浅谈基于MRARQ协议的多业务QoS保证机制研究.docx

1、浅谈基于MRARQ协议的多业务QoS保证机制研究 基于MRARQ协议的多业务QoS保证机制研究 摘要:针对无线通信中高误码率,高突发误帧,频谱资源嚼张等特点,对多拒绝自动请求重传(MR-ARQ)协议相 比于传统ARQ协议在提高系统吞吐量,降低系统平均传输时延和时延抖动等方面的优势性能进行了理论分析.在 此基础上.针对不同业务传输时对误码率,传输时延扣时延抖动的不同要求,研究了基于MR-ARQ协议的宽带无线 接入系统(BWA)中多业务混合传输的服务质量保证(QoS)机制,提出了多速率重传策略,基于业务区分的多队列机 制以及上行集中带宽分配等3种系统性能优化方案.最后对系统在采用上面3种方案前后的

2、性能进行了仿真和比 较分析,验证了方案的可行性和艮好效果. 关键词:多拒绝自动请求重传;宽带无线接入;多业务;服务质量保证 中图分类号:TN92文献标识码:A文章编号:010033114(2006)02324一 Multi?serviceQoSguaranteemechanismstudybasedon multi-rejectARQprotocol CHENGJuan,ZHOUZongyi,WUWeimin (HuazhongUniversityofScienceandTechnology,WuhanHubei430074,China) Abstract:Takingintoaccounto

3、fhighbiterrorrate(BER)andlimitedspectrumIEsourceinwirelesscommunication,thispaper theoreticallyanalysesthepredominanceofMultiRejectAutoRepeatrequestprotocol(MR-ARQ)incomparisontothetraditional ARQintermsofdatathroughput,transmissionlatencyandjitter.Itthenproposesthethreeimplementationstrategiestopro

4、vide QualityofService(Qos)guaranteeofmultiservicedatatransmissionbasedonthemulti-rejectARQprotocolforBroadband WirelessAccess(BWA)systems:multirateretransmit,multiqueuing,andscheduleduplinkbandwidthblockallocationscheme. Finally,thepaperpresentsthesimulationresultsofsystemperformancebeforeandafterth

5、euseofthesestrategiestovalidatetheir feasibilityandeffectivenessinimprovingoverallsystemperformances. Keywords:MultiRejectAutoRepeatreQuest(MRARQ);MultiService;BroadbandWirelessAccess(BWA);Qualityof Service(QoS) 0引言 近年来,随着无线通信网络的迅猛发展,宽带无 线接入(BWA)相比有线接入而言,因其存在建网快, 投资少,运维费用低等优势,成为全球通信业特别是 无线通信技术的研究热点之

6、一.无线信道由于受多 径时延扩展,阴影效应,多普勒频移,同频和邻频干 扰等影响,呈现时变,衰落特性,具有高误码率,高突 发误帧等特点.因而在无线频谱资源非常紧张的 BWA系统中,为适应未来高速无线通信对多业务数 据混合传输的需求和服务质量(QoS)的保证,深入 研究和分析能提高系统带宽利用率与吞吐量,同时 可保证较低的平均传输时延及时延抖动的机制具有 收稿日期:2005一O816 作者简介:程娟(1981一),女,硕士研究生,主要研究方向:宽带无线 通信 重要的意义. 1多拒绝ARQ议性能分析 自动重传请求(ARQ)是基带数字传输,Modem 远程通信等数据传输系统中广泛采用的高可靠差错 控制

7、技术.传统的ARQ协议,如停止等待(StopAnd Wait)ARQ,连续请求(GoBackN)ARQ,选择重发 (SelectiveRepeat)ARQ,其应答(ACK或NAK)都是针 对每个接收的数据包而言,这种方式在信道质量较 好的有线链路传输中能良好运作_2J.但在无线环境 下信道误帧增大,传统ARQ的低确认效率会造成系 统吞吐量下降以及较大的平均传输时延和时延抖 动,无法为承载多业务的BWA系统提供QoS保证. 为此针对传统ARQ的缺陷,本文采用了MRARQ协 议来保证BWA系统中多业务传输质量的需求. MRARQ协议基于这样一种方式:存在一个固 定的ARQ发送周期MR,发送方每个周

8、期从发送窗 32RadioCommunicationsFechnology 口中发送若干数据PDU,对每个数据PDU按照链路 层的顺序标号(对应发送窗口中的绝对位置);接收 方每个周期回传一个ACK包,该ACK包采用适当 的组织方式表示出接收窗口中当前点以前接收不正 确PDU的绝对位置,不正确PDU个数以及ACK包 当前传送位置等信息.而当发送方收到此ACK包 后采取选择性重传方式将需要重传的数据包在当前 位置逐次发送.接收方收到重传的数据包后可将接 收缓冲区中正确接收的数据包按顺序提交给上层. 而发送方在等待ACK的过程中进行新的一轮数据 传输,这样不断循环从而使数据能有效地从一个对 等端传

9、递到另一个对等端. 以下对所采用的MRARQ机制的性能进行分 析.为简化起见,仅讨论半双工通信模型,且不考虑 控制信道误帧的情况,并做如下假定:数据信道平均 误帧概率为Pf,系统带宽利用率为叩;发送方的发 送缓冲区的容量无限大,且保证发送节点处于饱和 态,允许重发的次数不受限制;接收缓冲区的容量 为无限大而且永远不会溢出;确认效率为?lACK足够 大,一次可以确认的数据超过一次发送的数据;发送 数据帧长度固定为z,发送速率为Cbit/s.在每个 固定周期中数据帧发送速率恒定,即新帧和重 传帧发送速率相同. 根据假定,成功地发送一个数据帧需要的时间 是tf,显然f=2f/C,每个固定周期TMR发

10、送的数据 帧个数为定值?:,7?.当出现差错时重发一 f 个数据帧所需的时间为,重传k次所需传输时 延为.j,MIt,重传k次的概率为Pfk=P(1一Pf), 则: 平均重传 误帧概率Pf,数据帧发送时间tf,ARQ的发送周期 M,系统的带宽利用率叩以及每个周期能够发送 的数据帧个数?密切相关.减小Pf,tf,TMR,N,增 大叩,可以降低系统的平均传输时延和时延抖动, 提高系统的吞吐量.下面将根据此理论基础给出 BWA系统多业务QoS保证的3种可行策略. 2BWA系统多业务QoS保证机制研究 2.1多速率重传策略 根据第1节的理论推导不难看出,系统的平均 传输时延,时延抖动和吞吐量主要取决于

11、帧发送时 间(即信息速率)和重传概率(即信道误帧概率).传 统的ARQ以及上面给出的MRARQ协议对于重传 的数据帧均采用与上次相同的发送速率进行简单的 重传.采用较高的信息发送速率,可以保证系统较 高的吞吐量,但同时误帧率也较高,导致重传次数增 大,无法满足实时性业务对QoS的要求;而采用较低 的信息发送速率,在信道状况良好的情况下又会造 成系统带宽的浪费和吞吐率的下降.由于802.1la 协议采用不同的调制技术实现了多速率的支持,我 们采用一种自适应的折衷办法,期望可以在保证较 高的吞吐量的情况下,牺牲一定的信息速率以获取 更好的信息传输质量,通过降低帧发送出错的概率, 以获得较低的系统传

12、输时延和时延抖动.因此在第 1节给出的MRARQ协议的基础上进行改进,提出 以下多速率重传策略: ?数据帧第一次发送时采用最高的速率等级; ?一旦收到对该PDU的否定确认指示重传,则 选择比上次低一级的速率等级进行发送;对尚未正 确发送的数据帧重复此速率等级的选择过程,直到 达到最低等级速率; ?对时延不敏感的数据业务,当已经达到最低 速率等级仍未成功发送的数据PDU,始终采用最低 速率等级进行发送,直到达到最大重传次数. 采用此多速率重传策略后,P,N减小,t,增大, 特别当信道质量较差,信息发送速率较高的时候,P, 的大大降低可以忽视tf略微增大所带来的影响. 对容忍一定时延的业务或对时延

13、不敏感的数据业 务,采用多速率重传可以保证系统较高的吞吐量;而 对于时延敏感的实时业务,采用多速率重传可以降 低系统平均传输时延和时延抖动. 2.2基于业务区分的多队列机制 当TCP数据,视频和话音等业务在不予以任何 2()06年第j卷第期无线电通信技术33 信息传输与接入技术 区分的情况下通过同一个MRARQ窗口进行传输 时,其突发性的数据业务和大流量的视频业务会占 用大量的带宽,将导致话音业务的时延具有很大的 不确定,时延抖动增大,从而出现过多的延迟到达 包,将进一步导致分组丢失率增加,这种现象尤其是 在无线频谱利用效率低,无线信道受多径和多普勒 等干扰的情况下表现得更为突出.而话音业务对

14、平 均时延,时延抖动均有严格的要求,因此,要保证话 音等实时性业务传输的质量要求,同时使系统能支 持更高流量的数据业务,必需在QoS流量控制的基 础上,区分业务地使用链路层的可靠传输机制. 基于业务区分的多队列机制是在QoS区分业务 进行流控的基础上,在发送端对具有不同优先级的 数据业务进入ARQ窗口之前,增加多个队列以区分 业务进行分割,合并的处理,并按绝对优先的策略将 不同优先级队列中已经分割或合并好的数据调度到 ARQ发送窗El.而在接收端除了进行正常的接收 数据处理和ARQ接收窗口的移动处理外,增加提前 提交的处理,即对某个队列中已按序接收的数据在 正常地将该数据移出ARQ接收窗L.-

15、I之前被提前提 交给上层,以减少其他业务队列中数据包的丢失对 该业务队列的影响.对时延敏感的实时业务队列, 在发送端实现了优先调度发送,而在接收端对超过 指定时间尚未收到的数据包进行放弃接收的处理. 需要指出的是,该机制的实现增加了协议处理 的复杂度,实际上是用系统资源(CPU占用率,内存 等)的耗费抵消了原有大量突发性数据业务对实时 业务造成的时延性能影响. 2.3上行集中带宽分配方案 无线信道由于传输条件特殊,造成信号强度的 动态范围非常大.这就使发送站无法使用冲突检测 的方法来确定是否发生了冲突.因此,802.11协议 采用了CSMA/CA的随机接入技术,来确保信号的 无竞争发送.然而,

16、在802.11协议中采用了发送 RTS和CTS来实现CSMA/CA机制,这就在一定程度 上使整个网络的效率有所下降,尤其在点对多点的 无线接入系统中,更是会造成带宽的巨大浪费,以及 系统性能的急剧下降.于是,为了最大限度的利用 有限的带宽资源,可以在BWA系统中采用以AP (AccessPoint)为中心的上行集中带宽分配机制.由 AP根据CPE的上行业务分配请求,智能地,主动地 为多个CPE分配相互不重叠的发送时间区间,同时 考虑CPE之间的定时偏差可能带来的发送冲突,实 现精确到微秒级CPE的完全受控发送,保证802.11a 无线带宽的高利用率,并避免CSMA/CA机制带来 的时延不确定性

17、.这样,既减低了发送冲突的概率, 又有效地减少了RTS/CTS的带宽损耗.系统带宽 利用率的提升将有效地提高系统吞吐量. AP对于每个CPE的上行带宽分配采用固定分 配与动态分配相结合,为每个CPE都保证一定的固 定带宽以保证少量实时业务的传输,剩余的带宽根 据各个CPE不同请求进行动态的带宽分配.而在 发送时由于保证了实时高优先级业务的绝对优先 权,因而保证了实时高优先级业务对固定带宽的优 先占用. 采用此方案后,使得系统在保证高容量的前提 下,对语音等实时业务有良好的支持. 3BWA系统多业务混传性能仿真及分析 3.1仿真模型 实际的无线信道是非常复杂的,误码率经常有 很大的波动,而且具有

18、突发和集中的特点.据实际 观察,经常会出现连续多个PDU出错的情况.一般 情况下,认为无线衰落信道是无记忆信道,或者采用 交织等技术使信道尽量变为无记忆信道.但当数据 的传输速率很高时,无线信道被认为是慢变的,这时 信道中传输的相邻数据帧之间的相关性不能忽视. 若此时仍采用传统的无记忆信道模型来进行协议的 设计和性能仿真,势必会产生较大的误差.M.Zorzi 和A.Ramesh等人对衰落信道进行了深入的研究, 认为这种有记忆信道可以采用Markov模型进行模 拟,而且Zorzi的研究成果表明,采用一阶两状态 Maov信道模型已经足以获得令人满意的效果,而 没有必要采用更复杂的高阶模型3,41.

19、 3.2性能曲线及分析 采用3种策略前后,系统吞吐量和平均传输时 延分别如图1,4所示. 25 20 I缸5 0 012345 时间/s 图1系统优化前混合业务吞吐量 34RadioCommunicationsTechnology 30 25 是20 删15 1 5 0 0 012345 时间/s 图2系统优化后混合业务吞吐量 70 E 面65 萎60 萎55 60 012345 时间/s 图3系统优化前混合业务平均传输时延 菲啦45 曩40 爿-35 012345 时间/s 图4系统优化后混合业务平均传输时延 可以看出,采用3种多业务传输QoS保证机制 后,系统总的吞吐量有明显提升,同时TC

20、P业务和 语音业务的吞吐量抖动都得到了有效的缓解.对实 时语音业务的高优先级队列设置和调度,以及固定 带宽预留策略,保证了实时语音业务对带宽使用的 绝对优先,其传输时延大幅度下降,不再受TCP业 (上接第22页) ?访问控制器接收到中断信号,进人中断服务 程序,调用发送数据的函数.这一段时间是不固定 的.但是访问控制器可以提前一个时间发送一个中 断信号,通知MPC8260的CPM开始发送数据,这个 时间值大于可能产生抖动的时间范围,假定此时间 值为160s,(此值可根据情况调整).这样当中断 产生160s以后,FPGA产生另一个脉冲信号(此脉 冲为真正的数据上星时刻),信号去通知调制器准备 发

21、送前导头和独特码,因为MPC8260的CPM已经把 数据提前送到,调制器只需缓存一段数据,在前导头 和独特码之后将数据搬移过来,形成完整的突发结构. ?利用时间差,解决了数据发送时间的抖动问 题,这样的方法简化了必须使用硬件来缓存所有的 数据,当时刻到来再发送的流程. 该解决方案能保证TDMA的时间的准确性,配 “ 信息传输与接入技术 务的影响,时延抖动也平滑了很多.而TCP业务在 竞争剩余带宽时由于进行了合理的动态带宽分配, 保证了整体吞吐量的显着提升,同时其平均传输时 延有所减低,时延抖动性能也得到了一定改善.同 时由于采用了多速率重传机制,系统对抗高误帧的 能力提高了. 4结束语 本文提

22、出的3种策略针对BwA系统中承载混 合业务时对不同误码率,不同时延特性的不同要求, 在充分利用MR.ARQ协议的高差错控制和可靠传输 的优势性能基础上,从提高系统带宽利用率和吞吐 量,降低链路平均传输时延和时延抖动等方面人手 进行设计和实现,有力降低了无线信道高误码率,高 突发误帧以及带宽资源紧张等不利因素对通信质量 的影响,实现了BWA系统中多业务混传的Q0s保证. 参考文献 1佥顺福.数据链路层的流量和差错控制机制的分析 J.计算机工程与设计,2002,23(5):l3一l4. 2MAHADEVANI,SIVALINGAMKM.Architectureand ExperimentalFra

23、meworkforSupportingQoSinWireless NetworksUsingDifferentiatedServices【J1.MobileNetworks andApplications,2001,6(4):385395. 13lCHRIST0PHERCT,NORMANCB.OnfirstorderMarkOV modelingfortheRayleighfadingchannelIJJ.IEEE TransactionsonCommunications,2o()o,48(12):2032 2O4O. 4ZORZIM,RAORR,MILSTEINLB.Errorstatist

24、icsin datatransmissionoverfadingchannelslJJ.IEEETransaction onCommunication,l998,46:l4681476. 合数据的组包流程,可以保证在指定的时问,发送指 定的数据. 3结束语 采用MPC8260设计卫星访问控制器使数据接 人的实时性得到了保证.如何保证准确的时隙同 步,以确保在同一载波上某个站点的发射时隙内其 他站点均停止发射,这也是MF.TDMA的难点和重 点.意义是实现卫星资源的最大利用和组网的最大 灵活性,还可以实现与地面网的无缝连接,具有很大 的潜在应用市场. 参考文献 1Motorola,Inc.MPC8260PowerQlUICCIIUsersManuals. 2丁世杰.综合业务卫星通信网的设计J.无线电通信 技术,2004,30(6):2224. 200(5年第32卷第2期无线电通信技术35