IEEE,802.16协议的带宽申请和分配机制的研究
时间：2020-12-17 09:43:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
(中国人民银行 海口中心支行，海南 海口 570000)
摘 要：文章分析了802.16协议的五种业务模式，并对带 宽请示机制、竞争带宽的申请方式及带宽的分配机制进行了研究。
关键词：802.16；
调度类型；
QoS；
带宽请求；
竞争带宽；
带宽分配
中图分类号：TP3931 文献标识码：A 文章编号：
1007—6921(2008)24—0077—02
近年来,应用于无线城域网(Wimax)的IEEE 802.16 协议成为无线宽带接入技术的前沿技术， 代表下一代移动通信标准，是解决最后一英里的最好技术，在有限的空口资源下，如何进行 带宽的分配是802.16系统的重要研究课题。
1 IEEE 802.16协议带宽调度类型
在IEEE 802.16协议中定义了5种调度类型，调度类型是专用于上行连接的QoS参数，定义了 连接的上行带宽分配的方式。这5种调度类型分别为UGS，rtPS，ertPS，nrtPS，BE。具体的 定义如下。
UGS 用于支持恒定速率的实时业务， 如没有静音压缩的VoIP和T1/E1等。BS定时为业务连接 分配固定的上行带宽，SS还可以通过Grant Management Subheader中的FLI和FL字段通知MS 数据产生和带宽分配的时间差，让BS分配的带宽和SS的数据生成同步，以减少延时。
rtPS用于支持非恒定速率的实时业务，如MPEG等业务。
BS定时为rtPS业务连接分配少量的 带宽询问其带宽需求(Periodic Polling)再决定分配多少带宽。
ertPS是rtPS的扩展类型，但是效率比rtPS高，可应用于有静音压缩的VoIP。不再有Polling 的过程，而是在发数据的过程中捎带带宽需求。与UGS一样， SS还可以通过Grant Manageme nt Subheader中的FLI和FL字段通知MS数据产生和带宽分配的时间差，让BS分配的带宽和SS 的数据生成同步，以减少延时。
nrtPS用于支持对延迟不敏感的非恒定速率的非周期性数据流业务，如FTP和telnet等。
BS 不定期为rtPS业务连接分配少量的带宽询问其带宽需求(nonPeriodic Polling)再决定分 配多少带宽。
BE用于支持没有最小速率限制的背景流业务， 如Email等。
BS在为上述4中业务分配完带宽 后，还有带宽剩余就为BE的业务连接分配带宽。
2 带宽请求机制
IEEE 802.16的上行链路接入是基于DAMA的，有需要传送数据的MS，再由BS对带宽资源进行 统一的调度，除UGS类型的连接外，任何连接在发送数据前都必须向基站发送带宽请求信息 。IEEE 802.16中定义了两种带宽请求的类型：增量请求方式(incremental)和总量请求方式 (aggregate)。增量请求方式用于表明需要在原有基础上增加若干字节的传输请求; 集合请 求方式用于表明总共有多少字节的传输请求。为了避免传送差错和差错积累引起的带宽分配 错误，提升系统的鲁棒性，标准中规定了要定期使用集合请求方式来发送请求。
IEEE 802.16协议规定，请求信息可以通过一个单独的Bandwidth Request Header或是以Pig gyback的方式来传送。
Bandwidth Request Header是一个单独的带宽请求头部信息，它不带任何负载。它的域包括 ：CID域用于标明发出请求的连接CID；
BR域用于说明请求发送的Byte数目；
Type域用于说明 带宽请求的类型(incremental或aggregate)。
Grant Management Subheader (Piggyback)适用于MS已经得到了一定的带宽分配，还需要进 一步请求带宽的情况。MS在发送的数据包添加一个Grant Management Subheader，以piggyb ack的方式发送进一步的带宽请求信息。
若MS传送的是UGS类型的数据则subheader中包含两个有效比特：①SI比特用于说明UGS 连接队列的当前状态，以便BS决定是否增加传送机会来对速率失谐进行补偿；
②PM比特用 于向BS请求问询的机会，以便非UGS的连接可以获得机会传送带宽请求信息。因为UGS类型的 连接可以定期获得带宽分配，所以协议规定，对于有UGS连接的MS不再进行其他方式的问询 ，也不允许其通过竞争方式发送带宽请求信息。
若传送的是非UGS数据，则16比特subheader 用piggyback的方式向BS说明接下来需要 请 求的Byte数。
IEEE 802.16所定义PMP拓扑结构中，系统的资源由BS进行统一调度，带宽请 求信息的发送也 必须由BS进行严格调度，问询是BS获取MS各连接当前状态和带宽请求信息的重要机制。所谓 “问询”，就是BS为MS分配一定的带宽，使其能够发送带宽请求信息。问询按其目的地址的 不同，可以分为单播问询(Unicast Polling)，组播问询(Multicast Polling)和广播问询(B roadcast Polling)。
Unicast Polling是针对某一单播地址的。BS在上行链路上分配一定的带宽，让被问询的连 接得以发送带宽请求信息。单播问询是无竞争的。Multicast Polling和Broadcast Polling 分别是对一组连接或所有的连接进行问询。在CID的分配中保留了一些地址作为组播地址和 广播地址。当需要进行组播问询和广播问询时，BS在上行链路上分配一定的带宽，并将其地 址被设置为组播地址或广播地址，属于该地址的连接在指定的Interval中以竞争的方式发送 请求。为了减少碰撞，MS使用二进制指数退避算法。如果在一定的时间间隔内没有得到BS的 应答，则认为发生了碰撞，重新启动退避过程发送请求。
在IEEE802.16定义的5种调度服务中，UGS类型的连接无需被问询，就可以周期性的获得带宽 分配；
ertPS类型的连接在第一次BS问询后就直接将需求的带宽大小由带宽申请头上报给BS ，后续不再进行问询；
rtPS类型的连接会周期性的受到问询，得到传送带宽请求的机会；
nr tPS会受到非周期性的单播问询、组播问询或广播问询，以竞争或非竞争的方式发送带宽请 求信息；
BE可以通过竞争或非竞争的方式发送请求信息。
3 竞争带宽的申请
MS通过上行Ranging Subchannel的竞争时隙带宽申请和发送数据，为了防止多个MS的碰撞， 需要采用二进制指数退避的机制，退避窗口的最大窗口和可能的最小窗口都由BS决定，在UC D管理消息中给出。
BS控制上行信道的分配是通过UL-MAP消息，并确定哪些微时隙有发生碰撞的可能性。碰撞可 能发生在Initial Ranging IE和Request IE对应的时间间隔中。
协议中采用截短的二进制退避算法来解决竞争问题，由BS控制初始的退避窗口和最大的退避 窗口。与窗口大小相关的值在上行信道描述(UCD)消息中指定，窗口大小和这个值是二次方 的关系。比如这个值是4就表示窗口大小从0～15，值为10表示窗口大小从0～1023。
MS将在退避窗口大小范围内随机选择一个数字，这个随机数表示了MS在发送数据之前可以推 迟的发送机会的数量。这些发送机会是在UL-MAP消息中的Request IE(或Initial Ranging I E用于初始测距)定义的时间间隔里。每一个IE可以包含多个竞争传输机会。协议中举了一个 例子说明，设定MS的初始退避窗口大小是0～15, MS随机选择了11这个值，则MS必须推迟11 个传输机会。如果第一个可用的Request IE有6个请求机会，MS都不能使用，必须再推迟5个 传输机会。如果下一个Request IE有2个请求机会，MS还必须再推迟3个机会。如果第三个Re quest IE有8个机会，则MS可以在第4个传输机会到来时发送。
在发送带宽请求之后，MS将等待一个Data Grant Burst Type IE。一旦接收到，则表明请求 成功。如果没有成功，MS将增加退避窗口大小，只要这个数小于最大退避窗口的值。然后基 于这个新的退避窗口的大小重新随机选择一个值，再次执行以上描述的过程。
重试的过程可以一直继续直到达到重试的最大次数。其中这个最大次数不受初始退避窗口和 最大退避窗口的约束。
4 带宽分配机制
IEEE 802.16定义了两种带宽分配模式：GPC(Grant perConnection)和GPMS (Grant perMS) ，GPC的带宽分配的对象是连接，而GPMS的带宽分配对象是MS，再由MS将得到的带宽分配给 不同的连接。
GPC对于工作于GPC模式的SS，BS的带宽分配是基于连接的。BS在进行带宽分配时直接说 明某个时隙分配给某个连接使用。GPC模式的优点是，可以简化SS的结构，因为BS的带宽细 化到连接，SS只需根据各连接获得的时隙发送数据即可，而无需实现较为复杂的调度算法。
GPMS对于工作于GPMS模式的MS，BS的带宽分配是面向MS的。BS把分配给一个MS的所有连 接的带宽集合成一个整体分配给该MS，再由MS在它的各个连接之间进行再分配。比较GPC模 式，GPMS模式的优点是更加智能化，当某些有严格时延要求的连接迫切需要增加带宽时，尽 管带宽不是响应这些连接的请求而得到的，MS还是可以把资源先分配给这些连接，以满足其 QoS要求，这种技术称为bandwidth stealing。但带宽在MS中的再分配，要求在MS中实现较 为复杂的调度算法，从而增加MS的复杂度。
5 总结
依据IEEE 802.16的协议标准，分析了五种调度类型的特征，以及MS的带宽申请机制，在此 基础上研究了竞争带宽申请的机制。最后在前面研究的基础上，总结了带宽分配的机制和模 式。IEEE 802.16协议的带宽调度技术还有很多课题需要继续的研究和试验。
［参考文献］
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