WiMAX系统中QoS机制研究

摘要：文章分析了WiMAX系统QoS机制的主要内容：业务流管理、QoS保证算法，探讨了QoS机制对主动授权、实时查询、非实时查询和尽力而为等数据业务的支持。为了让不同业务的QoS得到保证，文章重点探讨了基于信道状态的分组调度算法(CSDPS)、基于业务类型排队(CBQ)的CSDPS调度算法和通用处理器共享策略，并给出了相应的算法模型。

关键词：无线城域网；IEEE 802.16协议；媒体接入控制；服务质量；调度算法

Abstract:The QoS associated with a WiMAX system mainly refers to: service flow management and QoS guarantee algorithm, which are analyzed first. And then the support of QoS for Unsolicited Grant Service (UGS), Real-Time Polling Service (rtPS), Non-Real-Time Polling Service (nrtPS), Best Effort (BE) and other data services are discussed. In order to guarantee the QoS for multimedia services, the paper puts emphasis on the discussion of Channel State Dependent Packet Scheduling (CSDPS) algorithm, Class Based Queuing (CBQ)+ CSDPS algorithm and General Processor Sharing (GPS) algorithm, with relevant algorithm models.

Key words:wireless MAN; IEEE 802.16 protocol; MAC; QoS; scheduling algorithm

IEEE 2004年10月正式发布了IEEE 802.16-2004[1]，它是相对比较成熟并且最具实用性的一个标准版本。IEEE 802.16-2004版本是一个相对成熟的标准，如果不考虑移动性，目前WiMAX系统的研究主要基于IEEE 802.16-2004进行。

随着WiMAX应用的逐步形成，越来越多的关键问题需要解决，例如MAC层的同步问题、碰撞解决算法、分组调度机制等成为目前研究的重点。由于WiMAX能够支持多种多媒体业务，采用面向连接机制，其端到端的QoS机制显得尤为重要，基于数据业务的业务流管理成为WiMAX的最关键问题之一。为了提高系统频谱效率，满足用户间的公平性，同时很好地支持不同业务的QoS保证，需要研究和实现QoS解决机制的核心：MAC层的资源管理和调度算法。

1 WiMAX体系结构

IEEE 802.16系列标准专门定义了WiMAX的无线空中接口，其空中接口由物理层(PHY)和媒体接入控制(MAC)层组成，如图1所示。

1.1 媒体接入控制层

IEEE802.16的MAC层功能独立于具体的物理层规范，由上到下依次分为3个子层：

(1)特定业务会聚子层

特定业务会聚子层(SSCS)提供与更高层的接口，通过不同的会聚方式更好地适配各种上层业务与协议。

(2)MAC公共子层

MAC公共部分子层(CPS)负责执行MAC层核心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立、连接维护等。

(3)私密子层

私密子层(PS)提供加密、鉴权、密钥交换等与安全有关的功能。

由于WiMAX的定位是基于无线模式进行“最后一公里”的连接，因此其MAC层的主要功能就是高效地对无线链路进行管理。IEEE 802.16的MAC层支持两种网络拓扑方式：点对多点(PMP)和网状网(Mesh)。IEEE 802.16 MAC协议是面向连接的，当用户站(SS)被激活进入网络，会与基站(BS)建立一个或多个用于数据传输的连接。MAC层对无线资源的使用进行调度并根据业务不同提供QoS保证，通过采用链路自适应技术和自适应重传(ARQ)技术以提供比较高的频谱效率。

IEEE 802.16 MAC规定了上行信道接入采用按需多址(DAMA)与时分多址(TDMA)或正交频分多址(OFDMA)相结合的方式。由BS对上行链路资源进行管理，SS在上行信道上进行资源请求，BS搜集请求信息并根据SS的链路质量和服务协定对SS的申请进行资源分配。无线资源可能给予特定用户进行接入，也可能给予一组用户竞争接入。BS将一帧内的资源分配信息写入上行链路映射(UL-MAP)，UL-MAP消息在下行信道中广播给SS。一个UL-MAP消息可能安排一些无线资源用于SS单独传送数据，另一些无线资源则给所有或部分SS竞争使用。由于采用竞争传输方式会产生冲突，IEEE 802.16建议使用截短的二进制指数退避算法进行冲突避免。

1.2 物理层

IEEE 802.16共定义了4种物理层规范，分别为无线城域网-单载波(WMAN-SC)、无线城域网-增强单载波(WMAN-SCa)、无线城域网-正交频分复用(WMAN-OFDM)和无线城域网-正交频分多址(WMAN-OFDMA)，其中WMAN-SC模式工作在10~66 GHz频段，而其他模式工作在2~11 GHz频段。各种模式的物理层均支持时分双工(TDD)、频分复用(FDD)以及半频分复用(Half-FDD)3种方式。除了WMAN-OFDMA模式上下行链路采用了OFDMA接入方式外，其余3种模式下行链路采用时分复用(TDM)广播方式，上行链路采用DAMA与TDMA结合的多址方式。在WMAN-OFDM中上行链路也可采用OFDMA资源分配方式。在各种物理层模式中分配资源单元的含义有所不同，例如在WMAN-SC和WMAN-SCa模式中，分配资源单元主要指时间段，而在WMAN-OFDM和WMAN-OFDMA中分配资源单元还包含子信道。如果采用了自适应天线系统(AAS)，资源单元还包含空间资源。

图2所示为采用WMAN-OFDM模式的TDD系统帧结构示意图。帧分为上、下行子帧。下行子帧由导频、帧控制头部(FCH)和一些数据突发组成。FCH规定了紧跟其后的一个或多个突发的属性和长度。下行链路映射(DL_MAP)、UL_MAP、下行链路信道描述(DCD)、上行链路信道描述(UCD)以及其他描述帧内容的广播消息都在第一个突发的开头发送，剩余的下行链路子帧由各个SS的数据突发构成。DL_MAP和UL_MAP规定了上下行子帧中的详细控制信息。

2 WiMAX的QoS机制

为了能支持多媒体业务，结合使用单播、组播和广播3种查询方式以支持不同的QoS，IEEE 802.16-2004定义了4种调度业务类型，并对每种业务类型的带宽请求方式进行了规定：

(1)主动授权业务

主动授权业务(UGS)用于传输固定速率实时数据业务，例如T1/E1以及没有静默压缩的VoIP等。BS周期地以强制方式进行调度，不接受来自SS的请求，同时禁止使用捎带请求。BS基于业务流的最大连续业务速率(MSTR)周期性地提供固定长度的授权，这样避免了带宽请求引入的开销和时延以满足实时业务的时延和时延抖动要求。SS可以通过帧中的联带 (PM，即Poll-Me)比特的设置为同一SS下的其他非UGS业务流请求单播机会。如果需要改变某个授权周期内的授权数目，SS必须启动动态业务改变(DSC)过程。

(2)实时查询业务

实时查询业务(rtPS)用于支持可变速率实时业务，是为满足动态变化的业务需求而设计，例如MPEG视频业务。BS为rtPS提供周期性的单播查询请求机会，并禁止使用其他竞争请求机会和捎带请求。由于SS提出请求，协议的开销和时延会增加。

(3)非实时查询业务

非实时查询业务(nrtPS)支持非周期变长分组的非实时数据流，例如，有保证最小速率要求的因特网接入。BS提供比rtPS更长的周期或不定期的单播请求机会。可以使用竞争请求(多播或广播)机会，甚至被主动授权。nrtPS可以被设置成不同优先级。

(4)尽力而为业务

尽力而为业务(BE)支持非实时无任何速率和时延抖动要求的分组数据业务，如E-mail和短信等，不要求提供吞吐量和时延保证。BE允许使用任何类型的请求机会和捎带请求。

与这4种调度服务相关的QoS参数包括：最大连续速率(MSR)、最小保证速率(MRR)、最大时延、最大时延抖动以及业务优先级等，如表1所示。

WiMAX系统的QoS机制包含两部分的内容，一部分是关于业务流的管理，它提供了一种实现上、下行QoS管理的机制，它是MAC层的核心功能，包括QoS参数集、业务流定义、分类符和动态业务管理等，在IEEE 802.16中进行了详细规定；另一部分是相应的QoS保证机制，包括调度算法、缓冲池管理和流量控制等，在协议中对这些算法并没有进行定义和阐述。

2.1 WiMAX系统中的业务流管理

在WiMAX中，QoS的核心原理是通过把MAC层传输的数据包与一个由连接标识符(CID)标识的业务流关联起来，数据包的业务类型和相应参数都包含在CID中，使得每个数据包在进行调度前具有相应的QoS要求。IEEE 802.16 MAC协议对QoS的支持分为3部分：首先创建最初的业务流并对业务流的QoS参数进行配置；然后对业务流进行动态管理，包括动态业务增加(DSA)、动态业务改变(DSC)和动态业务删除(DSD)；最后在通信过程中对MAC 的分组数据单元(PDU)进行分类并依据业务流的类别区分优先级进行调度。

2.1.1 QoS参数集

QoS参数集是一组描述业务流的QoS参数(包括时延、时延抖动、最小保证速率等)的集合。一条业务流由3个参数集组成：指派QoS参数集、已接纳QoS参数集和激活QoS参数集。

指派QoS参数集是对业务流进行静态或动态配置时指派的QoS参数集。系统可以在配置业务流期间或创建业务流期间对其资源要求能否被满足进行审查。

已接纳QoS参数集是BS认为能够满足其资源要求的QoS参数集，BS必须为接纳了的业务流按其已接纳QoS参数集要求预留资源。

对于激活QoS参数集来说，BS为处于激活状态的业务流提供其实际需要同时又不大于接纳QoS参数集的资源要求。

同一条业务流的3个QoS参数集满足如下关系：激活QoS参数集为已接纳参数集子集，已接纳QoS参数集为指派参数集的子集。

业务流主要可以分为3类：已指派、已接纳以及激活。对于已指派业务流来说，已接纳QoS参数集和激活QoS参数集均为“空”；对于已接纳业务流来说，BS按照已接纳QoS参数集的内容预留资源，但并未实际占用，激活QoS参数集为“空”；对于激活业务流，实际占用BS按照已接纳QoS参数集安排资源，接纳QoS参数集和激活QoS参数集均“非空”。

2.1.2 业务流标识、连接标识和业务类

业务流标识(SFID)用于标识网络中已经创建的不同业务流，一个业务流至少有一个SFID。在注册过程中，BS为注册请求的每条业务流分配一个SFID；另外在DSA过程中，BS为动态增加的每条业务流分配一个SFID。分配了SFID的业务流可能并未被立即接纳或激活，而仅仅处于已指派状态。业务流动态管理使用SFID来唯一标识业务流。

CID用于标识网络中已经被接纳的业务流，在注册和动态业务增加过程中，BS为被接纳的业务流分配CID。在将已接纳QoS参数集由“空”成功改变为“非空”动态业务流过程中，BS也要为相应的业务流分配CID。CID主要用于分配UL-MAP，如果执行DSC过程后，某业务流已接纳QoS参数集为“非空”，则它的CID将被释放，但SFID仍保留。

业务类在IEEE 802.16中为一种在BS端的可选机制，通过将多个常用的QoS参数集分别映射为多个ASCII码，消息发送方只需说明业务类名字，接收消息的BS就可以按一定规则将该名字扩展为一组QoS参数。业务类使得配置业务流任务由指派服务器转移到BS上完成，使同类服务实现更为灵活。运营商通过一个业务类名字对一个SS进行指派，而该名字的实现在BS上进行配置，BS可以将该名字依据局部环境映射为不同的具体实现。业务流可通过3种方式得到其QoS参数集：显式指明所有QoS参数集、指明业务类名字、指明业务类名字及需要改变的参数。

2.1.3 分类符

分类符是对进入系统的每一数据单元(分组或ATM信元)进行分类的匹配标准。ATM信元匹配标准为虚路径识别器(VPI)和虚信道识别器(VCI)，分组匹配标准为IP地址。分类符和CID相关联，如果ATM信元或分组与某分类符匹配，则该ATM信元或分组将递交给与此分类符相关联CID所定义的连接，该连接的业务流特性将为该数据单元提供相应的QoS。多个分类符可以与同一个CID关联，但一个分类符只能关联一个CID。分类符存在优先级，进入系统的数据单元首先与优先级最高的分类符进行匹配，如果不匹配再与次优先级的分类符进行匹配。如果数据单元与所有分类符都不匹配，则将丢弃该分组。

分类符可以通过管理操作(配置文件、注册)增加，也可以通过动态业务操作(如DSA、DSC、DSD)来增加、改变或删除。

2.1.4 动态业务流管理

业务流是一个提供特定QoS的单向数据流，SS和BS依据为业务流定义好的QoS参数提供相应的QoS服务属性，这些属性包括SS如何请求上行带宽以及BS上行调度器进行相应的调度执行。一条业务流至少有一个SFID，3个QoS参数集以及一个鉴权模块，当业务流激活或接入系统时还将分配一个CID。业务流的建立和业务流QoS参数集的改变都必须通过鉴权模块。鉴权模块分为预指派和动态两种模型，如图3所示。多媒体业务QoS的区分机制详细阐述了上下行链路SS和BS的处理流程，包括不同业务的CID分配、调度和接入等功能，调度在QoS保证中占有核心地位[2]。

业务流可以通过MAC动态业务创建、改变或删除。动态是指这些操作在SS与BS的通信过程中进行，而不是在通信前建立。动态业务流创建可由BS或者SS发起。由BS发起的动态业务创建请求(DSA-REQ)消息将包含一个上行链路或下行链路业务流的SFID，还包含与其关联的CID以及一组已接纳或激活的QoS参数。由SS发起的DSA-REQ消息将包含业务流参考(SFR)和QoS参数集，SFR用于将分类符与业务流联系起来。

动态业务流改变由BS或SS发起，在动态业务改变请求DSC-REQ消息中必须使用SFID指定要改变的业务流。DSC过程既可以改变指定业务流的QoS参数，也可以增加、删除或替换该业务流的分类符。当DSC过程使激活QoS参数集由“空”变为“非空”或者由“非空”变为“空”时，可实现其激活或去激活业务流功能。

所有的业务流都可以由BS或SS发起的DSD过程删除，某业务流一旦被删除，与其相关的所有资源都释放。如果某SS的基本业务流已经删除，该SS必须重新注册鉴权。通常情况下，DSD-REQ用SFID来指定要删除的业务流。当SS发起的DSA过程出错而发起DSD-REQ时，由于BS还没有为该业务流分配SFID，DSD-REQ消息使用SFR来指定要删除的业务流。

2.2 WiMAX系统QoS保证机制

如前所述，目前的网络中有多种应用，包括话音、视频以及数据，有的有实时性要求，有的有互操作性要求。不同的业务采用不同的请求轮询机制，对它们进行区分服务对于保证不同业务的QoS来说是非常关键的。图4中给出了不同业务流相对应的业务分类、排队和调度机制，根据对实时性和传输业务速率的要求不同把所有业务分成三种业务类型进行排队，然后不同的对列采用不用的调度算法，从而满足不同业务的QoS要求。

不同业务的QoS保证可以分为两大类：带宽管理机制和业务流处理机制。带宽管理机制具体包括：接入控制和资源预留。业务流处理机制具体包括：业务流分类、分组调度、缓冲池管理、业务流监控和信道接入等。

当一个新业务接入系统时，BS必须能够监测该业务接入是否会对已有通信业务产生影响，导致系统无法稳定工作等，另外，根据用户的资源申请进行资源分配等，这是带宽管理机制的主要功能。为了保证具有更高优先权的业务接入系统，BS需要评估整个小区下的业务量大小，为高优先级的业务(如UGS)预留足够的资源，这就是带宽管理机制中的资源预留机制。

业务流机制下的不同算法如图5所示，由于WiMAX系统同时支持多种业务，在图4中把对时延和传输速率要求不同的业务整个分为3种排队和调度类型，所以在图5中会有2层调度。第1层调度针对同种排队类型的业务，第2层调度针对不同种排队类型业务。

图5中的缓冲池管理主要是为了防止缓存器中的数据溢出，包括随机早期侦测(RED)和加权随机早期侦测(WRED)[3]算法。而流量控制主要在于保证业务的传输速率特性，目前有两种常用算法：漏桶法和令牌桶法。对于属于IP包类的上层业务流可以选用令牌桶法，而对于ATM信元类的上层业务流选则采用漏桶法。调度算法在流处理机制中处于核心地位，它是QoS能否得到保证的关键。

调度算法是在分组的级别上给出宽带分配和复用机制，接入控制和拥塞控制策略都取决于所采用的具体调度规则。在有线网络中已经提出了许多能够提供可靠QoS保证的调度算法，但是这些调度规则不能直接应用于无线网络，因为它们没有考虑到变化的无线链路的信道特性。

无线通信中有许多有线网络中不存在的特殊性质：高错误率和突发特性、无线链路的位置相关性和时变性、带宽资源短缺、用户具有移动性(如果结合IEEE 802.16e)、终端功率受限等。

调度算法的分类有很多，例如按对象不同，调度算法可分为工作站间调度和工作站内调度；按调度具体实现的方式，可分为分层式调度和平面调度等。

2.2.1 基于信道状态的分组调度算法

图6显示了基于信道状态的分组调度算法(CSDPS)的原理，每一个移动台的分组数据信息都保存在一个独立的队列中，假如有3个移动台，则存储每个移动台的信息队列分别编号为M1、M2和M3。在每一个队列里，分组数据按照先入先出(FIFO)顺序处理。当一条无线链路传输发生错误时，调度算法推迟这条链路上的分组数据传送。链路状态监视器(LSM)监视所有移动台的链路状态信息。当LSM监测到某无线链路处于异常状态时，则标记该队列，标记过的队列不再被服务。在暂停一段时间后取消对队列所做的标记，该标记队列重新可以进行资源调度。

CSDPS算法考虑了与位置相关和时间相关的无线信道状态，改进了传统调度算法性能。然而，它有一些缺点，即它没有采用任何机制来保证每个移动用户分配的带宽大小。对处于异常状态的用户来说，其享有的服务调度机会比它应享有的公平服务调度机会小很多；此外，该算法对移动用户接收到的服务数量没有限制，并且对分组时延没有提供任何限制。

2.2.2 基于CBQ的CSDPS调度算法

为了解决CSDPS的带宽资源分配不公平问题，提出了一种基于业务类型排队(CBQ)的CSDPS调度算法。在该算法中，对用户或业务流进行分类，每类业务都指定特定带宽大小。CSDPS用来处理无线链路的变化，CBQ用来在整个无线信道的资源分配上提供公平机制。

CBQ是一种分级的信道共享机制，确保业务类在预定义好的时间内接收到足够资源进行传输。CBQ跟踪每种业务类型在一确定时间间隔窗口中收到的业务数量，并且限制超过应分配共享带宽的用户或者业务在未来分配资源的大小。

2.2.3 通用处理器共享策略

通用处理器共享(GPS)算法是一种基于流的链路调度策略，它具有以下两个优点：

(1)可以为经过流量监控后的业务流提供端到端的时延保证，这对实现端到端的QoS保证具有重要意义。

(2)可以保证各业务流公平地享用无线带宽资源，保证业务流间的公平性。

GPS是一种理想情况下的调度策略，它将分组数据传输看作是连续的，并且视其为可以无限细分的流。但在实际系统中，分组数据传输是瞬间的，并且数据都是作为一个数据块间断发送出去。因此GPS只能作为一种理论分析算法，目前已经有很多GPS改进策略，如加权公平排队(WFQ)、开始时间公平排队(SFQ)、无线注水公平排队(WF2Q)等算法。考虑到无线信道特性，人们还提出了理想加权公平排队(IWFQ)、独立于信道状态的公平排队(CIF-Q)算法、基于服务器的公平算法(SBFA)和改进的基于信道状态的包调度(I-CSDPS)算法[4]，但所有的这些算法并不是为无线城域网提出来的，如何把这些算法和无线IEEE 802.16 MAC层协议以及无线城域网的业务特性结合起来，提出更加先进的无线调度算法，在提高系统频谱效率的同时，保证用户间的公平性，并且满足多业务QoS要求，是未来研究的重点。

3 总结

IEEE 802.16标准定义了一系列相互协作的协议规范以保证无线接口上的QoS得到保证，包括MAC层的鉴权机制、业务流建立控制协议、调度算法、无线资源管理机制、和采用自适应编码调制技术来保证1×10－6误码率的物理层机制。由于无线城域网自身多业务特性和无线传输信道特征的时变特点，WiMAX端到端的QoS实现需要各层之间相互协作，所以跨层协议研究是未来的重点，另外还需要在移动性和安全性方面做更深一步研究。

总之，在当前宽带无线空中接口标准当中，IEEE 802.16对QoS的定义还是较完备的。它特别定义了关键的调度业务服务类型，并给出了不同业务类型的QoS配置标准，根据协议的定义，如何有效地进行业务流管理，如何提出先进的算法，如缓冲池管理策略、流量监控和分组调度，是未来研究工作的重点，也是无线城域网QoS保证的关键。

4 参考文献

[1] IEEE 802.16-2004 (Revision of IEEE 802.16-2001) IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems [S].

[2] Govindan Nair, Joey Chou. IEEE 802.16 Medium Access Control and Service Provisioning [J]. Intel Technology Journal, 2004,8(3):213—228.

[3] Mario Pidutti. 802.16 Tackles Broadband Wireless QoS [DB/OL]. http://www.commsdesign.com/showArticle.jhtml?articleID=54201623.

[4] Cao Yaxin, Li O K. Scheduling Algorithms in Broad-Band Wireless Networks [J]. IEEE, 2001,89(1).

收稿日期：2005-01-10

作者简介：

彭木根，北京邮电大学电信工程学院无线通信中心在读博士生，从事第三代移动通信系统WCDMA和TD-SCDMA系统无线资源管理技术、网络规划优化和系统电磁兼容技术研究，目前重点研究无线城域网关键技术和Mesh分布式路由和调度算法，以及异构组网技术等。已在国内外著名会议和核心期刊上发表论文20多篇，编辑和翻译移动通信专著3本。

李茗，北京邮电大学电信工程学院无线通信中心在读硕士研究生，研究方向为宽带无线通信系统，目前研究重点为IEEE 802.16 MAC层机制及关键算法。

王文博，北京邮电大学电信工程学院院长，博士生导师，教授。IEEE会员，北京通信学会理事，北京邮电大学学报编委，北京邮电大学学术委员会常委，现主要从事移动通信无线传输理论和技术研究，无线通信网络理论研究，宽带无线接入互联网络研究，以及数字信号处理与软件无线电理论研究等。在国内外学术刊物和国际学术会议上发表论文70余篇，出版专著5本。