雷竞技网页版研究与评论-国际期刊雷竞技苹果下载

国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

菜单

在线刊号(2278-8875)印刷版(2320-3765)

所有提交的EM系统将被重定向到网上投稿系统．作者被要求将文章直接提交给网上投稿系统各自的日志。

移动WiMAX网络中提高QoS的带宽请求机制

Shwetha D1， Thontadharya H J1和Devaraju J T2
  1. 印度班加罗尔大学电子科学系研究学者
  2. 印度班加罗尔大学电子科学系副教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

更多相关文章请访问国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

摘要

IEEE 802.16e标准是为支持移动无线城域网的高带宽而设计的。为了支持多媒体应用的服务质量(QoS)， WiMAX中提出了多种带宽请求和调度机制，即用户站(SS)向基站(BS)发送带宽请求消息，基站(BS)根据可用的无线电资源授予带宽。为了提高WiMAX网络的QoS性能，提出了一种ertPS、rtPS和nrtPS的带宽请求机制。在提出的带宽请求机制中，SS通过考虑带宽请求授予过程中产生的往返延迟，为业务流请求额外的带宽。考虑吞吐量和延迟等指标，通过仿真评估了所提出的带宽请求机制的性能。

关键字
移动WiMAX，服务质量，带宽请求，调度

介绍
未来一代网络将以可变的高数据速率、服务质量(QoS)和无缝移动性为特征。下一代全球网络的一个重要方面是标准化，以允许供应商独立性和互操作性。802.16标准(WiMAX -全球互操作性微波接入)是由IEEE开发的，以满足下一代无线网络的要求。WiMAX作为宽带无线接入(BWA)技术之一，经历了巨大的发展和发展，旨在实现易于部署、高速数据速率、大跨度区域和大频谱等目标。IEEE 802.16e标准[1-2]引入了WiMAX的移动性，用户可以无处不在地访问网络。
移动WiMAX (802.16e标准)旨在支持无缝移动，同时保持差异化的QoS[1-2]。该标准通过将业务划分为不同的业务类型来支持QoS。802.16e中的服务类型被设计为支持语音、视频等实时应用和文件传输等非实时应用。WiMAX中定义的服务类型有UGS (Unsolicited Grant service)、ertPS (Extended Real-time Polling service)、rtPS (Real-time Polling service)、nrtPS (Non-Real-time Polling service)和BE (Best Effort)。标准中定义了这些服务类型的规格，如最小保留速率、最大持续速率、最大延迟、容忍抖动、流量优先级等，但标准没有指定任何调度架构。
在无线通信的各种资源中，带宽由于其稀缺性和介质共享特性[3]而成为最宝贵的资源。为了在提供QoS的同时提高带宽效率，移动WiMAX系统采用了组织良好的带宽请求、授权和轮询机制。带宽分配由基站(BS)管理，下行带宽仅由BS的下行调度器管理，但上行带宽由BS通过资源请求和授予过程分配给订阅站(ss)。为了提高WiMAX网络的QoS性能，提出了一种ertPS、rtPS和nrtPS的带宽请求机制。在提出的带宽请求机制中，SS通过考虑带宽请求授予过程中产生的往返延迟，为业务流请求额外的带宽。本文的其余部分组织如下。第2节概述了文献中的相关工作。第三节讨论了WiMAX中的带宽请求/授权机制。第4节介绍了带宽请求机制。第5节讨论了模拟结果，并在第6节中给出了结论。

相关工作
许多研究人员致力于WiMAX中的带宽请求/授权机制。在[4]中，为了提高单播轮询的带宽利用率，提出了一种ON/OFF流量的自适应轮询方案。在[5]中，作者讨论了用于带宽分配过程的上行和下行报文调度器以及用于QoS的准入控制。在[6]中提出了一种单播轮询的马尔可夫链模型。在[7]中，作者比较了基于争用机制和以循环方式轮询连接获得的性能。他们的结果表明，就带宽请求进程所消耗的资源而言，争用解决比单独轮询更有效。在[8]中，通过系统的M/G/1模型研究了IEEE 802.16e随机接入协议的性能。论文[9]比较了随机访问和轮询带宽请求机制，并分别提出了优化时延和目标带宽利用率的调度算法。文献[10-11]给出了WiMAX基于争用的带宽请求方案的解析模型。利用该模型计算了各争用槽在发送带宽请求时的容量，并从中求出了平均访问时延。 These measures are used to determine a proper configuration for the efficient operation of the contention-based bandwidth request scheme. Authors of paper [12] proposed bandwidth scheduling algorithm at SS for rtPS, wherein the SS predicts the arrival of rtPS packets prior to the arrival and requests the BS for bandwidth in advance. Authors of [13] investigated the impact of bandwidth request/grant schemes on BE traffic. In [14] the polling mechanisms in IEEE 802.16 networks are investigate, also a polling mechanism is proposed to optimize the performance.

wimax中的带宽请求/授权机制
WiMAX中的单个cell由一个BS和多个ss组成。在PMP (Point to Multipoint)模式下，由BS调度SSs之间的流量，SSs之间不直接通信。BS和SS之间的通信是双向的，即下行(从BS到SS)和上行(从SS到BS)。下行通道为广播模式，上行通道通过TDMA (Time Division Multiple Access)方式由多个SS共享。标准支持TDD (Time Division Duplex)模式，每个TDD帧由下行和上行子帧组成。下行子帧有下行映射(DL映射)和上行映射(UL映射)。DL映射包含子帧持续时间的信息，以及哪个时隙属于特定SS作为下行通道，UL映射由包含传输机会的信息元素(IE)组成。
为了在支持QoS提供的同时提高带宽使用效率，移动WiMAX系统采用了组织良好的带宽请求、授权和轮询机制，这些机制由五种不同类型的调度服务支持。上行链路有数据发送时，SS向BS发送带宽请求消息。SS在每个连接的基础上请求带宽，并获得分配给其所有服务的聚合带宽，这通常是每个用户站(GPSS)类型的带宽授予。
答:请求
请求是指SS通知BS需要分配上行带宽的机制。请求通常在独立带宽请求信号上发出，但可选地，它可以作为上行链路数据突发的承载发出。当上行链路突发配置文件动态变化时，根据携带MAC报头和有效载荷所需的字节数提出请求，不包括PHY开销。除初始测距间隔外，在任何上行链路分配期间都可以发送带宽请求消息。除UGS业务类型外，所有业务类型均允许背带带宽请求和带宽窃取。
请求可以是增量的，也可以是聚合的。如果是增量请求，则BS将请求的带宽添加到连接的当前带宽中;如果是聚合请求，则BS将连接的当前带宽替换为新请求的带宽。请求类型在带宽请求报头的type字段中指定。增量请求能力对于SS是可选的，对于BS是必须的，而聚合请求能力对于SS和BS都是必须的。
b .资助
SSs的每个带宽请求都引用单个连接，每个带宽授予都指向SSs的基本连接标识符(CID)，而不是单个CID。通常带宽授予采用不确定的模式，因此某些ss可能会碰巧获得比预期更少的带宽授予。因此，SSs应准备好根据BS收到的最新信息执行后退和重复请求。
c .轮询
轮询(Polling)是指BS为SSs分配带宽，用于发出带宽请求的过程。这样的分配可以分配给个别的特殊价值单位，也可以分配给一组特殊价值单位。后一种情况下，组内的多个ss之间会发生带宽请求争用。分配不是以显式消息形式进行的，而是以UL-MAP中的一系列ie进行的。轮询是在SS的基础上完成的，就像带宽分配一样，而带宽请求是在CID的基础上完成的。当对SS单独进行单播轮询时，不需要显式消息来轮询SS。表1给出了调度服务的分类及其轮询方法。

建议的带宽请求机制
本文提出了一种带宽请求机制，其中SS通过估计带宽请求授予过程中可能到达的数据包以及已经到达的数据包的带宽来请求额外的带宽。相反，在基本带宽请求机制中，SS只对已经到达的数据包发送带宽请求。
在WiMAX系统中，SS的调度器为ertPS/rtPS/nrtPS连接发出带宽请求，用于数据传输。为了响应SS的请求，BS将根据可用性提供等于或小于请求带宽的带宽。在特定时刻请求的带宽取决于服务流队列中的总字节数。BS收到带宽请求后，将带宽分配给SSs所需的时间取决于BS的分配机制和活动SSs的数量。因此，在带宽请求-授予过程中，可能会有相当大的延迟(T点播−格兰特)，在此期间，可能会有新的数据包到达业务流队列。SS必须为这组新数据发送新的带宽请求，这可能已经在间隔期间到达，这也可能导致额外的延迟。为了克服这种延迟，在提出的带宽请求机制中，SS估计可能在(T)期间到达的数据点播−格兰特)，然后再为业务流提出带宽请求。然后SS为估计的数据包请求额外带宽，并为已经到达的数据包请求带宽。图1展示了所提出的带宽请求机制的流程图。图中实线部分是基本机制，虚线部分是对基本机制的改进。
A.数据估计
设在时刻t1, SS为业务流请求带宽，在时刻t2, BS授予带宽。然后是T点播−格兰特区间在方程1中给出。
方程(1）
为了估计T期间到达的数据量点播−格兰特区间内，该算法考虑业务流的最大持续速率。设M为业务流的最大持续速率，即业务的峰值信息速率(bps)。到达的平均数据字节数(BA估计)在时间持续时间内点播−格兰特由方程2给出，
方程（2）
SS请求BA所需的额外带宽估计以及队列中已经存在的数据字节所需的带宽。

模拟及结果
利用qualnet5.2模拟器[15]对所提带宽请求机制的性能进行了仿真评估。在2Km × 2Km的模拟区域内考虑单个WiMAX单元，工作频率为2.4 GHz。所选路径损失模型为双射线恒影模型，阴影均值为4dB。所考虑的仿真参数如表2所示。
A.场景一
在这个场景中，考虑一个由单个BS和10个ss组成的WiMAX单元。本场景旨在研究所提出的单SS带宽请求机制的性能，图2和图3分别给出了场景1的系统建模和场景1的快照。SS1(所研究的SS)发送5条业务，分别映射到UGS、ertPS、rtPS、nrtPS和BE到SS2。UGS和ertPS考虑的数据速率为64Kbps, rtPS和nrtPS考虑的数据速率为512Kbps, BE服务考虑的是FTP。为了产生争用，让其他SSs传输映射到UGS的5个CBR流量(图2)。通过考虑实时业务和非实时业务的吞吐量和延迟作为性能指标，对所提出的带宽请求机制和基本带宽请求机制进行了仿真研究。
图4和图5给出了所研究的SS请求的带宽，以及在模拟时间内分别收到的带宽授权。从图4可以看出，与基本机制相比，所提机制所要求的带宽更多，因为SS在所提机制中要求额外的带宽。从图5可以明显看出，与基本机制相比，SS在所提出的机制中获得了额外的带宽。
实时业务和非实时业务的吞吐量性能随仿真时间的变化情况分别如图6和图7所示。从图6和图7可以看出，与基本机制相比，本文机制赋予SS额外的带宽，使得实时和非实时服务的吞吐量性能都有了很大的提高。
图8和图9分别给出了实时和非实时业务对仿真时间的时延性能。从图8和图9可以看出，与基本机制相比，所提机制的延迟性能更好，因为SS通过在带宽请求-授予时间间隔内估计数据包到达来请求额外带宽，所提机制在带宽请求-授予时间间隔内到达的数据包遇到的延迟较小，且该间隔相当大。
B.场景二
本场景保留场景1的设计，所研究SS的ertPS、rtPS和nrtPS连接的总数据速率在2Mbps到20Mbps的2Mbps insteps之间变化。将实时业务和非实时业务的吞吐量和延迟性能作为性能指标。
图10和图11分别给出了不同数据速率下实时业务和非实时业务的吞吐量性能。从图10和图11可以看出，对于较低的数据速率，基本算法和提出的算法的吞吐量性能几乎相同。对于更高的数据速率，所提出的算法的吞吐量性能明显优于基本算法，因为在所提出的算法中SS接收到额外的带宽。
图12和图13分别给出了不同数据速率下实时业务和非实时业务的时延性能。从图12和图13可以看出，与基本算法相比，本文算法的延迟性能要好得多，因为在本文算法中，在带宽请求授予时间间隔内到达的数据包与发出带宽请求时已经到达的数据包一起被发送。

结论
在IEEE 802.16e WiMAX网络中，为了减少数据冲突和支持各种QoS要求，采用了带宽请求授权方案。SS向BS发送带宽请求消息，BS根据可用带宽授予带宽。为了提高WiMAX网络的QoS性能，提出了一种ertPS、rtPS和nrtPS的带宽请求机制。利用QualNet仿真器实现了该算法。通过仿真评估了所提出的带宽请求机制的性能，并与基本算法进行了比较。仿真结果表明，该算法的性能明显优于基本算法。

表格一览
表的图标 表的图标
表1 表2

数字一览
图1 图2 图3 图4 图5
图1 图2 图3 图4 图5
图1 图2 图3 图4 图5
图6 图7 图8 图9 图10
图1 图2 图3
图11 图12 图13

参考文献















全球科技峰会