专利名称：：高速无线个人网协议中基于信道的调度方法
技术领域：
：本发明涉及本发明涉及无线个人网络的相关
技术领域：
，具体地说是高速无线个人网协议中基于信道的调度方法。
背景技术：
：基于正EE802.15.3的高速无线个人网络协议中采用时分复用多址方式和集中式的信道分配机制来提供多用户之间的数据传输。在该标准中，最基本的时间结构为超帧(如图l)，每个超帧中包括若干信道时隙分配(CTA)用以该CTA所指定的设备之间的数据传输。CTA由网络控制设备(PNC)根据特定的调度算法进行分配。该分配结果由网络控制设备在每个超帧开始的信标帧(Beacon)中进行广播。管理信道时隙分配(MCTA)是特殊的CTA，用于网络设备和网络控制设备之间的信令交互。需要进行数据发送的设备负责在随机接入信道，对应于每个超帧中的竞争接入时期(CAP)中向网络控制设备发送所请求信道资源的数量和信道资源分配所需要的调度信息。IEEE802.15.3物理层工作在不需要许可证的2.4GHz至2.4835GHz之间，物理层的传输速率有llMbps、22Mbps、33Mbps、44Mbps和55Mbps五种，系统规定的符号传输速率为11Mbps,与五种速率相对应的编码调制方式分别为网格编码调制(TrellisCodedModulation,TCM)QPSK、DQPSK、TCM16QAM、TCM32QAM和TCM64QAM。通过传输速率的自适应调整，可以有效的提高系统的吞吐量和误码率性能。由于正EE802.15.3协议未对信道资源调度算法做出规定，传统的固定长度时隙的调度算法又无法充分利用信道资源，这就为高效的基于信道状态的调度算法的应用提供了前提和实用意义。基于信道的调度算法已广泛采用于cdma2000lxEV-DO，HSDPA，EVDO，4G等系统中，而在正EE802.15.3高速无线个人网中尚未提出和采用。目前广泛关注的基于信道的调度算法有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据数据流当前信道状况所支持的传输速率将其从大到小排序，并按照这种顺序对数据流进行信道资源的分配。其公式表示如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>(1)其中A(0为对应于数据流i的无线信道当前所支持的数据传输速率。PROP-FAIR算法曾在cdma2000lxEV-DO(dataoptimized)中采用，针对MAX-RATE算法中公平性差的缺点，它重新定义了数据流服务优先级别的计算方法<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>(2)其中/z,G)指在当前时刻t一定时间窗口re内统计的数据流所支持的平均传输速率，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>3)M-LWDF算法采用下式选择所要分配信道资源的数据流。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>(4)其中WG)指t时刻数据流i缓冲区队列中的HOL(headofline)数据包的等待时间，的表达式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>(5)其中《是指数据流i中数据包的网络生存时间(deadline),《指数据流i的QoS参数，可以将其看作是分组等待时间超过最大时延限制的概率，以上参数存在如下关系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>(6)EXP算法类似于M-LWDF算法，它也是将各数据流的时延考虑进来，给出数据流服务优先级别的计算公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>(7)其中*=±^^^(0,为待服务数据流缓冲区队列中的HOL数据包的加权平均等待时间。K与^的取值和M-LWDF算法相同。M-LWDF和EXP算法充分考虑到了不同数据流传输下的信道状况和数据流对于QoS的要求。M-LWDF算法和EXP算法均已被证明为吞吐量最优，也就是说，在数据流到达过程和信道变化为遍历平稳随机过程的假设下，这两种算法具有最大的系统稳定区域。可以看出，在这两种调度算法中";为优先级参数，赋予某个数据流较高的a,.值可以使其获得更大的吞吐量和更小的时延，但过高的设置某条数据流的优先级有损数据流间的公平性并导致系统整体性能下降，因此，需要合理设置及调整",的取值，以尽可能满足所有数据流的QoS要求。受到网络拓扑结构和数据流特征等因素影响，在某些情况下，如高负荷的多媒体数据传输，我们发现单纯的采用基于信道的调度算法的IEEE802.15.3高速无线个人网络系统的性能存在一定程度的损失，因此引入了如下两种跨层优化控制机制以增强系统的健壮性。BTED(Bursttransfereligibilitydecision)机制负责判断发送数据流中每个数据包是否能够在其超时之前进行传输。若不能，则丢弃该数据包。该机制可以有效减少由于传输在其网络生存时间内不可能传输成功的数据包的多余分片而造成的信道资源浪费。当采用M-LWDF和EXP算法时，该机制可以有效的提高系统在高负荷下的吞吐量性能。FDA(frame-decodabilityaware)机制专门为MPEG数据流设计。视频MPEG编码是目前广泛采用的视频编码方式。MPEG数据流在编码时会被压縮成连续的GOP(GroupofPicture)结构，如图2所示为(12，3)GOP结构，GOP中包含I，P，B三种不同类型的数据帧，由于不同的压縮率使三种帧的大小有很大的差异，通常I帧是最大的，其次是P帧，最小的是B帧。不同类型数据帧之间编码和解码的依赖关系是MPEG数据流的一个重要特征，如图中箭头所示。只有数据帧传输正确并且它所依赖的其他数据帧均能正确解码，该数据帧才是可解的。FDA机制会在发送端丢弃已经确定不可解的MPEG帧以减少传输这些不可解帧带来的信道资源浪费。如上所述，MPEG在解码过程中要依赖其他的帧。如果I帧传输错误，则可确定整个GOP不可解，发送端会丢掉整个GOP，同样，P帧传输错误会造成之后的GOP丢弃。相比与BTED机制，FDA机制防止间接的数据帧丢失(不可解)。已提出的针对IEEE802.15.3高速无线个人网络协议的调度方法未充分考虑信道信息和数据流对于QoS的要求。这样做的缺点主要为1)不能充分利用信道资源。无线通信信道的时变特性以及多径传播引起的衰落特性，使得网络中设备之间能够提供的数据传输速率有所不同，而且快速的异步随机变化。特定时刻某个数据流的接收信噪比可能会很低，使得该数据流只能采用较低的速率传输，传输相同的数据量需要更多的时间。经常将信道资源分配给这样的数据流会大大降低网络所能支持的平均吞吐量和系统时延性能。好的调度方法应该能够利用信道的这一特点，在某个数据流信道传输状况不好的时候选择其他的数据流进行传输。对于快衰落的信道，信道的变化速度较快，也不会出现数据流长期得不到服务的情况。因此，基于信道的信道资源调度方法能够很好的克服信道衰落的不良影响从而提高无线个人网络中的信道利用率。2)不能适应不同类型的数据流对于QoS的要求。由于不同类型的数据流有不同的QoS要求，实时的语音和视频流的传输要求较低的系统时延，而一般数据的传输则要求较小的误帧率。传统的调度方法并未考虑不同数据流之间的QoS差别，这导致实时数据流可能拥有较大的系统时延，而非实时数据流的误帧率也得不到降低。
发明内容本发明的目的是提供了高速无线个人网协议中基于信道的调度方法，解决了现有方法不能充分利用信道资源以及不能适应不同类型的数据流对于QoS的要求的问题，克服了信道衰落对网络性能的影响。为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案本发明公开了一种高速无线个人网协议中基于信道的调度方法，调度过程具体如下-1)当网络设备完成数据流注册工作后，网络控制设备(PNC)根据信道资源请求(Channeltimerequest)信令里信道资源请求数据块中信道资源请求控制域的优先级(Priority)(参见[l〗中表A1)确定数据流调度的优先级参数初始值。如对于视频流数据，我们取(5)式中的《0.01，;-100ffw。对于语音数据流，取《.=0.01，7]=10/ra。上述参数可作为缺省参数以简化系统设计，但该优先级参数可根据数据传输情况调整进行系统性能优化。2)网络设备应用BTED和FDA(当传输MPEG数据流时)机制根据当前数据包队列和信道信息在数据发送或向网络控制设备(PNC)发送调度信息之前对发送数据流进行过滤。对于BTED机制，网络设备采用HOL数据包剩余长度和当前信道状态/z,々)计算出该数据包所需的预期剩余传输时间，并和该数据包剩余网络生存时间进行比较，若传输时间大于剩余网络生存时间，则丢弃该数据包。对于BTED机制，则根据记录的该GOP之前帧的传输结果采用帧间依赖关系判断当前帧是否可解，并丢弃判断为不可解的帧。被丢弃的数据包确定为传输失败，通知上层协议。3)每个网络设备负责发送信令通知网络控制设备(PNC)其传输数据流的信道资源调度所需的相关信息。该信令可在竞争接入信道(对应于超帧中的CAP时隙)，该数据流的CTA，或PNC专门分配的openMCTA中发送。信令格式设计如下<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>CommandType为Schedulinginformationupdate,对应于正EE802.15.3标准中信令类型一个保留值，如0x001D。根据正EE802.15.3标准，Length为信令长度，在此为3bytes。TransmissionRate对应于相应的数据流在下一个超帧所要采用的数据传输速率，可取0x00-0x05。0x00表示该数据流由于接收功率过低等原因在下一超帧不进行数据传输，0x01-0x05分别对应于IEEE802.15.3物理层ll-55Mbps数据传输速率。QueueLength为相应的数据流的数据包队列长度。该长度以数据分片个数为单位，取值为0-255。WaitingTime设为数据流中第一个数据包的等待时间，单位为超帧个数。PNC负责维护每个数据流的调度信息。首先，网络控制设备(PNC)周期的分配MCTA以使得长期没有信道资源分配的数据流能够及时更新其调度信息。有关数据流的数据传输速率，数据队列长度，数据包等待时间的信息通过Schedulinginformationupdate信令更新，若经过一个超帧后没有收到某个数据流的信息更新信令，则网络控制设备(PNC)中该数据流调度信息的WaitingTime加1，QueueLength和TransmissionRate保持不变，当WaitingTime超过数据流网络生存时间后，WaitingTime,QueueLength和TransmissionRate清零，等待更新信令。调度算法中用到的A(/)由PNC收到Schedulinginformationupdate信令时根据(3)式更新4)网络控制设备在每个超帧开始时根据(8)式对各个数据流进行排序，式中各参数的定义和第4节相同，来自于网络控制设备(PNC)维护的数据流优先级参数和调度信息。排序后，按该顺序分配数据流所需要的信道资源，分配长度可根据网络控制设备(PNC)的数据流调度信息中TransmissionRate和QueueLength参数计算获得，直到当前超帧信道资源分配完毕或没有数据需要传输。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>5)网络控制设备在信标帧中对信道分配结果进行广播。6)各个设备在所分配的CTA中进行数据传输。若数据传输后CTA尚有剩余，可发送SchedulingInformationUpdate信令更新该数据流的调度信息。本发明的特点在于1)将基于信道状况的调度方法引入高速无线个人网中以提高网络的信道利用率和整体性能。2)合理配置调度参数以优化网络性能。3)设计反馈机制使得各条数据流调度所需信息能够准确及时的发送至网络控制设备(PNC)。图1是基于IEEE802.15.3的高速无线个人网络协议中采用的超帧结构示意图2是G0P结构示意图3是基于信道的调度方法的系统示意图。具体实施例方式以下结合附图及实施例对本发明作进一步描述。高速无线个人网协议中基于信道的调度方法，其应用范围为基于正EE802.15.3协议的高速无线个人网络中的实时和非实时数据的传输。其前提是1)各条数据流的传输可以进行传输速率的自适应调整，这可以通过在ACK帧中加入反馈机制实现；2)各条数据流能够实时的告知网络控制设备(PNC)调度所需参数。本发明所提出的IEEE802.15.3高速无线个人网协议中基于信道的调度方法系统设计如图3所示。调度过程具体如下1)当网络设备完成数据流注册工作后，网络控制设备(PNC)根据信道资源请求(Channeltimerequest)信令里信道资源请求数据块中信道资源请求控制域的优先级(Priority)(参见[l]中表Al)确定数据流调度的优先级参数初始值。如对于视频流数据，我们取(5)式中的《=0.01，7;-ioo附s。对于语音数据流，取《=0.01，t;=iow。上述参数可作为缺省参数以简化系统设计，但该优先级参数可根据数据传输情况调整进行系统性能优化。2)网络设备应用BTED和FDA(当传输MPEG数据流时)机制根据当前数据包队列和信道信息在数据发送或向网络控制设备(PNC)发送调度信息之前对发送数据流进行过滤。对于BTED机制，网络设备采用HOL数据包剩余长度和当前信道状态^(,)计算出该数据包所需的预期剩余传输时间，并和该数据包剩余网络生存时间进行比较，若传输时间大于剩余网络生存时间，则丢弃该数据包。对于BTED机制，则根据记录的该GOP之前帧的传输结果采用帧间依赖关系判断当前帧是否可解，并丢弃判断为不可解的帧。被丢弃的数据包确定为传输失败，通知上层协议。3)每个网络设备负责发送信令通知网络控制设备(PNC)其传输数据流的信道资源调度所需的相关信息。该信令可在竞争接入信道(对应于超帧中的CAP时隙)，该数据流的CTA，或PNC专门分配的openMCTA中发送。信令格式设计如下<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>CommandType为Schedulinginformationupdate,对应于正EE802.15.3标准中信令类型一个保留值，如Ox001D。根据正EE802.15.3标准，Length为信令长度，在此为3bytes。TransmissionRate对应于相应的数据流在下一个超帧所要采用的数据传输速率，可取0x00-0x05。0x00表示该数据流由于接收功率过低等原因在下一超帧不进行数据传输，0x01-0x05分别对应于正EE802.15.3物理层ll-55Mbps数据传输速率。QueueLength为相应的数据流的数据包队列长度。该长度以数据分片个数为单位，取值为0-255。WaitingTime设为数据流中第一个数据包的等待时间，单位为超帧个数。PNC负责维护每个数据流的调度信息。首先，网络控制设备(PNC)周期的分配MCTA以使得长期没有信道资源分配的数据流能够及时更新其调度信息。有关数据流的数据传输速率，数据队列长度，数据包等待时间的信息通过Schedulinginformationupdate信令更新，若经过一个超帧后没有收到某个数据流的信息更新信令，则网络控制设备(PNC)中该数据流调度信息的WaitingTime力Q1，QueueLength和TransmissionRate保持不变，当WaitingTime超过数据流网络生存时间后，WaitingTime,QueueLength和TransmissionRate清零，等待更新信令。调度算法中用到的A(f)由PNC收到Schedulinginformationupdate信令时根据(3)式更新4)网络控制设备在每个超帧开始时根据;y/,々)exp对各个数据流进行排序，式中各参数的定义和先前叙述相同，来自于网络控制设备(PNC)维护的数据流优先级参数和调度信息。排序后，按该顺序分配数据流所需要的信道资源，分配长度可根据网络控制设备(PNC)的数据流调度信息中TransmissionRate和QueueLength参数计算获得，直到当前超帧信道资源分配完毕或没有数据需要传输。5)网络控制设备在信标帧中对信道分配结果进行广播。6)各个设备在所分配的CTA中进行数据传输。若数据传输后CTA尚有剩余，可发送SchedulingInformationUpdate信令更新该数据流的调度信息。通过大量的性能仿真，我们对所提出的方法的有效性进行了验证。仿真是采用网络仿真工具ns-2。仿真中，数据流采用GOP结构为(12，3)的MPEG实时数据，每条数据流速率为5Mbps，数据帧网络生存时间为33ms，数据流的开始时间彼此独立。信道采用瑞利衰落模型模拟。所有设备分布在10mX10m的区域内，以不超过0.5m/s的速度随机移动。其他仿真参数见下表。为简单起见，忽略CAP和信令传输的时间并假设信标帧传输无差错。仿真过程持续120s。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>下表为采用BTED和FDA机制下系统吞吐量(单位为Mbps)随数据流数量变化关系，系统噪声为-80犯m。从表中可以看出，考虑数据流QoS要求的EXP和M-LWDF算法性能明显高于其他算法。这两种算法的性能并没有受到高网络负荷的影响，在数据流总速率超过系统容量时(8-9条数据流)仍能保持很好的性能。其他算法的性能相对比较接近。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>权利要求1、高速无线个人网协议中基于信道的调度方法，其特征在于包括如下调度步骤1)当网络设备完成数据流注册后，网络控制设备根据信道资源请求信令里信道资源请求数据块中信道资源请求控制域的优先级，确定数据流调度的优先级参数初始值；2)网络设备应用BTED和FDA机制根据当前数据包队列和信道信息在数据发送或向网络控制设备发送调度信息之前对发送数据流进行过滤；3)各网络设备发送信令通知网络控制设备其传输数据流的信道资源调度所需的相关信息；网络控制设备周期地进行管理信道时隙分配，更新数据流的调度信息；4)网络控制设备在每个超帧开始时根据数据流的优先级参数和调度信息对各个数据流进行排序，再按该排序顺序分配数据流所需要的信道资源，直到当前超帧信道资源分配完毕或没有数据需要传输；5)网络控制设备在信标帧中对信道分配结果进行广播；6)各网络设备在所分配的信道时隙中进行数据传输。2、按权利要求1所述的高速无线个人网协议中基于信道的调度方法，其特征在于步骤3中所述的各网络设备发送的信令包括其数据流的数据传输速率、数据队列长度、数据包等待时间、以及该信令长度和类型字段。3、按权利要求1所述的高速无线个人网协议中基于信道的调度方法，其特征在于步骤4中所述的网络控制设备在每个超帧开始时具体根据<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>进行排序；其中//,()为对应于数据流的无线信道当前所支持的数据传输速率；^(f)指t时刻数据流缓冲区队列中第一个数据包的等待时间；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>，其中，7;是指数据流i中数据包的网络生存时间，《指数据流i的QoS参数；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>,为待服务数据流缓冲区队列中第一个数据包的加权平均等待时间。4、按权利要求l所述的高速无线个人网协议中基于信道的调度方法，其特征在于所述的步骤6中，若数据传输后所分配的信道时隙尚有剩余，则发送SchedulingInformationUpdate信令更新该数据流的调度信息。性全文摘要本发明涉及一种高速无线个人网协议中基于信道的调度方法，基于IEEE802.15.3协议的高速无线个人网络中的实时和非实时数据的传输，通过改进协议来引入对用户各条数据流的信道状况信息的反馈和收集，并根据各条数据流的QoS要求，进行综合平衡来对数据流排序，赋予不同的调度优先级，从而有效地克服了信道衰落对网络性能的影响，提高了系统的信道利用率。文档编号H04W72/04GK101442778SQ200810207620公开日2009年5月27日申请日期2008年12月23日优先权日2008年12月23日发明者璐戎,阳杜,杨光迪,林如锋申请人:上海无线通信研究中心