宽带无线接入网络中针对话音业务的终端上行调度方法

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宽带无线接入网络中针对话音业务的终端上行调度方法技术领域5 本发明涉及宽带无线接入网络技术领域，特别是一种宽带无线接入网络中针对话音业务的终端上行调度方法。是一种为基于IEEE802.16的 终端（户外接入单元）提供上行信道分配的数据调度方法，以保证接 入网络中的实时话音服务质量。10背景技术用户对于高速因特网接入和多媒体业务的需求大大推动了宽带接入技 术的发展。宽带无线接入系统（Broadband Wireless Access, BWA)作为 一种新出现的宽带接入技术有着很多优势。例如，快速布置，高扩展性， 较低的维护和升级费用等。为了建立一种高性能的宽带无线接入系统，is人们在宽带无线接入技术的研究和标准化方面做了大量的工作。IEEE 802.16是国际上针对宽带无线接入技术制定的重要技术标准。IEEE 802.16 工作组己于2004年10月1日发布了 IEEE Std 802.16-2004，该标准定义 了工作于2-66GHz频带的固定宽带无线接入系统空中接口物理层(PHY) 和媒体接入控制层(MAC)规范。正EE Std 802.16e将于2005年3月发布，20 该标准定义了移动宽带无线接入系统的空中接口规范。同时，网络技术 的快速发展带动了网络多媒体应用的发展。人们也希望在宽带无线接入 系统中为不同等级服务质量需求的数据提供服务。正EE 802.16 MAC协 议中提供了支持多级服务质量保证的QoS设计框架。IEEE 802.16 MAC层QoS框架25 1. SS和BS之间的连接建立SS (Subscriber Station)是宽带无线接入系统中的终端（接入单元）， BS(Base Station)是宽带无线接入系统中为接入单元提供接入服务的控制 实体。 一个BS可以控制多个SS，并且它们提供无线的接入服务。SS和BS的连接建立在网络初始化过程中完成。首先SS需要获得一个BS信 道同步以及上下行链路信息，通过交换上下行链路信息建立物理连接。SS 的网络初始化过程还包括注册，测距等过程。通过上述过程，SS可以找 到一个BS并且完成与BS的通信能力协商，认证和建立控制连接等过程。5 正EE 802.16的MAC协议支持TDD和FDD工作方式。在TDD方式 中，信道被分成一系列的微时隙（mini-slot)。因为SS和BS已经建立了 同步，所以BS可以通过控制把信道中的某些时隙分配给制定的SS。 SS 通过上行链路向BS发送数据和信道请求消息。BS在下行链路上给SS 返回下行数据和相关的控制信息。io 2.服务流为了支持QoS，正EE 802.16定义了 4种服务流：非请求授予服务 (UGS， Unsolicited Grant Service),实时轮询服务流（rtPS, Real-time Polling Service),非实时轮询流（nrtPS， Non-realtime Polling Service)和尽力而 为服务（BE， Best Effort )。 i5 (1)非请求授予服务流（UGS):这种服务流是为了支持恒定比特率（CBR) 的实时数据流，例如无静音抑制的VOIP (Voice Over IP)数据。这 种业务需要固定的网络带宽保证。(2) 实时轮询服务流（rtPS):这种服务流是为了支持变化比特率（VBR) 的实时数据流，例如MPEG视频数据。这些业务有具体的网络带宽20 要求并且有最大延迟时间的限制。(3) 非实时轮询服务流（nrtPS):这种服务流是为了支持非实时数据流， 但是这些数据流要求比尽力而为服务更好的服务质量，例如带宽敏感 的文件传输服务。这些业务对延迟时间不敏感但是需要保证最小的网 络带宽。25 (4)尽力而为服务（BE):这种服务流是针对无特定服务质量要求的数据。 例如HTTP数据。 3.带宽分配和请求机制在宽带无线接入系统中，存在着上行和下行信道，上行信道指SS到 BS的通信信道，下行信道指BS到SS的通信信道。下行信道由BS集中 30 控制，而多个SS共享上行信道，这就涉及到网络带宽在多个SS之间的分配问题。IEEE 802.16规定了带宽请求和请求机制。请求指的是SS在 需要获得网络带宽发送数据时向BS发出请求，要求获得上行信道带宽 的过程。SS的带宽请求有三种方式， 一种是在上行信道的竞争请求时隙 中发送带宽请求消息； 一种在BS分配的请求时隙中发送请求消息；第5 三种是在数据时隙中采用Piggyback方式发送请求。BS采用多种方式完 成网络带宽的分配，其中包括授予机制（Grant)和轮询（Polling)机制。 授予机制就是BS直接在上行信道的MAP消息中给SS分配数据发送时 间；轮询机制是BS采用轮询的方式给各个SS带宽请求机会，轮询机制 包括单播轮询和多播轮询机制。需要特别指出的是，IEEE 802.16-2004io中规定，SS向BS发送带宽请求时是为具体的数据连接请求带宽，而BS 向SS分配带宽时却不是针对每个连接的，而是针对某个SS分配带宽， 这一点会影响调度策略的设计。随着网络中各种业务越来越丰富，在宽带无线接入网络中为各种不同 等级的业务提供服务质量保证有着非常重要的意义。正EE 802.16 MAC15层规范中定义了 QoS管理的框架。规范中定义服务的分类规则，服务流 的管理方式以及带宽请求和分配的方式。但是该规范没有定义该如何实 现这样的QoS框架，也没有指出调度策略和具体调度方法来实现带宽分 酉己。本发明的目的就是在基于正EE 802.16的宽带无线接入网络中提供一 种QoS调度的实现框架和终端上行链路调度方法。20发明内容本发明是一种为基于IEEE 802.16的宽带无线接入网络的终端 (Subscriber Station, SS，又称户外接入单元)提供话音服务质量保证的上 行数据调度方法。本方法将宽带无线接入网络的调度过程分为SS上行数25 据调度，基站（Base Station, BS)上行链路调度和BS下行链路调度三 个过程。为了保证接入网络中的话音通信质量，本发明提出一种SS的上 行数据调度方法，该方法采用两级的调度过程，第一级调度过程采用高 优先级抢占式调度，负责将SS获得的总体带宽分配给不同类别的业务； 第二级调度过程在不同业务类型内部采用不同的调度算法，负责将该业30务获得的带宽分配给不同的数据连接。本发明提出了一种在802.16宽带无线接入网络中保证话音通信质量 的QoS调度的实现框架和SS上行数据调度方法。该方法的特征是将宽 带无线接入网络的数据调度分为SS上行数据调度，BS ••• 上行链路 调度和BS下行调度三个部分。SS上行数据采用多级队列调度的方式， 5 将SS的不同连接队列分成UGS， rtPS， nrtPS和BE四种服务类。多级队 列调度方法的特征是首先将总体网络带宽分配给不同服务类，在不同服 务类再分别采用不同调度算法将网络带宽分给不同的数据连接。宽带无线接入网络中针对话音业务的终端上行调度方法，其方法是， 将宽带无线接入网络的调度过程分为SS上行数据调度，BS上行链路调 io 度和BS下行链路调度，SS上行数据调度负责将SS申请到的上行信道带 宽分配不同的数据连接；BS上行链路调度负责调度多个SS的带宽请求 消息，给多个SS分配上行信道带宽；BS下行链路调度器负责协调基站 下行数据的发送顺序，完成对下行链路的调度。针对话音业务的SS上行数据的调度方法，该方法的特征是，将SS is 的上行数据按照连接排队，并且将不同QoS要求的连接分成UGS， rtPS， nrtPS和BE四种类型；无静音抑制的实时话音业务分类进入UGS服务类 中，上行数据调度器分为两级调度，第一级调度负责将SS的总体上行信 道带宽分配给不同的服务类；为了保证实时话音业务的服务质量，第一 级调度采用高优先级抢占式调度，第二级调度负责在不同服务类内部分 20 配带宽，将业务带宽分配给不同的数据连接；UGS业务的队列调度采用 固定带宽分配；rtPS业务的队列调度采用WFS (Wireless Fair Scheduling) 算法；nrtPS业务的队列调度采用WRR (Weighted Round Robin)算法； BE业务的队列采用简单的FIFO调度。宽带无线接入网络中针对话音业务的终端上行调度方法，将宽带无 25 线接入网络的调度过程分为SS上行数据调度，BS上行链路调度和BS 下行链路调度过程，通过三级调度的方式完成上下行数据的调度。依据 本发明思想的任何等效的该类调度方法，均应属于本发明的保护范围。技术方案1. IEEE 802.16 MAC协议的QoS调度实现框架SS进入网络以后完成信道参数获得，同步，测距，注册过程与BS建立网络连接。SS的上层网络应用程序需要发送数据时，首先需要在SS 和BS之间申请一个MAC层连接，BS给该数据连接分配一个连接ID号。 在SS上为每一个连接的数据建立一个队列，以连接ID标识。为了在这5 些连接上发送数据，SS首先需要向BS为这些连接申请上行网络带宽。SS 发送带宽请求消息给BS，申请上行信道带宽。BS把从不同SS收到的带 宽请求消息按照连接的服务质量要求分类，进入不同的带宽请求消息队 歹U。 BS上行链路调度器完成带宽请求消息队列的调度，从不同类型的带 宽请求消息中合理选择带宽请求进行处理，给相应的SS分配带宽。BSio 把带宽分配的结果写入到UL-MAP消息中，该消息和下行数据，下行控 制消息等一起进入下行数据缓冲区。BS上的下行链路调度器完成下行数 据缓冲区的调度，将下行分组（包括上下行信道MAP消息，控制消息和 下行数据）按照合理的发送顺序发送给SS。 SS通过接受BS的下行分组 中包含的UL-MAP消息获得BS对于上行带宽的分配，SS只能在BS分15 配给它的时隙中发送上行数据。在SS上，当上层应用程序的数据到达SS后首先经过分类器按照连接 分类，进入不同的连接队列。多个连接队列又按照不同的QoS要求分成 UGS连接，rtPS连接，nrtPS连接和BE连接四类。SS上行数据调度器负 责将从BS申请到的网络带宽分配给不同的连接，这样就完成整个调度 20过程。本发明提出的上下行调度过程中包括SS上行数据调度器，BS上 行链路调度器和BS下行链路调度器三个调度模块。802.16宽带无线接 入网络中的总体调度过程如图l所示。基于上述调度过程，本发明提出的802.16宽带无线接入网络的QoS 调度的实现框架结构如图2所示。在这个总体调度框架中，包括SS数据 25分类器，SS上行数据队列，SS上行数据调度器，BS的带宽请求队列， BS上行链路调度器，BS下行数据缓冲区和BS下行链路调度器等组件。SS数据分类器负责将SS的上层数据进行分类，进入正确的连接队列。SS上行数据队列负责管理SS的上行数据，将数据按照连接排队，并 且将不同QoS要求的队列分成UGS， rtPS， nrtPS禾QBE四类。SS上行数据调度器负责将SS申请到的网络带宽分配给不同QoS需求的数据连接。BS的带宽请求队列负责管理不同SS发送到BS的带宽请求消息，将 为不同连接申请带宽的带宽请求消息，按照不同QoS要求进入不同的带5宽请求消息队列。BS的上行链路调度器负责选择合理的带宽请求消息进行处理，将上 行信道合理分配给不同的SS。BS下行数据缓冲区负责管理BS发送给SS的下行分组，其中包括下 行数据，MAC控制消息等。io BS的下行链路调度器负责合理组织BS的下行分组，将这些分组按照 合理的顺序从下行信道中发送给SS。2. SS上行数据的调度方法终端SS上可能同时有多个MAC层连接需要发送数据，每个连接有 不同的QoS要求。不同QoS要求的数据不能简单的按照先进先出（FIFO)15队列的方式发送，SS的上行数据调度器负责将从BS请求来的带宽合理 的分配给多个连接。SS中属于同一个MAC层连接（以连接ID标识）的上行数据排成一个 队列，不同连接ID的队列又按照QoS要求的不同分类为UGS， rtPS， nrtPS 和BE四种服务类。非静音抑制的话音业务连接经过分类器属于UGS队列20 中，rtPS队列对应VBR的视频流业务，nrtPS队列对应有QoS要求的非实 时数据业务，BE队列对应无QoS要求的数据业务。优先级从高到低的顺 序为UGS队列，rtPS队列，nrtPS队列和BE队列。基于上述的队列管理方 式，SS的上行数据调度器采用两级调度的结构，如图3所示。在本发明提 出的SS上行数据调度方法中，调度分为两个等级，第一级的调度是将分25 配给SS的总体带宽分配给不同等级的服务类；第二级的调度是在不同等 级的服务类内部，将带宽分配给不同的队列。在SS上行数据调度器启动 以后，调度器的第一级调度首先将SS从BS申请到的上行信道带宽分配给 某一个服务类。在一个服务类内部又有一个第二级调度器，第二级调度将给服务类分得得带宽在分配给不同的连接。针对不同的QoS要求，不 同服务类内部的第二级调度器采用不同的调度算法。具体的调度流程如图4所示。2.1总体带宽分配（第一级调度器）5 本发明的调度策略是为话音业务提供最高优先级的服务质量保证，因此在总体带宽分配中将话音业务对应的UGS队列设置为最高优先级并且 采用高优先级抢占式调度算法以保证话音业务的服务质量。在这种调度 方法中，只要高优先级队列中有数据要发送，总体带宽分配器就先将带 宽分配给高优先级业务。这种调度方法可以让话音业务抢占其他业务的 io网络带宽，从而能够最大限度的保证话音业务服务质量。但是这种方法 可能导致其他类型的数据连接处在饥饿状态。本发明的技术方案是针对 话音业务的，因此在这里不对这个问题做特殊处理。如果要获得各种业 务公平分配网络带宽（这样必然会损失话音业务的带宽），可以考虑采 用多优先级公平队列调度器或者在本调度器前面加入流量整形器的方15 法，该方法不在本发明方案的范围内，这里不做介绍。2.2 UGS连接的调度 UGS连接中对应的业务是恒定比特率的实时数据流，这些数据流对于网络带宽的要求是恒定的，这种业务的典型例子就是非静音抑制的VOIP 数据。对于这种类型的业务，采用恒定带宽分配的方法就可以保证业务 20的服务质量。因此UGS连接调度采用恒定带宽分配的方法，即为每一个 UGS连接分配一个固定的发送时间。2.3 rtPS连接的调度为了降低rtPS业务的等待延迟，rtPS的连接队列采用WPS (无线分组 调度）算法。该算法的具体过程参见文献：SongwuLu, VaduvurBharghavan， 25 and R. Srikant， "Fair Scheduling in Wireless Packet Networks", In Proceedings of ACM SIGCOMM'97, 1997.2.4 nrtPS连接的调度nrtPS业务对延迟要求不敏感，因此nrtPS连接采用比较简单的WRR (加 权轮询调度）算法。加权轮询算法为每一个连接队列赋予一个权值（该 30权值根据连接的数据发送速率和所有nrtPS连接的总速率的比值来确定），同时为每一个队列维护一个计数器。在每次轮询时，计数器非零 的队列发送一个分组。计数器的计算方法为：初始值为权值，每发送一 个分组计数器减一，当所有队列的计数器都为零时，则重置为权值。WRR算法的具体过程参见文献：Abhay K. Parekh and Robert G. Gallage, "A 5 Generalized Processor Sharing Approach to Flow Control in IntegratedServices Networks: The Single Node Case", IEEE/ACM Transaction onNetworking, Jun. 1993.2.5BE连接的调度对于没有任何QoS保证的BE连接，采用简单的先进先服务（FIFS)的 io 方式。每次总是优先发送多个队列中最先到达的分组。附图说明图1是IEEE 802.16 MAC协议的总体调度流程图。 图2是802.16宽带无线接入网络的MAC层QoS调度框架图。 15 图3是SS上行数据的总体调度策略图。图4是SS上行数据调度流程图。具体实施方式图1的IEEE 802.16 MAC协议的总体调度流程：20 基于正EE 802.16 MAC协议的上下行链路调度过程分为以下步骤：Sl丄SS进入无线宽带接入网络，首先获取无线信道参数，建立与基 站的物理连接，MAC层控制连接，配置IP地址信息完成网络准入和初 始化过程；S1.2.SS有上层数据发送，到达MAC层的服务汇聚子层。正EE 802.16 25 MAC层的服务汇聚子层对上层服务数据单元SDU (Service Data Unit) 进行分类。将上层数据单元按照不同的连接ID进行排队，并且将不同的连接ID队列按照优先级要求分类；S1.3.不同的上层数据单元按照分类的结果进入上行数据缓冲区，该 缓冲区分为不同连接ID的队列，有不同优先级要求的连接ID队列又分 为UGS队列，rtPS队列，nrtPS队列和BE队列四种类型；5 S1.4. SS为需要上行带宽的连接请求带宽，向BS发送带宽请求消息， 发送带宽请求可以采用本文前面部分介绍的三种方式；S1.5.基站接受到各个SS的带宽请求消息，将这些带宽请求消息分为 UGS连接请求，rtPS请求，nrtPS请求和BE请求四种类型，进入BS带 宽请求队列；io S1.6. BS通过基站上行链路调度模块，通过合理的调度算法，处理不 同SS的带宽请求消息，为按照它们带宽请求的优先级授予（Grant)上 行数据发送机会；51.7. 基站将上行链路调度的结果组成UL-MAP消息通知各个SS的 上行数据发送时隙以及时隙长度，UL-MAP消息，DL-MAP消息结合其15他的下行链路数据生成下行帧；51.8. 经过BS的下行链路调度器发送组成BS的下行消息发送给SS; 注意这里BS给SS分配了一个公共的带宽，用来给SS上的多个连接发 送数据；51.9. SS收到了 BS授予的数据发送时隙之后，通过SS的上行数据调 20度模块将这些上行带宽合理分配给不同优先级的连接，即在上行数据缓冲区中不同等级的连接ID队列中选择合适的队列发送数据；51.10. 经过SS上行数据调度，SS满足不同连接的QoS要求，将上行 数据发送给BS，完成一次调度过程，返回S1.2。图2是802.16宽带无线接入网络的MAC层QoS调度框架：25 8 02.16宽带无线接入网络的MAC层QoS调度框架主要部件包括分组 分类器，SS上行数据队列，SS上行数据调度器，BS上行带宽请求消息 队列，BS上行链路调度器，BS下行数据缓冲区和BS下行链路调度器。各个模块的功能在本说明书的技术方案部分做了详细介绍。图3是SS上行数据的总体调度策略-SS通过带宽请求消息从BS处获得上行链路的带宽。SS通过上行数 据调度器将请求来的带宽分配给不同优先级要求的数据连接。SS上行数 5据调度采用两级调度的方法。第一级调度器负责将SS总体带宽分配给不 同类别的业务；第二级调度负责将分配给某种业务组的带宽再分配给某 个队列。调度策略的详细说明参见本说明书的发明技术方案部分。图4是SS上行数据调度流程：宽带无线接入网络中SS上行数据调度过程有下面几个步骤： 10 S4丄启动调度过程；54.2. 调度器检查UGS业务的队列中是否有数据要发送，如果有UGS数 据要发送，则转到S4.6步骤，进入UGS队列调度器；如果所有UGS 队列都空闲，则进入S4.3;54.3. 调度器检査rtPS业务的队列是否有数据要发送,如果有rtPS数据要 15 发送，则转到S4.7步骤，进入rtPS队列调度器；如果rtPS队列都空闲，进入S4.4;54.4. 调度器检查nrtPS业务的队列是否有数据要发送，如果有nrtPS数 据要发送，则转到S4.8步骤，进入nrtPS队列调度器,如果所有nrtPS 队列都空闲，进入S4.5;20 S4.5.调度器检查BE业务的队列是否有数据要发送，如果有BE数据要 发送，则转到S4.9步骤，进入BE调度器，如果所有BE队列都空闲， 则表示一次调度过程己经完成，返回S4.1;54.6. UGS业务的队列调度，由UGS队列调度器采用固定带宽分配的方 法从多个UGS队列中选择一个队列，发送该队列的队首分组，进入25 S4.10;54.7. rtPS业务的队列调度，由rtPS队列调度器根据WFS调度算法在多个rtPS队列中选择一个队列，发送该队列的队首分组，进入S4.10;54.8. nrtPS业务的队列调度，由nrtPS队列调度器根据WRR算法在多个 nrtPS队列中选择一个队列，发送该队列的队首分组，进入S4.10;54.9. BE业务的队列调度，采用先进先出的原则，在多个队列中选择最 先到达数据缓冲区的数据发送，进入S4.10;54.10. 按照调度器调度的结果发送数据，完成一次调度过程，转到S4.1。