流量監控

為了使上游流量適應可用的帶寬資源，避免不必要的報文丟棄和擁塞，系統要對分類后的業務流進行流量監控。本模塊采用令牌桶算法，策略如下：當報文到來后，只要令牌桶中有令牌，無論數量是否足夠，都可以轉發報文，同時令牌桶中的令牌量按報文的長度做相應的減少。當令牌數量小于報文長度時，就可以欠債轉發，即轉發后令牌桶中令牌數目為負，在下次添加令牌的時候，先還清所欠債務，再繼續轉發報文。這種借貸處理方法在處理突發報文時有優勢，能夠在限制流量的同時，保證報文發送的連續性，很好地除抖動的影響。系統為實時業務流預留一定的帶寬，并優先處理實時業務。非實時業務流和BE業務流的突發性較高，業務量相對繁重，這類業務是流量監控的工作主要對象。

實時調度器

實時調度器負責對帶寬和延時要求比較嚴格的實時業務流，包括UGS業務流、rtPS業務流和nrtPS業務的輪詢流。由于業務的實時性，在業務延時后，無法也無需補償其帶寬。也就是說一定要保證實時業務的時延需要，盡量避免某一實時業務長時間等待現象，同時使各業務流的延時在可容忍的門限內。考慮到這些因素，實時調度器中采用不依賴于信道狀態的包公平排隊CIF-Q(Channel Independent Fair Queuing)算法。CIF-Q算法的核心是起始時間公平排隊(SFQ，Start time Fair Queuing)算法，通過參考無錯服務系統，業務流可劃分為領先流、落后流和正常流三類。流的落后(領先)度為無錯服務和真實服務之差。如果領先流獲得了一個調度機會，則以概率α放棄它，被放棄的機會分配給具有最大落后度的落后流。在這種補償策略下，落后流可以接受額外服務，而同步流不會受到干擾，領先流將會優美地降低它們的服務。概率α的值是由網絡狀態和實時業務流的QoS參數(授權大小、輪詢間隔、最大輪詢時延抖動和最小預約速率等)決定的。

下面是對算法模型的偽代碼描述，并將在NS2仿真中采用C++實現。

參數初始值：

Vi=max(Vi, min{Vj | j∈A})

lagi=0

參數更新：

Vi+=packetik. length / ratei

lagi±=packetik·length

業務調度：

選擇業務流i = min{Vi | iA};若業務流i落后，并可正常發送，則調度業務流i，更新Vi;若業務流i落后，但不可正常發送，則選擇業務流j = max{lagk/rk | k∈A ∧packetjk可發送}進行調度，更新Vi、lagi、lagj;若業務流i領先，則以概率1-a正常調度業務流i，更新Vi;概率a放棄調度業務流i，選擇業務流j=max{lagk/rk | k∈A ∧packetjk可發送}進行調度，更新Vi、lagi、lagj;

其中：Vi：業務流i的虛擬時間

lagi：業務流i的落后/領先度

packetik：業務流i的第k個包

ratei：業務流i的速率

非實時調度器

非實時調度器主要負責實時性較弱的nrtPS業務流。非實時業務對延時的要求不高，更加關注的是在適應無線鏈路特性的同時，如何應對繁重的業務流、保證吞吐量。基于這些理由，非實時調度器采用基于業務類型排隊(CBQ，Class-Based Queuing)的適應無線信道狀態調度算法CSDPS(Channel State Dependent Packet Scheduling)。CSDPS部分用于處理無線鏈路的變化，它將每一個SS的分組數據信息都保存在一個獨立的隊列中，并按照先入先出(FIFO)順序處理每個隊列中的分組數據。設置一個鏈路狀態監視器，用來監視所有SS的鏈路狀態信息，當某無線鏈路處于異常狀態時，則標記該隊列，使之暫停服務。一段時間后取消對它的標記，該隊列可以重新進行資源調度。CBQ跟蹤每個SS隊列在確定時間間隔內收到的業務數量，并且限制超過應分配共享帶寬的SS在未來分配資源的大小，提供整個無線信道共享的公平性機制。

參數初始化：

blocktimei=0

consumei=0

參數更新：

blocktimei+=d

consumei+= packetik·length

業務調度：

每間隔d時間重新初始化consumei;更新blocktimei;blocktimei >a，取消對隊列SSi的標注;選擇未被標注且consumei未超標的隊列SSi;若隊列SSi的數據流可正常發送，則調度packetik，并更新consumei;若隊列SSi的數據流不可正常發送，則標注SSi，并初始化blocktimei;

其中：blocktimei：隊列SSi的暫停時間

consumei：隊列SSi已消耗的數據量

packetik：隊列SSi的第k個數據包

a：當隊列被標注后，恢復正常所需時間

d：時間間隔量

BE調度器

BE調度器主要負責對服務質量不作要求的BE業務流，不須為其提供完備的QoS保證。考慮到BE業務流的典型業務是Internet網絡瀏覽等，實時性要求較低，無須考慮服務中斷的應對，采用簡單的先入先出(FIFO，First In First Out)算法即可滿足其需求。

總調度器

總調度器負責對不同類型的業務進行調度，在體現各種業務享有不同級別服務質量的同時，還要在三種子調度之間找到一個平衡點，達到相對公平的目的，防止諸如實時業務壟斷帶寬或實時業務被阻塞等現象的發生。這包含兩個方面的內容：一、穩定三類業務間的結構;二、適應業務流變化。為此，總調度器采取如下策略和措施：為實時業務預留一部分帶寬BUGS，為突發流預留一部分帶寬Bburst，其余的帶寬按一定比例分配給三類業務流。當請求比例外帶寬時，優先授權予實時業務，非實時業務次之，BE業務最低優先級。當三類業務流間的帶寬需求結構發生變化時，要適當調整帶寬的分配比例。考慮到對帶寬的充分利用，當由于無線信道誤碼或其他原因造成某一正在傳遞數據的連接暫時中斷，系統會將連接所占帶寬臨時分配給別的連接，為了實現公平性，在暫時中斷服務的連接恢復正常后，系統應對中斷連接作出帶寬補償。UGS等業務流實時性很強，若連接恢復后再對連接作出帶寬補償沒有多大意義。對于BE業務，調度不保證其服務質量，因此BE業務也無補償。而nrtPS流業務量繁重，一旦中斷連接必然導致大量數據滯留，必須考慮連接恢復后的帶寬補償問題。

總調度器算法模型偽代碼描述如下：

檢查進入調度的數據流的類型，確定此類型的比例帶寬(Brt或Bnrt或BBE)是否有剩余：若有，則進入相應的子調度器，并更新剩余的比例帶寬;若無，則進入brust業務處理方法。

brust業務：若Bbrust+Bremain>0，則按照rtPS>nrtPS >BE的優先順序處理數據流，并更新Bbrust、Bremain。對未取得Bbrust的業務標識為NeedCompensate。

業務補償：若Bremain>0，則對標識為NeedCompensate的業務分配Bremain的帶寬，進入相應子調度，并更新Bremain。

BUGS：UGS業務保留帶寬

Brt、Bnrt、BBE：實時業務、非實時業務和BE業務的比例帶寬

Bremain：剩余帶寬

仿真結果

由UC Berkeley開發的免費、開源的多協議網絡仿真軟件NS-2是一個事件驅動的模擬器，它可以屏蔽對操作系統的實際訪問，近乎真實地模擬網絡環境。由于NS-2本身中不包含WiMax模塊，這里采用對QoS支持較為完善的長庚大學開發的WiMax 2.03模塊。本文對調度架構中所涉及的調度算法用C++進行描述，然后采用Otcl腳本語言建立WiMax模擬場景，并獲取的仿真數據結果。針對無線信道特性導致的高誤碼率，本文模擬1個BS(Base Station)和4個SS(subscriber station)組成的WiMax網絡，仿真場景如圖 2所示。誤碼率設為1%，最大誤碼時長16個時間間隔。通過對仿真數據的分析和對比，可以得到算法的吞吐量、延時和速率等性能參數。本架構算法與通常調度算法的對比見圖 3、圖 4(取樣時間為0.1秒)。

圖 2 仿真場景圖

圖 3是UGS、rtPS等實時業務在采用CIFQ算法和FIFO算法時的延時對比。可以看出，在業務擁擠，出現信道錯誤時，FIFO算法會產生峰值毛刺，出現長延時現象。相比之下，雖然CIFQ算法的總延時增加2%，但延時波動較為平穩，且無長延時現象，這證明CIF-Q算法能夠在有效應對信道錯誤的同時，滿足了實時業務的延時和抖動需求。

圖3 實時業務延時對比圖

表1 主要性能參數對比表

　　圖4是非實時業務在采用CBQ-CSDPS算法和FIFO算法時的吞吐量對比。明顯可以看出，在信道現在錯誤時，FIFO算法會導致吞吐量急劇下降。而CBQ-CSDPS算法能夠很好應對信道錯誤，持續高吞吐量作業，總的吞吐量比FIFO算法多出近15%。這證明CBQ-CSDPS算法更有利于非實時業務高效率地使用帶寬。

圖4 非實時業務吞吐量對比圖

在仿真無線特性的高誤碼的場景下，本架構的延時、吞吐量和丟包等方面的表現見表 1。采用本架構后，實時業務的延時/抖動有明顯改善的同時，吞吐量有了一定的提升，丟包率減少了約30%;對于非實時業務在采用本架構后吞吐量提升十分顯著，丟包率也減少了約30%，但代價是延時增加了近15%。表面上看，本架構似乎有得有失，但內在卻有了質的變化：本架構以總延時的少量增加換得對延時抖動的限制、丟包率和吞吐量的提升，從而滿足實時業務的延時和抖動需求;非實時業務以其非注重的總延時兌得吞吐量的極大提升，滿足了非實時業務的高速率暢行。這說明本調度架構的算法在高誤碼率的狀況下，能夠較好地滿足各類型業務需求。

結語

本文結合CIF-Q和CBQ-CSDPS等調度算法，提出一種適合于WiMax的MAC層QoS調度架構。該架構結合分級分組調度算法，充分利用帶寬控制、資源預留和流量監控等策略和機制。通過NS仿真對算法進行仿真，得出如下結論：①能夠適應時間、位置相關的等無線信道特性的高誤碼率;②為不同類型業務采用相應算法，滿足UGS和rtPS業務的實時性，保證了nrtPS業務的最小速率，兼顧了BE業務的需求;③系統整體具有較高吞吐量、公平性和較小時延。但在無線功耗、分布式無線網絡的位置相鄰等問題，還需要進一步探討。