宽带无线因特网络中的加权轮循调度算法

　第36卷第9期　2002年9月

上海交通大学学报

JO U RN A L O F SHA N GHA I JIA O T O NG U N IV ERSIT Y

Vol.36No.9　S ep.2002　

收稿日期:2001-09-07

作者简介:铁　玲(1970-),女,吉林长春人,讲师,主要从事计算

机网络研究.

文章编号:1006-2467(2002)09-1288-03

宽带无线因特网络中的加权轮循调度算法

铁　玲,　李建华,　诸鸿文

(上海交通大学电子工程系上海200030)

摘　要:无线分组调度是保证无线多媒体业务服务质量的一个重要方面.针对码分多址(CDM A)传输模式,对可变速率实时业务(VBR )的调度策略进行改进,提出了一种基于传输速率的无线调度算法.仿真结果表明,该调度算法在满足各业务服务质量的同时,保证了各服务之间的公平性,并对无线链路差错进行补偿.

关键词:无线因特网络;轮循;调度;码分多址复用;服务质量中图分类号:T N 915.4 文献标识码:A

Weight Round Robin Scheduling Algorithm in Broadband Wireless I nternet Network

TI E L ing ,　L I J ian -hua ,　ZH U H ong -w en

(Dept .of Electronic Eng .,Shanghai Jiaotong Univ .,Shanghai 200030,China )

Abstract :Wireless packet scheduling is an important aspect to suppor t the multimedia quality of ser vice.This paper proposed a scheduling alg orithm based on transm ission rate that is suitable fo r CDMA mo del,adopting w eight round robin algor ithm fo r v ariable r eal tim eservice ,such as V BR .T he simulation sho w s that this kind of algo rithm w ill guarantee QoS and ensure the fairness of each service.It can compensate the err or o f w ir eless link.

Key words :w ireless Internet netw orks ;round r obin ;scheduling ;code div ision multiple access (CDMA );quality of service (QoS )

无线IP 网络包括一个有线的骨干网和无线接入网.随着宽带无线网络的发展,无线IP 网络将能承载多媒体业务.为此,必须在无线IP 网络中提供服务质量(Qo S)保证机构.无线分组调度是QoS 保证的一个重要方面.

目前,有线网络已经存在多种分组调度算法,大量的研究主要集中在通用处理器共享(GPS)[1]策略上,其最主要的特点是:(1)能为有延迟限制的流提供延迟保证;(2)能对各个流进行隔离,维护公平的链路容量的分配.无线分组调度的目的是有效利用

无线通道来为不同类型的移动用户传输分组,以确保其服务质量并维护呼叫期间的吞吐量.调度器必须能在无线链路差错限制下保证带宽和延迟边界.

以往的无线调度算法一般是依靠所谓的虚时间实现的.这种基于时间的调度策略非常适合于时分多址(T DM A )无线环境.但是将来的无线IP 网络主要采用码分多址(CDMA )技术,基于分组的时间调度策略将不应简单地应用于CDM A 网络.为此,本文将考虑基于速率的调度算法[2,3].

在CDM A 系统中,发送端将信息比特转换为码率R c /U ,其中R c 为码片速率(扩频带宽),U 为扩频因子(每一符号中的码片数目).本文假定R c 是固定的,U 决定服务速率(通道速率).对于实时性要求不是很强的业务,不需要严格地考虑延迟/抖动保证,

而是采用近似于加权的轮循调度算法[4]

.

1　加权的轮循调度算法

本文采用最小速率保证和预留速率概念,将通道条件坏的用户服务速率给通道条件好的用户使用,并在通道条件恢复后,补偿由于通道差错而引起

的速率降低.设无线系统的链路容量为C ,N 个用户共享.B (t n )为在时间t n 内积压流的集合.定义如下流参数:

(1)(B i ,M i , i )—流i 的流描述.其中B i 为最大突发尺寸,M i 为最小确保速率, i 为流i 的权值;

(2)T —刷新时间间隔,计算服务负载的间隔;

(3)t n —刷新时间间隔的起始时间,t n =t n -1+T ,n >1;

(4)R r

i (t n ,t n +1)—积压流i 在第n 个刷新阶段预留的服务速率,它能满足流i 的流参数;

(5)R e i (t n ,t n +1)—积压流i 在第n 个刷新阶段的扩展服务速率;

(6)R i (t n ,t n +1)—积压流i 在第n 个刷新阶段的确保速率,即

R i (t n ,t n +1)=R r i (t n ,t n +1)+R e i (t n ,t n +1)

(1)

(7)R e i (t n ,t n +1)—积压流i 在第n 个刷新阶段遭遇通道差错时,在下一时刻需要补偿的速率;

(8) i (t n ,t n +1)—积压流i 在第n 个刷新阶段的分组传输数目;

(9)r i (t n ,t n +1)—积压流i 在第n 个刷新阶段的服务速率.

在通道无差错时,短期公平性条件为

R i (t n ,t n +1)

R j (t n ,t n +1)

≥ i j j =1,2,…,N (2)

在通道有差错的情况下,长期公平性条件为

r i (t n ,t n +1)r j (t n ,t n +1)≥ i

j

j =1,2,…,N

(3)

在通道无差错时,积压流i 的预留速率为

R r i (t n ,t n +1)=

m in [M i +B i /T ], -(n +1)M i +

B i

T ∑n -1

j =0

m in R r

i (t j ,t j +1), i (t j ,t j +1)-

(4)

为了能更加公平地分配带宽,在保证最小服务质量的前提下,通道的剩余带宽可以为N 个用户共

享.积压流i 的扩展服务速率为R e i (t n ,t n +1)=

- i

∑

j ∈B (t

n

)

j

C -∑j ∈B (t n

)

m in{R r j

(t n

,t

n +1

,

i (t n ,t n +1))}-

(5)

无线通道分为2个状态: 好状态,此时分组能被正确传送; 坏状态,此时分组不能被正确传送.考虑目前的时间为t ,并且有n 个刷新时间,t n ≤t ≤t n +1.遭遇差错的流将把其所占有的服务速率分给其他流,这一流将在通道恢复正确时被补偿.通过补偿策略,调度器将能够保证长期公平性.

加权轮循(WRR)算法主要针对非实时可变速率业务(V BR).以往的WRR 方法主要是对发送流所需时间片进行分割.在固定的一段时间内,根据每个流的加权值,分配一部分时间片给所需用户.将来的无线IP 网络中,主要采用CDMA 技术,基于分组的时间片调度策略不能简单地应用于CDM A 网络[2,3].为此,本文对原有的WRR 算法进行了修改.如果没有遭遇通道差错,运用WRR 的基本思想,将网络的发送速率按权值进行分配,设网络中使用W RR 的用户有m 类,则分配给用户m 的带宽为

R m VBR (t n ,t n +1)=

∑j ∈B

R j

(t n

,t

n +1

)

m ∑j ∈B

j

(6)

和传统的WRR 不同,由于无线链路会遭遇通道差错,需对其进行补偿.经历坏通道的用户为了保证长期的公平性需要在下一个时间段进行补偿,需要分配一部分带宽给滞后分组.

使用比例参数 ,将使超前流放弃至多1- 的流.这样大约有(1- )R m V BR 部分的流被分配给滞后的流,剩余流的带宽为 R m

VBR .这样,带宽分配策略可表示为

r m

var (t n ,t n +1)=

(1- )

m

∑j ∈B

j

+

m

∑

j ∈B

c

k R VBR (t n ,t n +1)(7)

m ∈B c

r m var (t n ,t n +1)=(1- )

m

∑

j ∈B

j R var (t n ,t n +1)(8)m ∈B -B c

其中:

=

1- min e-1e 1-x +e min -1

e-1

x =

∑

j ∈NoN i (t )

j ≠

j

j

∑

j ∈NoN i

(t )

j

No N i (t )为非超前流的集合;B c 为需要补偿的滞后流的集合.

此算法中,最关键的因素是选择参数 ,它是一个动态的降低因子,将反映超前流的数目.若 =0,一个超前流将不会将它所分配的服务速率与其他流分享.为此,需要对 进行动态调整.如图1所示,

1289

　第9期

铁　玲,等:宽带无线因特网络中的加权轮循调度算法

为一指数降低函数,有一个最小值 min ,它代表了非阻塞流的数目;x 表示非超前流的数目和非超前流与过分超前流总和数目的比值

.

图1　动态降低因子 的取值

F ig.1　Dynamic g r aceful deg ra dation v alue

2　仿真结果

为分析WRR 算法,假定网络中只存在VBR 业务流.仿真中采用4个VBR 流,假定通道差错只应用于两个流(流0和流2).设调度器知道每个流的通道状态,流2和流3的加权是流0和流1加权的2倍.链路带宽B =2M b /s .仿真结果如图2所示

.

图2　W RR 调度算法的带宽分配

F ig.2　Bandwidth allocatio n of W RR scheduling algo r ithm

由图2可见,各个流按权值公平地占据所需带宽,在通道遭遇链路差错时,可以通过补偿来实现公平占据带宽.

3　结　语

本文针对宽代无线IP 网络中实时性要求不是很高的实时传输业务,给出了相对于CDM A 传输模式的调度算法.提出了一种能动态调整补偿值的加权轮循调度算法.仿真结果显示,该方法能保证各业务流的公平性,并且实现起来相对简单.

参考文献:

[1]　Par ekh A K,G allag er R G.A g ener alized pro cessor

sha ring appr oach to flow co ntro l in int egr ated ser vices netwo r ks:

the sing le -node case [J ].

IEEE /ACM

Transactions on Networking ,1993,1(3):344-357.[2]　Ramanathan P ,A g raw al P.

A daptive packet fair

queuing alg or ithms to w ir eless netw or ks [A ].

In

Fourth Annual ACM /IEEE Internation Conf erence on Mobile Computing and Networking [C ].N ew Y or k :[s .n .],1998.

[3]　T se N ,Sto ica I ,Z hang H .Packet fair queuing algo -rithms for wireless netwo rks with location dependent err or s [A ].Proc IEEE INFOCOM '98[C ].New Y or k:[s.n.],1998.

[4]　L u S,N andag o pal T ,Bharg havan V.A w ir eless fair

serv ice alg or it hm for packet cellular netw or ks[A ].In Fourth Annual ACM /IEEE International Conf erence on Mobile Computing and Networking [C ].New

Y or k:[s.n.],1998.

(上接第1287页)参考文献:

[1]　Schmidt R O.M ultiple emitt er location and sig nal

par amete r estimat ion [J].IEEE Trans on AP ,1986,34(3):276-280.

[2]　Z iskind I ,W ax M .M aximum likeliho od localizatio n

o f multiple so ur ces by alter nating pro jections [J ].IEEE Trans on ASSP ,1988,36(10):1553-1560.

[3]　V iber g M ,Ott ersten B.Senso r arr ay pr ocessing

based o n subspace fitting [J ].IEEE Trans on SP ,1991,39(5):1110-1121.

[4]　F riedlander B,W eiss A J.D ir ect ion finding in t he

pr esence of mutual coupling [J].IEEE Trans on AP ,1991,39(3):273-284.

[5]　See C M S.Senso r ar ray calibr atio n in the pr esence of

mutual co upling and unkno wn sensor gains and phases [J ].Electron Lett ,1994,30(5):373-374.

[6]　See C M S .M ethod for arr ay calibrat ion in hig h -reso -lution sensor arr ay pr ocessing [J].IEE Proc Radar ,Sonar Navig ,1995,142(3):90-96.[7]　N g B C,See C M S.Sensor -ar r ay calibra tio n using a

max imum-likelihoo d appr oach [J ].IEEE Trans on

AP ,1996,44(6):827-835.

[8]　贾永康,保　铮,吴　洹.一种阵列天线阵元位置、幅度

及相位误差的有源校正方法[J ].电子学报,1996,24(3):47-52.

JIA Yo ng-ka ng ,BAO Zheng ,W U Huan.A new cali-br ation technique with sig na l so ur ces fo r po sitio n,gain and phase uncerta inty o f sensor a rr ay [J].Acta Electronica Sinica ,1996,24(3):47-52.

1290

上　海　交　通　大　学　学　报

第36卷