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WiMAX Mesh 网络中一种基于QoS 保障的、吞吐率-效率最优的分布式调度算法

QoS-TEOS: QoS Guaranteed Throughput-Effciency Optimal Distributed Scheduling in WiMAX Mesh Networks

  • 摘要: 1.本文的创新点
      1)将WiMAX Mesh 网络分布式调度建模为两个过程:三步握手过程及数据子帧调度过程。两个过程的区分有助于分别研究各过程对网络性能及用户服务满意度的影响。
      2)首次从网络性能与用户体验两方面研究数据子帧调度,利用吞吐率与网络效率表征网络性能,用户服务满意度及丢包率表征用户体验。
      3)将网络服务划分为不同等级,为不同的等级分配相应的优先级。相比于低优先级的服务,高优先级服务将优先获得调度,且获得更好的服务质量;将QoS 需求类似的服务划分入同一集合,不同集合应用不同的调度策略。通过如上两种方式的结合提高用户服务满意度。
      4)理论分析了数据子帧调度中实现吞吐率-效率最优的方法,即数据子帧调度应平衡上层协议栈的数据发生率与物理层的数据发送率,并证明了该方法的正确性。

    2.实现方法
      首先将 WiMAX Mesh 网络分布式调度建模为两个过程:三步握手过程及数据子帧调度过程。利用传输持续帧数n 及每帧中的传输所占用的时槽Dx 表征数据子帧调度的结果。
      将网络服务划分为不同等级,为不同的等级分配相应的优先级。相比于低优先级的服务,高优先级服务将优先获得调度,即分配Dx,且获得更好的服务质量;根据QoS 需求的相似性,将类似的服务划分入同一集合,如要求恒定带宽的服务集合、可变带宽的服务集合、尽力服务的服务集合,不同集合应用不同的调度策略,该调度策略体现在对Dx 分配后的调整过程。
      通过理论分析,得出数据子帧调度应平衡上层协议栈的数据发生率与物理层的数据发送率,以实现吞吐率-效率最优化。根据Dx 的分配结果,数据子帧调度为每个服务分配n,当分配的n 大于理论需求时,分配的时槽中将出现空闲时槽,造成网络低效率;当分配的n小于理论所需时,分配的时槽无法传输所有数据,引发丢包,造成网络低吞吐率。
      在计算得出 Dx 与n 的最佳值的基础上,根据网络实际情况,如可用时槽表,两跳邻居域内的传输数量等,对带宽请求进行带宽授予,完成数据子帧调度的全部过程。

    3.结论及未来待解决的问题
      WiMAX Mesh 网络的分布式调度可以建模为两个部分:三步握手过程与数据子帧调度过程。相比于握手过程,数据子帧调度过程对网络性能及用户满意度的影响更大。
      本文提出一种基于QoS 保障、吞吐率-效率最优的分布式数据子帧调度方案,称为QoS-TEOS。QoS-TEOS 通过两种方法提升用户满意度:1)将具有相似QoS 需求的服务划分入同一集合,不同集合应用不同的调度策略;2)将服务划分为不同等级,并分配相应优先级,具有高优先级的服务将优先获得调度,且获得更好的服务质量。QoS-TEOS 通过平衡上层协议栈的数据发生率与下层协议栈的数据发送率的方法提升网络性能。实验结果表明,QoS-TEOS 可以大幅提高网络性能且实现良好的服务质量保障。
      带宽是 QoS-TEOS 对于QoS 保障的主要关注点,在未来的研究中将考虑其它参数,如延迟与抖动。通过减少延迟与抖动,使如音视频等服务获得更好的服务质量。

    4.实用价值或应用前景
      WiMAX 无线技术是未来4G 网络的主要技术之一,其传输距离较大,适合城区网络的覆盖。QoS-TEOS 算法从网络性能及用户体验两个方面对WiMAX Mesh 网络进行了优化。因此,将有助于未来WiMAX Mesh 网络的搭建与普及,并有助于提高用户的服务体验。其次,该算法给出了关于服务区分及调度的一般方法,该方法具有良好的可扩展性,适合在未来多媒体应用广泛流行的时代,提供良好的服务质量保障。另外,QoS-TEOS 算法具有普适性,该算法同样适用于如UWB 等基于时槽的网络技术。因此,本文的算法具有良好的实用价值与应用前景。

     

    Abstract: WiMAX distributed scheduling can be modeled as two procedures: three-way handshaking procedure and data subframe scheduling procedure. Due to manipulating data transmission directly, data subframe scheduling has a closer relationship with user Quality of Service (QoS) satisfaction, and has more severe impact on network performance, compared with handshaking procedure. A QoS guaranteed Throughput-Efficiency Optimal distributed data subframe Scheduling scheme, named as QoS-TEOS, is proposed. QoS-TEOS achieves QoS guarantee through modeling services into different ranks and assigning them with corresponding priorities. A service with higher priority is scheduled ahead of that with lower priority and offered with high QoS quality. Same kinds of services that request similar QoS quality are classified into one service set. Different service sets are scheduled with different strategies. QoS-TEOS promotes network performance through improving network throughput and efficiency. Theoretical analysis shows that the scheduled data transmission should balance data generation rate from upper layer and transmission rate of physical layer, to avoid network throughput and efficiency declining. Simulation results show that QoS-TEOS works excellently to achieve throughput-efficiency optimization and guarantee a high QoS.

     

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