高速無線個人網協議中基於信道的調度方法
2023-11-12 05:25:47 1
專利名稱：：高速無線個人網協議中基於信道的調度方法
技術領域：
：本發明涉及本發明涉及無線個人網絡的相關
技術領域：
，具體地說是高速無線個人網協議中基於信道的調度方法。
背景技術：
：基於正EE802.15.3的高速無線個人網絡協議中採用時分復用多址方式和集中式的信道分配機制來提供多用戶之間的數據傳輸。在該標準中，最基本的時間結構為超幀(如圖l)，每個超幀中包括若干信道時隙分配(CTA)用以該CTA所指定的設備之間的數據傳輸。CTA由網絡控制設備(PNC)根據特定的調度算法進行分配。該分配結果由網絡控制設備在每個超幀開始的信標幀(Beacon)中進行廣播。管理信道時隙分配(MCTA)是特殊的CTA，用於網絡設備和網絡控制設備之間的信令交互。需要進行數據發送的設備負責在隨機接入信道，對應於每個超幀中的競爭接入時期(CAP)中向網絡控制設備發送所請求信道資源的數量和信道資源分配所需要的調度信息。IEEE802.15.3物理層工作在不需要許可證的2.4GHz至2.4835GHz之間，物理層的傳輸速率有llMbps、22Mbps、33Mbps、44Mbps和55Mbps五種，系統規定的符號傳輸速率為11Mbps,與五種速率相對應的編碼調製方式分別為網格編碼調製(TrellisCodedModulation,TCM)QPSK、DQPSK、TCM16QAM、TCM32QAM和TCM64QAM。通過傳輸速率的自適應調整，可以有效的提高系統的吞吐量和誤碼率性能。由於正EE802.15.3協議未對信道資源調度算法做出規定，傳統的固定長度時隙的調度算法又無法充分利用信道資源，這就為高效的基於信道狀態的調度算法的應用提供了前提和實用意義。基於信道的調度算法已廣泛採用於cdma2000lxEV-DO，HSDPA，EVDO，4G等系統中，而在正EE802.15.3高速無線個人網中尚未提出和採用。目前廣泛關注的基於信道的調度算法有l)MAX-RATE算法；2)PROP-FAIR算法；3)M-LWDF算法；4)EXP算法。MAX-RATE算法的基本做法是根據數據流當前信道狀況所支持的傳輸速率將其從大到小排序，並按照這種順序對數據流進行信道資源的分配。其公式表示如下formulaseeoriginaldocumentpage3(1)其中A(0為對應於數據流i的無線信道當前所支持的數據傳輸速率。PROP-FAIR算法曾在cdma2000lxEV-DO(dataoptimized)中採用，針對MAX-RATE算法中公平性差的缺點，它重新定義了數據流服務優先級別的計算方法formulaseeoriginaldocumentpage4(2)其中/z,G)指在當前時刻t一定時間窗口re內統計的數據流所支持的平均傳輸速率，即formulaseeoriginaldocumentpage43)M-LWDF算法採用下式選擇所要分配信道資源的數據流。formulaseeoriginaldocumentpage4(4)其中WG)指t時刻數據流i緩衝區隊列中的HOL(headofline)數據包的等待時間，的表達式如下formulaseeoriginaldocumentpage4(5)其中《是指數據流i中數據包的網絡生存時間(deadline),《指數據流i的QoS參數，可以將其看作是分組等待時間超過最大時延限制的概率，以上參數存在如下關係formulaseeoriginaldocumentpage4(6)EXP算法類似於M-LWDF算法，它也是將各數據流的時延考慮進來，給出數據流服務優先級別的計算公式如下formulaseeoriginaldocumentpage4(7)其中*=±^^^(0,為待服務數據流緩衝區隊列中的HOL數據包的加權平均等待時間。K與^的取值和M-LWDF算法相同。M-LWDF和EXP算法充分考慮到了不同數據流傳輸下的信道狀況和數據流對於QoS的要求。M-LWDF算法和EXP算法均已被證明為吞吐量最優，也就是說，在數據流到達過程和信道變化為遍歷平穩隨機過程的假設下，這兩種算法具有最大的系統穩定區域。可以看出，在這兩種調度算法中";為優先級參數，賦予某個數據流較高的a,.值可以使其獲得更大的吞吐量和更小的時延，但過高的設置某條數據流的優先級有損數據流間的公平性並導致系統整體性能下降，因此，需要合理設置及調整",的取值，以儘可能滿足所有數據流的QoS要求。受到網絡拓撲結構和數據流特徵等因素影響，在某些情況下，如高負荷的多媒體數據傳輸，我們發現單純的採用基於信道的調度算法的IEEE802.15.3高速無線個人網絡系統的性能存在一定程度的損失，因此引入了如下兩種跨層優化控制機制以增強系統的健壯性。BTED(Bursttransfereligibilitydecision)機制負責判斷發送數據流中每個數據包是否能夠在其超時之前進行傳輸。若不能，則丟棄該數據包。該機制可以有效減少由於傳輸在其網絡生存時間內不可能傳輸成功的數據包的多餘分片而造成的信道資源浪費。當採用M-LWDF和EXP算法時，該機制可以有效的提高系統在高負荷下的吞吐量性能。FDA(frame-decodabilityaware)機制專門為MPEG數據流設計。視頻MPEG編碼是目前廣泛採用的視頻編碼方式。MPEG數據流在編碼時會被壓縮成連續的GOP(GroupofPicture)結構，如圖2所示為(12，3)GOP結構，GOP中包含I，P，B三種不同類型的數據幀，由於不同的壓縮率使三種幀的大小有很大的差異，通常I幀是最大的，其次是P幀，最小的是B幀。不同類型數據幀之間編碼和解碼的依賴關係是MPEG數據流的一個重要特徵，如圖中箭頭所示。只有數據幀傳輸正確並且它所依賴的其他數據幀均能正確解碼，該數據幀才是可解的。FDA機制會在發送端丟棄已經確定不可解的MPEG幀以減少傳輸這些不可解幀帶來的信道資源浪費。如上所述，MPEG在解碼過程中要依賴其他的幀。如果I幀傳輸錯誤，則可確定整個GOP不可解，發送端會丟掉整個GOP，同樣，P幀傳輸錯誤會造成之後的GOP丟棄。相比與BTED機制，FDA機制防止間接的數據幀丟失(不可解)。已提出的針對IEEE802.15.3高速無線個人網絡協議的調度方法未充分考慮信道信息和數據流對於QoS的要求。這樣做的缺點主要為1)不能充分利用信道資源。無線通信信道的時變特性以及多徑傳播引起的衰落特性，使得網絡中設備之間能夠提供的數據傳輸速率有所不同，而且快速的異步隨機變化。特定時刻某個數據流的接收信噪比可能會很低，使得該數據流只能採用較低的速率傳輸，傳輸相同的數據量需要更多的時間。經常將信道資源分配給這樣的數據流會大大降低網絡所能支持的平均吞吐量和系統時延性能。好的調度方法應該能夠利用信道的這一特點，在某個數據流信道傳輸狀況不好的時候選擇其他的數據流進行傳輸。對於快衰落的信道，信道的變化速度較快，也不會出現數據流長期得不到服務的情況。因此，基於信道的信道資源調度方法能夠很好的克服信道衰落的不良影響從而提高無線個人網絡中的信道利用率。2)不能適應不同類型的數據流對於QoS的要求。由於不同類型的數據流有不同的QoS要求，實時的語音和視頻流的傳輸要求較低的系統時延，而一般數據的傳輸則要求較小的誤幀率。傳統的調度方法並未考慮不同數據流之間的QoS差別，這導致實時數據流可能擁有較大的系統時延，而非實時數據流的誤幀率也得不到降低。
發明內容本發明的目的是提供了高速無線個人網協議中基於信道的調度方法，解決了現有方法不能充分利用信道資源以及不能適應不同類型的數據流對於QoS的要求的問題，克服了信道衰落對網絡性能的影響。為實現上述目的，本發明採用了以下技術方案本發明公開了一種高速無線個人網協議中基於信道的調度方法，調度過程具體如下-1)當網絡設備完成數據流註冊工作後，網絡控制設備(PNC)根據信道資源請求(Channeltimerequest)信令裡信道資源請求數據塊中信道資源請求控制域的優先級(Priority)(參見[l〗中表A1)確定數據流調度的優先級參數初始值。如對於視頻流數據，我們取(5)式中的《0.01，;-100ffw。對於語音數據流，取《.=0.01，7]=10/ra。上述參數可作為預設參數以簡化系統設計，但該優先級參數可根據數據傳輸情況調整進行系統性能優化。2)網絡設備應用BTED和FDA(當傳輸MPEG數據流時)機制根據當前數據包隊列和信道信息在數據發送或向網絡控制設備(PNC)發送調度信息之前對發送數據流進行過濾。對於BTED機制，網絡設備採用HOL數據包剩餘長度和當前信道狀態/z,々)計算出該數據包所需的預期剩餘傳輸時間，並和該數據包剩餘網絡生存時間進行比較，若傳輸時間大於剩餘網絡生存時間，則丟棄該數據包。對於BTED機制，則根據記錄的該GOP之前幀的傳輸結果採用幀間依賴關係判斷當前幀是否可解，並丟棄判斷為不可解的幀。被丟棄的數據包確定為傳輸失敗，通知上層協議。3)每個網絡設備負責發送信令通知網絡控制設備(PNC)其傳輸數據流的信道資源調度所需的相關信息。該信令可在競爭接入信道(對應於超幀中的CAP時隙)，該數據流的CTA，或PNC專門分配的openMCTA中發送。信令格式設計如下tableseeoriginaldocumentpage7CommandType為Schedulinginformationupdate,對應於正EE802.15.3標準中信令類型一個保留值，如0x001D。根據正EE802.15.3標準，Length為信令長度，在此為3bytes。TransmissionRate對應於相應的數據流在下一個超幀所要採用的數據傳輸速率，可取0x00-0x05。0x00表示該數據流由於接收功率過低等原因在下一超幀不進行數據傳輸，0x01-0x05分別對應於IEEE802.15.3物理層ll-55Mbps數據傳輸速率。QueueLength為相應的數據流的數據包隊列長度。該長度以數據分片個數為單位，取值為0-255。WaitingTime設為數據流中第一個數據包的等待時間，單位為超幀個數。PNC負責維護每個數據流的調度信息。首先，網絡控制設備(PNC)周期的分配MCTA以使得長期沒有信道資源分配的數據流能夠及時更新其調度信息。有關數據流的數據傳輸速率，數據隊列長度，數據包等待時間的信息通過Schedulinginformationupdate信令更新，若經過一個超幀後沒有收到某個數據流的信息更新信令，則網絡控制設備(PNC)中該數據流調度信息的WaitingTime加1，QueueLength和TransmissionRate保持不變，當WaitingTime超過數據流網絡生存時間後，WaitingTime,QueueLength和TransmissionRate清零，等待更新信令。調度算法中用到的A(/)由PNC收到Schedulinginformationupdate信令時根據(3)式更新4)網絡控制設備在每個超幀開始時根據(8)式對各個數據流進行排序，式中各參數的定義和第4節相同，來自於網絡控制設備(PNC)維護的數據流優先級參數和調度信息。排序後，按該順序分配數據流所需要的信道資源，分配長度可根據網絡控制設備(PNC)的數據流調度信息中TransmissionRate和QueueLength參數計算獲得，直到當前超幀信道資源分配完畢或沒有數據需要傳輸。formulaseeoriginaldocumentpage75)網絡控制設備在信標幀中對信道分配結果進行廣播。6)各個設備在所分配的CTA中進行數據傳輸。若數據傳輸後CTA尚有剩餘，可發送SchedulingInformationUpdate信令更新該數據流的調度信息。本發明的特點在於1)將基於信道狀況的調度方法引入高速無線個人網中以提高網絡的信道利用率和整體性能。2)合理配置調度參數以優化網絡性能。3)設計反饋機制使得各條數據流調度所需信息能夠準確及時的發送至網絡控制設備(PNC)。圖1是基於IEEE802.15.3的高速無線個人網絡協議中採用的超幀結構示意圖2是G0P結構示意圖3是基於信道的調度方法的系統示意圖。具體實施例方式以下結合附圖及實施例對本發明作進一步描述。高速無線個人網協議中基於信道的調度方法，其應用範圍為基於正EE802.15.3協議的高速無線個人網絡中的實時和非實時數據的傳輸。其前提是1)各條數據流的傳輸可以進行傳輸速率的自適應調整，這可以通過在ACK幀中加入反饋機制實現；2)各條數據流能夠實時的告知網絡控制設備(PNC)調度所需參數。本發明所提出的IEEE802.15.3高速無線個人網協議中基於信道的調度方法系統設計如圖3所示。調度過程具體如下1)當網絡設備完成數據流註冊工作後，網絡控制設備(PNC)根據信道資源請求(Channeltimerequest)信令裡信道資源請求數據塊中信道資源請求控制域的優先級(Priority)(參見[l]中表Al)確定數據流調度的優先級參數初始值。如對於視頻流數據，我們取(5)式中的《=0.01，7;-ioo附s。對於語音數據流，取《=0.01，t;=iow。上述參數可作為預設參數以簡化系統設計，但該優先級參數可根據數據傳輸情況調整進行系統性能優化。2)網絡設備應用BTED和FDA(當傳輸MPEG數據流時)機制根據當前數據包隊列和信道信息在數據發送或向網絡控制設備(PNC)發送調度信息之前對發送數據流進行過濾。對於BTED機制，網絡設備採用HOL數據包剩餘長度和當前信道狀態^(,)計算出該數據包所需的預期剩餘傳輸時間，並和該數據包剩餘網絡生存時間進行比較，若傳輸時間大於剩餘網絡生存時間，則丟棄該數據包。對於BTED機制，則根據記錄的該GOP之前幀的傳輸結果採用幀間依賴關係判斷當前幀是否可解，並丟棄判斷為不可解的幀。被丟棄的數據包確定為傳輸失敗，通知上層協議。3)每個網絡設備負責發送信令通知網絡控制設備(PNC)其傳輸數據流的信道資源調度所需的相關信息。該信令可在競爭接入信道(對應於超幀中的CAP時隙)，該數據流的CTA，或PNC專門分配的openMCTA中發送。信令格式設計如下tableseeoriginaldocumentpage9CommandType為Schedulinginformationupdate,對應於正EE802.15.3標準中信令類型一個保留值，如Ox001D。根據正EE802.15.3標準，Length為信令長度，在此為3bytes。TransmissionRate對應於相應的數據流在下一個超幀所要採用的數據傳輸速率，可取0x00-0x05。0x00表示該數據流由於接收功率過低等原因在下一超幀不進行數據傳輸，0x01-0x05分別對應於正EE802.15.3物理層ll-55Mbps數據傳輸速率。QueueLength為相應的數據流的數據包隊列長度。該長度以數據分片個數為單位，取值為0-255。WaitingTime設為數據流中第一個數據包的等待時間，單位為超幀個數。PNC負責維護每個數據流的調度信息。首先，網絡控制設備(PNC)周期的分配MCTA以使得長期沒有信道資源分配的數據流能夠及時更新其調度信息。有關數據流的數據傳輸速率，數據隊列長度，數據包等待時間的信息通過Schedulinginformationupdate信令更新，若經過一個超幀後沒有收到某個數據流的信息更新信令，則網絡控制設備(PNC)中該數據流調度信息的WaitingTime力Q1，QueueLength和TransmissionRate保持不變，當WaitingTime超過數據流網絡生存時間後，WaitingTime,QueueLength和TransmissionRate清零，等待更新信令。調度算法中用到的A(f)由PNC收到Schedulinginformationupdate信令時根據(3)式更新4)網絡控制設備在每個超幀開始時根據;y/,々)exp對各個數據流進行排序，式中各參數的定義和先前敘述相同，來自於網絡控制設備(PNC)維護的數據流優先級參數和調度信息。排序後，按該順序分配數據流所需要的信道資源，分配長度可根據網絡控制設備(PNC)的數據流調度信息中TransmissionRate和QueueLength參數計算獲得，直到當前超幀信道資源分配完畢或沒有數據需要傳輸。5)網絡控制設備在信標幀中對信道分配結果進行廣播。6)各個設備在所分配的CTA中進行數據傳輸。若數據傳輸後CTA尚有剩餘，可發送SchedulingInformationUpdate信令更新該數據流的調度信息。通過大量的性能仿真，我們對所提出的方法的有效性進行了驗證。仿真是採用網絡仿真工具ns-2。仿真中，數據流採用GOP結構為(12，3)的MPEG實時數據，每條數據流速率為5Mbps，數據幀網絡生存時間為33ms，數據流的開始時間彼此獨立。信道採用瑞利衰落模型模擬。所有設備分布在10mX10m的區域內，以不超過0.5m/s的速度隨機移動。其他仿真參數見下表。為簡單起見，忽略CAP和信令傳輸的時間並假設信標幀傳輸無差錯。仿真過程持續120s。tableseeoriginaldocumentpage10下表為採用BTED和FDA機制下系統吞吐量(單位為Mbps)隨數據流數量變化關係，系統噪聲為-80犯m。從表中可以看出，考慮數據流QoS要求的EXP和M-LWDF算法性能明顯高於其他算法。這兩種算法的性能並沒有受到高網絡負荷的影響，在數據流總速率超過系統容量時(8-9條數據流)仍能保持很好的性能。其他算法的性能相對比較接近。tableseeoriginaldocumentpage10權利要求1、高速無線個人網協議中基於信道的調度方法，其特徵在於包括如下調度步驟1)當網絡設備完成數據流註冊後，網絡控制設備根據信道資源請求信令裡信道資源請求數據塊中信道資源請求控制域的優先級，確定數據流調度的優先級參數初始值；2)網絡設備應用BTED和FDA機制根據當前數據包隊列和信道信息在數據發送或向網絡控制設備發送調度信息之前對發送數據流進行過濾；3)各網絡設備發送信令通知網絡控制設備其傳輸數據流的信道資源調度所需的相關信息；網絡控制設備周期地進行管理信道時隙分配，更新數據流的調度信息；4)網絡控制設備在每個超幀開始時根據數據流的優先級參數和調度信息對各個數據流進行排序，再按該排序順序分配數據流所需要的信道資源，直到當前超幀信道資源分配完畢或沒有數據需要傳輸；5)網絡控制設備在信標幀中對信道分配結果進行廣播；6)各網絡設備在所分配的信道時隙中進行數據傳輸。2、按權利要求1所述的高速無線個人網協議中基於信道的調度方法，其特徵在於步驟3中所述的各網絡設備發送的信令包括其數據流的數據傳輸速率、數據隊列長度、數據包等待時間、以及該信令長度和類型欄位。3、按權利要求1所述的高速無線個人網協議中基於信道的調度方法，其特徵在於步驟4中所述的網絡控制設備在每個超幀開始時具體根據formulaseeoriginaldocumentpage2進行排序；其中//,為對應於數據流的無線信道當前所支持的數據傳輸速率；^(f)指t時刻數據流緩衝區隊列中第一個數據包的等待時間；formulaseeoriginaldocumentpage2，其中，7;是指數據流i中數據包的網絡生存時間，《指數據流i的QoS參數；formulaseeoriginaldocumentpage2,為待服務數據流緩衝區隊列中第一個數據包的加權平均等待時間。4、按權利要求l所述的高速無線個人網協議中基於信道的調度方法，其特徵在於所述的步驟6中，若數據傳輸後所分配的信道時隙尚有剩餘，則發送SchedulingInformationUpdate信令更新該數據流的調度信息。性全文摘要本發明涉及一種高速無線個人網協議中基於信道的調度方法，基於IEEE802.15.3協議的高速無線個人網絡中的實時和非實時數據的傳輸，通過改進協議來引入對用戶各條數據流的信道狀況信息的反饋和收集，並根據各條數據流的QoS要求，進行綜合平衡來對數據流排序，賦予不同的調度優先級，從而有效地克服了信道衰落對網絡性能的影響，提高了系統的信道利用率。文檔編號H04W72/04GK101442778SQ200810207620公開日2009年5月27日申請日期2008年12月23日優先權日2008年12月23日發明者璐戎,陽杜,楊光迪,林如鋒申請人:上海無線通信研究中心