAC有兩種模式，一種是GPC(Grant Per Connection)模式，即基站為每個連接分配一定的帶寬，一種是GPSS(Grant Per Subscriber Station)模式，即基站為每個終端分配一定的帶寬，終端將帶寬在它的若干個連接中重新分配。
對于(2)中的進入延時接納判斷的rtPS業(yè)務(wù)，首先判斷屬于哪種MAC模式。
如果是GPC模式，則采用基于GPC模式的延時控制策略。
接納判斷條件是如果pi＜Pi，則允許rtPS業(yè)務(wù)接入，否則拒絕。
其中，pi是業(yè)務(wù)i的丟包率，Pi是作為服務(wù)質(zhì)量指標的最大丟包率，為固定參數(shù)。
業(yè)務(wù)i的丟包率pi的計算過程如下假設(shè)業(yè)務(wù)包的到來服從泊松分布，包的服務(wù)時間服從負指數(shù)分布，則將SS端的緩存近似建模成為M/M/1隊列。
測量得到業(yè)務(wù)包到來的泊松參數(shù)為λi，負指數(shù)分布參數(shù)為μi。
根據(jù)排隊理論的結(jié)論，包的等待時間W分布為G(w)=1-λiμie-(μi-λi)w]]>則可以計算業(yè)務(wù)i的丟包率為pi=p(W>(Di-Ts))]]>=1-G(Di-Ts)]]>=λiμie-(μi-λi)(Di-Ts)]]>其中，Di為業(yè)務(wù)i可以容忍的最大延時，Ts為成幀時間補償。
則業(yè)務(wù)i的丟包率pi可以求得，然后根據(jù)時延接納的判斷表達式pi＜Pi進行業(yè)務(wù)是否接入的判斷。
如果為GPSS模式，則采用基于GPC模式的延時控制策略。
接納判斷的條件是如果W2＜D，則允許接入，否則拒絕。
其中，W2是rtPS業(yè)務(wù)延時，D是業(yè)務(wù)可以允許的最大延時。
W2的計算過程如下GPSS模式下，SS端的調(diào)度滿足優(yōu)先級準則，即在SS端的四個等級的業(yè)務(wù)隊列中，優(yōu)先級高的包先發(fā)送到無線信道，優(yōu)先級低的包只有在高優(yōu)先級隊列為空時才可以發(fā)送。
建模成為優(yōu)先級隊列。其中，UGS為第1優(yōu)先級，rtPS為第2優(yōu)先級，nrtPS為第3優(yōu)先級。
設(shè)測量得到的第i級包到來的泊松參數(shù)是λi，平均服務(wù)時間是hi，方差為σi2，系統(tǒng)總業(yè)務(wù)量是ρ＝Σλihi，ρ＜1，設(shè)Wi是第i級包的等待時間。
根據(jù)優(yōu)先排隊理論，設(shè)等待服務(wù)臺空出的時間是T1，則有W1＝T1/(1-ρ1)，遞推得到第k級包的平均等待時間為
Wk=Wk-1(1-Σi=1k-2ρi)/(1-Σi=1kρi)]]>=T1(1-Σi=1kρi)(1-Σi=1k-1ρi)]]>因此，rtPS包的平均等待時間為W2=T1(1-ρ1-ρ2)×(1-ρ1)]]>其中，T1=Σλi2(hi2+σi2),]]>ρi＝λihi。
則GPSS模式下的延時接納判斷表達式為W2＜D則可以求得GPSS模式下rtPS業(yè)務(wù)的延時，再根據(jù)延時接納表達式W2＜D判斷，滿足條件則接入，否則拒絕。
為了對比本發(fā)明實施前后的效果，對本發(fā)明的算法用Matlab進行了仿真，仿真參數(shù)采用B＝2000kbps，bUGS＝32kbps，bmin＝32kbps，bmax＝32kbps，三種業(yè)務(wù)流的泊松參數(shù)相同，其和λ的取值從1-10，三種業(yè)務(wù)的服務(wù)時間分布參數(shù)均為3.05。假設(shè)實際測量到的rtPS與nrtPS業(yè)務(wù)帶寬在(32，128)kbps上均勻分布，實際測量的業(yè)務(wù)延時與λ大小正相關(guān)，且服從指數(shù)分布。
圖4表示了引入測量機制前后的各業(yè)務(wù)阻塞率的對比，可以看到原來的接納策略由于rtPS業(yè)務(wù)采用最大帶寬判斷是否接納，使rtPS業(yè)務(wù)的阻塞率大于其它業(yè)務(wù)的阻塞率，而引入測量機制后，rtPS業(yè)務(wù)的阻塞率與其他業(yè)務(wù)均衡。對應(yīng)于rtPS的音視頻業(yè)務(wù)在未來的無線接入網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)著重要的地位，所以引入測量機制可以有效提高業(yè)務(wù)的公平性。
圖5顯示了采用延時接納前后的rtPS業(yè)務(wù)丟包率對比，針對rtPS業(yè)務(wù)引入基于延時的接納控制策略后，可以看到，實時業(yè)務(wù)的丟包率明顯下降，并且隨著系統(tǒng)負荷的增加，丟包率保持穩(wěn)定。同時，由于延時控制的限制，rtPS業(yè)務(wù)的阻塞率會增加。
圖6是采用本發(fā)明前后的系統(tǒng)帶寬資源利用率的對比。由于綜合了帶寬和延時控制的接納策略可以有效地降低實時業(yè)務(wù)的丟包率，保證業(yè)務(wù)的QoS，同時也在一定程度上增加了實時業(yè)務(wù)的阻塞率，而引入的測量機制可以降低實時業(yè)務(wù)的阻塞率，因此，我們對比一下802.16系統(tǒng)中原來的接納算法和本發(fā)明提出的新的算法的系統(tǒng)資源利用率。在圖6中可以看到采用本發(fā)明的算法之后系統(tǒng)的資源利用率變化不大，基本與原來的系統(tǒng)資源利用率持平，但同時明顯提高了實時rtPS業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，因此，提高了系統(tǒng)的性能。
權(quán)利要求
1.寬帶無線接入系統(tǒng)中基于測量和QoS的接納控制方法，其特征在于，依次含有以下步驟步驟(1)，當新業(yè)務(wù)到來時，所述基于IEEE 802.16的寬帶無線接入系統(tǒng)的基站判斷新業(yè)務(wù)的類型，并把其中的非申請授予業(yè)務(wù)列為第1優(yōu)先級，實時輪詢業(yè)務(wù)列為第2優(yōu)先級，非實時輪詢業(yè)務(wù)列為第3優(yōu)先級，分別針對不同的業(yè)務(wù)類型按以下步驟處理；步驟(2)，對于盡力而為的業(yè)務(wù)，該基站允許接入，轉(zhuǎn)步驟(6)；步驟(3)，對于非申請授予業(yè)務(wù)，該基站判斷給定的系統(tǒng)可用帶寬B是否大于系統(tǒng)已經(jīng)使用的帶寬Bused與新業(yè)務(wù)所需帶寬BUGS之和，若比系統(tǒng)給定的可用帶寬大，則允許接入，轉(zhuǎn)步驟(6)，否則，拒絕接入；步驟(4)，對于非實時輪詢業(yè)務(wù)，該基站按以下步驟進行步驟(4.1)，測量所述業(yè)務(wù)的實際帶寬bm；采用時間窗測量方法，步驟如下把一個時間窗分為10個采樣周期，在每一個周期中計算每一類服務(wù)的平均使用帶寬 采樣時間為S，在下面4種情況下更新估計帶寬的值①當時間窗結(jié)束時，取最大的 作為估計帶寬；②當接入新流時，更新估計帶寬，并重啟時間窗；③當 超過估計帶寬時，以 作為估計帶寬；④當有一流離開時，更新估計帶寬，并重啟時間窗；估計帶寬的更新公式如下 其中，bm為更新的估計帶寬，即業(yè)務(wù)的實際測量帶寬； 為S中的平均使用帶寬；rp為業(yè)務(wù)信息產(chǎn)生速率；β為帶寬減少因子，當有流結(jié)束離開網(wǎng)絡(luò)時，需要減少使用帶寬的估計值，減少的帶寬大致等于該流的等效帶寬，可以根據(jù)流的不同為β確定不同的值，為了簡化算法，可以取β＝1；步驟(4.2)，判斷給定系統(tǒng)可用的帶寬B是否大于系統(tǒng)已經(jīng)使用的帶寬與所述業(yè)務(wù)的實際帶寬bm之和，若系統(tǒng)可用的帶寬B為大，則允許接入，轉(zhuǎn)步驟(6)，否則拒絕接入；步驟(5)，對于實時輪詢業(yè)務(wù)，基站按以下步驟進行步驟(5.1)，測量所述業(yè)務(wù)的實際帶寬bm，測量方法同步驟(4.1)；步驟(5.2)，判斷系統(tǒng)可用帶寬B是否大于系統(tǒng)已用帶寬Bused與所述實際帶寬之和；若系統(tǒng)可用帶寬B為大，則進入步驟(5.3)；否則，便拒絕接入；步驟(5.3)，判斷所述業(yè)務(wù)是否是GPC模式，該模式是指基站為每一連接分配設(shè)定帶寬；若為GPC模式，便判斷pi＜Pi否，pi＜Pi時允許接入，否則拒絕接入，其中，pi為所述業(yè)務(wù)i的丟包率，按下式計算pi=λiμie-(μi-λi)(Di-Ts)]]>λi為包到來的泊松參數(shù)，測量得到的已知值；μi為包的服務(wù)時間的復(fù)指數(shù)分布參數(shù)，測量得到的已知值；Di為業(yè)務(wù)i允許容忍的最大延時，設(shè)定值；Ts為成幀時間補償，設(shè)定值；pi為根據(jù)服務(wù)質(zhì)量指標而設(shè)定的最大丟包率；若不是GPC模式，按下一步驟進行；步驟(5.4)，按GPSS模式執(zhí)行，該模式是指基站為每一個終端分配設(shè)定的帶寬，而終端把帶寬在它的若干個連接中重新分配；該基站判斷W2＜D否，W2=T1(1-ρ1-ρ2)×(1-ρ1)]]>T1為等待服務(wù)臺空出的時間，T1=Σλi2(hi2+σi2),]]>λi為測量得到的第i優(yōu)先級的包到來的泊松參數(shù)，hi為第i優(yōu)先級的包服務(wù)時間的平均值，σi2為服務(wù)時間方差；ρ1＝λ1h1，ρ2＝λ2h2，λ、h已如前述；D是實時輪詢業(yè)務(wù)允許的最大延時，設(shè)定值；W2是實時輪詢業(yè)務(wù)的延時；判斷結(jié)果，若W2＜D，便允許接入，否則，拒絕接入；步驟(6)，基站分配預(yù)留帶寬。
全文摘要
本發(fā)明在于寬帶無線接入系統(tǒng)中接納控制方法領(lǐng)域，其特征在于在判斷業(yè)務(wù)類型，對盡力而為的業(yè)務(wù)允許接入；對第1優(yōu)先級的非申請授予業(yè)務(wù)以及第3優(yōu)先級的非實時輪詢業(yè)務(wù)按業(yè)務(wù)實際帶寬與系統(tǒng)已用帶寬之和是否小于系統(tǒng)給定帶寬判定；對第2優(yōu)先級的實時輪詢業(yè)務(wù)，先按業(yè)務(wù)實際帶寬如上所述地篩選，其次，再按是否是GPC模式判斷，若為GPC模式，則按業(yè)務(wù)延時判斷。本發(fā)明同時采用實際帶寬與延時結(jié)合的接納控制策略，提高了實時業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，優(yōu)化了系統(tǒng)性能。
文檔編號H04W28/24GK1917708SQ20061011277
公開日2007年2月21日 申請日期2006年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月1日
發(fā)明者辛艷, 粟欣, 許希斌, 肖立民, 趙熠飛, 丁國鵬 申請人:清華大學