一種改進(jìn)的M-LWDF 動態(tài)業(yè)務(wù)調(diào)度方法

劉?？?，李集林，張華健

（北京衛(wèi)星信息工程研究所 北京 100086）

一種改進(jìn)的M-LWDF 動態(tài)業(yè)務(wù)調(diào)度方法

劉海客，李集林，張華健

（北京衛(wèi)星信息工程研究所 北京 100086）

隨著地面無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，無線通信網(wǎng)絡(luò)將承載越來越多的高速多媒體業(yè)務(wù)，為使用戶獲得良好的業(yè)務(wù)體驗，需要為其提供靈活可靠的服務(wù)質(zhì)量保障。高速業(yè)務(wù)流的調(diào)度方法作為系統(tǒng)QoS保障的重要一環(huán)。傳統(tǒng)業(yè)務(wù)調(diào)度方法有的僅考慮業(yè)務(wù)流的絕對優(yōu)先級、有的依據(jù)業(yè)務(wù)包等待時延的長短進(jìn)行調(diào)度，這些方法缺乏隨信道質(zhì)量及吞吐量變化情況的動態(tài)調(diào)控能力。針對上述問題，提出一種改進(jìn)型的M-LWDF動態(tài)調(diào)度方法，通過引入公平性參數(shù)與優(yōu)先級參數(shù)，提升業(yè)務(wù)調(diào)度器的性能。通過仿真驗證，改進(jìn)后的動態(tài)調(diào)度方法可以使業(yè)務(wù)流獲得更好的時延及抖動指標(biāo)。

無線通信網(wǎng)絡(luò)；M-LWDF；業(yè)務(wù)調(diào)度算法；實時性業(yè)務(wù)；公平性

目前地面寬帶無線通信系統(tǒng)發(fā)展迅猛，多媒體應(yīng)用已全面接入無線網(wǎng)絡(luò)中，無線通信網(wǎng)絡(luò)承載高速業(yè)務(wù)流的種類將更為繁多。隨著系統(tǒng)中新增業(yè)務(wù)提供不斷增加，用戶對業(yè)務(wù)體驗的要求也子不斷提升。因此需要在寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)中，為用戶提供良好的服務(wù)質(zhì)量保障功能，針對不同的業(yè)務(wù)特性，提供不同的QoS保障策略，在用戶無感知的情況下，提升用戶的業(yè)務(wù)體驗。

在無線通信系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)由有線傳輸?shù)綗o線發(fā)射間的業(yè)務(wù)調(diào)度功能對業(yè)務(wù)流的延遲、吞吐量、抖動等QoS指標(biāo)具有較大的影響，因此好的業(yè)務(wù)流調(diào)度器及調(diào)度算法將更好的保障業(yè)務(wù)流的QoS要求[1-2]。傳統(tǒng)調(diào)度算法一般采用嚴(yán)格優(yōu)先級調(diào)度或加權(quán)公平調(diào)度等方法，但是該方法在調(diào)度的過程中缺乏一種動態(tài)調(diào)控的功能，不能根據(jù)信道質(zhì)量的變化情況及吞吐量的最低保障要求，在每次調(diào)度周期對調(diào)度優(yōu)先級進(jìn)行有效的調(diào)整[3-4]。這種缺乏動態(tài)變化的業(yè)務(wù)調(diào)度策略并不能較好的滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中多媒體業(yè)務(wù)爆炸式增長的現(xiàn)狀。

因此在寬帶無線通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)調(diào)度算法中需引入業(yè)務(wù)流之間的公平性與差異性調(diào)控指標(biāo)，進(jìn)而更好的完成高速多媒體業(yè)務(wù)的調(diào)度發(fā)送功能。

1　無線高速業(yè)務(wù)動態(tài)調(diào)度算法

在當(dāng)前星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的寬帶無線通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)承載越來越多的高速多媒體業(yè)務(wù)流，因此中心站到終端站下行業(yè)務(wù)以及終端站到中心站上行業(yè)務(wù)的調(diào)度算法性能是保障系統(tǒng)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)[5-6]。

由于寬帶無線通信系統(tǒng)主要承載語音、視頻、游戲、上網(wǎng)等多媒體業(yè)務(wù)，在中心站與終端站中需各實現(xiàn)一個多業(yè)務(wù)流的調(diào)度器結(jié)構(gòu)，并在此調(diào)度器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上依據(jù)設(shè)計的調(diào)度算法完成業(yè)務(wù)流調(diào)度發(fā)送。處于MAC層與IP層之間的業(yè)務(wù)調(diào)度器，其功能是以一定的算法將不同隊列中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包調(diào)度至MAC層中的調(diào)度緩沖區(qū)中等待發(fā)送。業(yè)務(wù)調(diào)度器依照調(diào)度算法與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的QoS參數(shù)為業(yè)務(wù)提供調(diào)度服務(wù)。

1.1業(yè)務(wù)調(diào)度器

在中心站與終端站之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括：信令、實時性業(yè)務(wù)流與非實時性業(yè)務(wù)流。信令數(shù)據(jù)應(yīng)在系統(tǒng)中接受可靠保障，實時性業(yè)務(wù)流應(yīng)接受優(yōu)先保障，而非實時性業(yè)務(wù)則應(yīng)接受盡力而為的服務(wù)質(zhì)量保障[7]。為在系統(tǒng)中針對不同類型的數(shù)據(jù)流提供不同的服務(wù)質(zhì)量保障級別，在業(yè)務(wù)調(diào)度器中建立兩種屬性的QoS隊列：專用隊列和默認(rèn)隊列。專用隊列主要用來承載系統(tǒng)中的實時性業(yè)務(wù)流，如語音、視頻等實時流或緩沖流。默認(rèn)隊列主要分為兩種，一種為專門承載系統(tǒng)信令數(shù)據(jù)的隊列，可稱之為信令默認(rèn)隊列，一種為承載非實時性業(yè)務(wù)流的隊列，可稱為業(yè)務(wù)默認(rèn)隊列。

根據(jù)系統(tǒng)所承載業(yè)務(wù)的QoS保障要求，在中心站與終端站中建立多個專用隊列和業(yè)務(wù)默認(rèn)隊列，完成系統(tǒng)對實時性業(yè)務(wù)及非實時性業(yè)務(wù)的QoS保障及調(diào)度發(fā)送功能。同時建立一個承載系統(tǒng)信令數(shù)據(jù)的信令默認(rèn)隊列，以完成信令數(shù)據(jù)的周期性發(fā)送功能。由專用隊列與默認(rèn)隊列組成的業(yè)務(wù)調(diào)度器采用多級調(diào)度的策略。中心站與終端站業(yè)務(wù)調(diào)度器結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1　中心站業(yè)務(wù)調(diào)度器結(jié)構(gòu)

圖2　終端站業(yè)務(wù)調(diào)度器結(jié)構(gòu)

對于承載實時性業(yè)務(wù)的各種專用隊列，采用實時性調(diào)度算法將其中的數(shù)據(jù)包調(diào)度至調(diào)度緩沖區(qū)中的緩沖隊列中，等待發(fā)送。而對于承載系統(tǒng)信令的信令默認(rèn)承載，采取周期性插入到調(diào)度緩沖隊列的調(diào)度策略。對業(yè)務(wù)默認(rèn)隊列采用優(yōu)先級調(diào)度策略，由于其承載非實時性業(yè)務(wù)，所以將業(yè)務(wù)默認(rèn)隊列的優(yōu)先級置為最低，即當(dāng)實時性業(yè)務(wù)專用隊列為空時，若有空閑的資源則對其進(jìn)行調(diào)度。

中心站的業(yè)務(wù)調(diào)度器與終端站有所不同，由于中心站采用廣播式的方式向所有終端站發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，因此在調(diào)度器中針對非實時性業(yè)務(wù)引入終端優(yōu)先級的概念，即發(fā)往不同終端的非實時性業(yè)務(wù)應(yīng)按優(yōu)先級接收調(diào)度。

具體調(diào)度過程如下：首先，通過實時性調(diào)度算法計算所有專用隊列的調(diào)度優(yōu)先級，按照優(yōu)先級次序?qū)⒏鱾€專用隊列中的分組調(diào)度至緩沖區(qū)隊列中，同時周期性向緩沖區(qū)隊列中插入信令默認(rèn)隊列中的信令數(shù)據(jù)。一次調(diào)度周期T中，在無線資源未被所有專用隊列占滿的情況下，調(diào)度業(yè)務(wù)默認(rèn)隊列中的非實時性業(yè)務(wù)。

1.2改進(jìn)的M-LWDF算法

在寬帶無線通信系統(tǒng)中，對于實時性業(yè)務(wù)的調(diào)度算法性能將直接關(guān)系到系統(tǒng)QoS保障的效果，尤其是當(dāng)前無線通信系統(tǒng)承載種類繁多的高速多媒體業(yè)務(wù)流。根據(jù)上節(jié)所述的業(yè)務(wù)調(diào)度器結(jié)構(gòu)，本節(jié)提出一種改進(jìn)的M-LWDF算法，該算法在調(diào)度實時性業(yè)務(wù)時，將綜合考慮業(yè)務(wù)流本身的QoS屬性要求與當(dāng)前信道質(zhì)量情況。

M-LWDF算法是針對無線高速業(yè)務(wù)流提出的，其主要思想是將分組包的時延和如何有效利用信道信息平衡考慮，其用戶優(yōu)先級的計算不僅和用戶當(dāng)前的信道質(zhì)量有關(guān)，還和數(shù)據(jù)包的隊列時延有關(guān)[8-9]。

對于M-LWDF分組調(diào)度算法，分組隊列調(diào)度優(yōu)先級函數(shù)表示為：

其中，i和j分別表示用戶和業(yè)務(wù)類型；Pi，j（t）表示用戶i 的j類業(yè)務(wù)分組隊列在調(diào)度時刻t得到的調(diào)度優(yōu)先級；Rj表示業(yè)務(wù)j所支持的最大比特速率，其值越高，那么用戶的優(yōu)先級就越高；r~i，j（t）為用戶i的j類業(yè)務(wù)在調(diào)度周期內(nèi)所獲得的平均數(shù)據(jù)率；wi，j（t）為t時刻用戶i的j類業(yè)務(wù)分組隊列列首的等待時間；Tj和δj分別表示j類業(yè)務(wù)分組的傳輸時延和丟包率界限。當(dāng)分組在隊列中的等待時延超過Tj，分組就被丟掉，因此時延限制越大，分組包丟棄的概率就越小。在每個調(diào)度周期中將會調(diào)度優(yōu)先級最高的用戶i的j類業(yè)務(wù)。

M-LWDF算法是一種非公平算法，對于那些由于信道質(zhì)量下降引起的吞吐量下降的業(yè)務(wù)流，該算法會造成這類業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包在中心站或終端站側(cè)有較大的時延，當(dāng)時延超過用戶的最大容忍時間時就會被拋棄，進(jìn)而使得該業(yè)務(wù)流不能滿足系統(tǒng)預(yù)設(shè)的QoS保障要求，影響用戶的業(yè)務(wù)體驗[10-11]。為了降低數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流包被丟棄的概率，在中心站側(cè)需要對信道條件差的用戶進(jìn)行補償?；谟脩艄叫?，在保證用戶分組最小吞吐量的條件下最大化實時業(yè)務(wù)的用戶數(shù)。

同時，寬帶無線通信系統(tǒng)承載多種多樣的多媒體業(yè)務(wù)流，為了在業(yè)務(wù)調(diào)度的過程中體現(xiàn)不同業(yè)務(wù)流QoS保障要求的差異性，需要在調(diào)度算法中引入QoS標(biāo)識參數(shù)，使具有較高QoS標(biāo)識優(yōu)先級的業(yè)務(wù)獲得更高的調(diào)度優(yōu)先級。假如系統(tǒng)中承載語音、實時視頻、緩沖視頻等業(yè)務(wù)流，設(shè)定語音業(yè)務(wù)流優(yōu)先級大于實時視頻流大于緩沖視頻流，則可規(guī)定3種業(yè)務(wù)流的QoS標(biāo)識分別為1、2、3，因此可以看出，標(biāo)識數(shù)值越大，業(yè)務(wù)流優(yōu)先級越低。

針對上述分析，寬帶無線通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)調(diào)度算法需綜合考慮系統(tǒng)的公平性與特定業(yè)務(wù)流的QoS保障要求。

在M-LWDF算法中引入Q參數(shù)與W參數(shù)。Q參數(shù)用來表示QoS標(biāo)識，W參數(shù)表示吞吐量參數(shù)。調(diào)度規(guī)則為：

其中，Q=qi，j，

qi，j為QoS標(biāo)識，D為預(yù)先定義的用戶最小吞吐量，ci為用戶平均吞吐量的估計，考慮到用戶的公平性，對信道條件好的用戶限制其優(yōu)先級，使信道條件差的用戶可以得到服務(wù)。

算法不僅考慮到信道條件和用戶時延的影響，還考慮到了用戶最小吞吐量保證。對于平均吞吐量開始低于最小吞吐量的用戶，通過一個W權(quán)值參數(shù)來提高低吞吐量用戶的優(yōu)先級，增加了系統(tǒng)中用戶之間的公平性。

同時通過引入Q參數(shù)，使算法在保證實時性業(yè)務(wù)分組時延的同時，兼顧QoS標(biāo)識優(yōu)先級，并在一定程度上控制了QoS標(biāo)識對調(diào)度判決的影響。

Q參數(shù)與W參數(shù)可被分別稱為優(yōu)先級參數(shù)與公平性參數(shù)，兩者組成的函數(shù)采用指數(shù)形式，該函數(shù)具有非負(fù)性，并保持單調(diào)遞增趨勢，這種設(shè)計方式可以保障被調(diào)度業(yè)務(wù)流吞吐量的平穩(wěn)性。這種調(diào)度算法在調(diào)度判決中為高QoS標(biāo)識的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包提供更多的調(diào)度機(jī)會，從而適應(yīng)端到端QoS保障的需求，滿足不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流對QoS標(biāo)識優(yōu)先等級的差異化需求。

可證明采用下列判決表達(dá)式的一類調(diào)度算法的穩(wěn)定性：

其中fi，j（·）為非負(fù)、無界遞增函數(shù)。只要所有的業(yè)務(wù)分組到達(dá)速率之和不超過系統(tǒng)的容量范圍[12-13]。依據(jù)該判決表達(dá)式設(shè)計出的調(diào)度算法可保障系統(tǒng)業(yè)務(wù)流吞吐量最優(yōu)，因此文中所提的改進(jìn)型M-LWDF算法具有算法穩(wěn)定性。

2　算法仿真

為驗證改進(jìn)型的M-LWDF算法的優(yōu)越性，在matlab中對改進(jìn)型M-LWDF算法進(jìn)行仿真，對比改進(jìn)前后兩種算法對高速實時性業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的調(diào)度延時，并比較兩種算法的優(yōu)劣性。

在業(yè)務(wù)建模中建立3種實時性業(yè)務(wù)流隊列，其中一種用于模擬聚合話音業(yè)務(wù)，另兩種為普通視頻流業(yè)務(wù)，在3種業(yè)務(wù)中將聚合話音業(yè)務(wù)的QoS標(biāo)識設(shè)置為1，則該業(yè)務(wù)被映射成為最高優(yōu)先級。在通信系統(tǒng)中，通常認(rèn)為話音業(yè)務(wù)是固定比特速率業(yè)務(wù)，當(dāng)通話處在已連接狀態(tài)時，可以認(rèn)為其占用的帶寬是近似不變的。為模擬3種業(yè)務(wù)信道質(zhì)量的不同，將聚合話音業(yè)務(wù)的傳輸速率設(shè)置為最低，由此可以模擬承載此業(yè)務(wù)的無線信道在資源不足情況下，改進(jìn)型M-LWDF算法對此業(yè)務(wù)的補償能力。

當(dāng)大量用戶進(jìn)行話音業(yè)務(wù)的連接和掛斷的操作時，此類聚合的話音業(yè)務(wù)流按統(tǒng)計信息來描述可表示為：用戶業(yè)務(wù)到達(dá)服從泊松分布，通話服務(wù)時間間隔服從負(fù)指數(shù)分布[14-15]。

假設(shè)話音業(yè)務(wù)到達(dá)率為λp，均值為μv，則話音業(yè)務(wù)的到達(dá)時間和服務(wù)時間可由公式（4）和公式（5）得到。

話音業(yè)務(wù)可采用馬爾科夫On/Off模型，如圖3所示，從On狀態(tài)向Off狀態(tài)轉(zhuǎn)換的速率為μ，從Off狀態(tài)向On狀態(tài)的轉(zhuǎn)換速率為λ，用戶處于On狀態(tài)和Off狀態(tài)的時間分別服從均值為μon和μoff的指數(shù)分布，那么話音業(yè)務(wù)的激活因子為：av=μon/（μon＋μoff）。因此話音業(yè)務(wù)的平均傳輸速率為avRv，Rv表示語音業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸速率[16-18]。

圖3　聚合流話音業(yè)務(wù)模型

圖4和圖5為M-LWDF算法與改進(jìn)型M-LWDF算法在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包時延方面的比較圖。其中橫坐標(biāo)為流入話音隊列中的數(shù)據(jù)分組個數(shù)，縱坐標(biāo)為第n個數(shù)據(jù)分組進(jìn)入隊列的時間與調(diào)出隊列時間的差值，也就是聚合話音業(yè)務(wù)等待調(diào)度的時延參數(shù)。圖4為使用M-LWDF算法時每個聚合話音分組的調(diào)度時延，圖5為使用改進(jìn)型M-LWDF算法時的調(diào)度時延。在系統(tǒng)中模擬較大的鏈路延遲以及丟包情況，用來構(gòu)造較低信道質(zhì)量的場景。從圖中可以看出改進(jìn)型的M-LWDF平均時延小于原算法的平均延時，即使在聚合語音業(yè)務(wù)所在信道質(zhì)量較低的情況下，也可以較好地保障其服務(wù)質(zhì)量，在降低平均延時的同時其延時抖動也有較大改善。

圖4　M-LWDF算法業(yè)務(wù)分組調(diào)度時延

圖6為聚合話音業(yè)務(wù)隊列分組的平均延時，圖中縱坐標(biāo)為每個分組的延時累加/業(yè)務(wù)分組個數(shù)。從圖中可以看出改進(jìn)型的M-LWDF算法可使聚合話音業(yè)務(wù)的分組平均延時降低，故性能好于M-LWDF算法。

圖5　改進(jìn)型M-LWDF算法業(yè)務(wù)分組調(diào)度時延

圖6　兩種算法業(yè)務(wù)平均時延對比圖

3　結(jié)束語

文中根據(jù)無線通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)承載發(fā)展情況，提出了一種基于專用隊列和默認(rèn)隊列的上下行業(yè)務(wù)調(diào)度器結(jié)構(gòu)，針對不同隊列采用不同的調(diào)度策略。同時為更好的保障實時性業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，提出了一種改進(jìn)型的實時隊列調(diào)度算法，在MLWDF算法中引入優(yōu)先級參數(shù)與公平性參數(shù)，使得業(yè)務(wù)發(fā)送調(diào)度既可滿足業(yè)務(wù)流的QoS保障要求，又可對信道質(zhì)量的變化情況進(jìn)行響應(yīng)，提升系統(tǒng)中用戶的業(yè)務(wù)體驗，并通過matlab仿真驗證其合理性與優(yōu)越性。

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An improved M-LWDF dynamic traffic scheduling method

LIU Hai-ke，LI Ji-lin，ZHANG Hua-jian
（Beijing Institute of Satellite Information Engineering，Beijing 100086，China）

With the rapid development of wireless communication technology，wireless communication network will carry more and more high-speed multimedia services.It requires a flexible and reliable QoS function to provide users with a good service experience.The scheduling method of high speed traffic flow is an important part of QoS system.The traditional traffic schedule algorithms only consider the absolute priority of the traffic flows，or the waiting time before the packets scheduled. These methods lack the ability of dynamic regulation with the change of channel quality and traffic throughput.In view of the above problems，an improved M-LWDF dynamic scheduling method is proposed.By introducing the fairness parameter and priority parameter，improve the performance of the traffic scheduler.The simulation results show that the improved dynamic scheduling method can make the traffic flows get better delay and jitter index.

wireless communication network；M-LWDF；traffic scheduling algorithm；real-time traffic；fairness

TN915.41

A

1674－6236（2016）22-0026-04

2015-11-18稿件編號：201511166

劉?？停?986—），男，河北秦皇島人，博士研究生。研究方向：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、SDN網(wǎng)絡(luò)。