专利名称：：WiMAX中保证QoS的跨层架构及其QoS联合控制方法
技术领域：
：本发明属于通信
技术领域：
，涉及点到多点PMP全球微波接入互操作WiMAX网络的无线网络跨层架构及其QoS联合控制方法。
背景技术：
：基于IEEE802.16标准的WiMAX是一种适用于无线城域网WMAN的新兴宽带无线接入技术，有望取代电缆调制解调或数字用户线方式，在非视距环境中为众多用户提供"最后一英里"的无线宽带接入。图1给出了典型的PMPWiMAX网络拓扑结构，各用户站SS期望基站BS提供的服务不仅仅局限于简单的数据通信，还包括各种多媒体通信，例如，视频会议、流媒体下载等，如何在容量受限、误比特率很高的时变无线环境中为众多用户提供高速高质的多媒体通信服务，已成为WiMAX发展亟待解决的技术问题之一。服务质量QoS体现了消费者对服务者提供服务的满意程度，是对服务者服务水平的一种综合评价。对于通信网络而言，QoS是网络传输业务流时应当满足的一系列服务要求，具体可用带宽、时延、时延抖动、丢失率、吞吐量等性能参数来表征。目前，无线网络中保证QoS的各种设计方法通常建立在开放系统互联OSI参考模型这种分层架构基础上，典型的5层分层架构由下至上依次包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，这种无线网络分层架构面临以下两大挑战1.对于包括网络层、传输层和应用层的高层而言，能够支持QoS类型不同的服务流，并负责设置端到端链路，如果采用无线网络分层设计，包含物理层和数据链路层的低层很难获得来自高层的QoS需求，例如，时延和吞吐量，故无法及时调整资源配置策略。2.对于低层而言，能够检测到无线信道的动态特性，无线信道具有容量受限、误比特率较高、信道品质随时间和频率变化等特性，特别是无线信道经历深度衰落时，即使系统为某一服务连接分配很大带宽，其性能仍可能达不到预先规定的QoS要求，如果采用传统的无线网络分层设计，高层很难获得这些特性，故无法及时调整呼叫许可控制策略。综上可得，通信环境的易变性和通信服务的多样性决定了WiMAX跨层设计的必要性。跨层设计思想最早是由ZygmimtJ.Haas明确提出的，在无线网络5层协议体系结构模型中，信息共享并不局限于相邻的分层中，还存在于不相邻的分层间。如图2所示，理想的跨层方法是将信息传递划分为向上信息共享和向下信息共享两部分，通过必要的信令传递来协调各层运作，从而达到改善整体性能的目的，这种思想为新一代WiMAX网络结构设计指明了方向。作为通向WiMAX的当前途径，正EE802.16标准仅仅定义了BS和SS之间的空中接口数据控制平面，由物理层和媒体接入控制MAC层组成，如图3所示。WiMAX支持四种物理层传输技术，分别是单载波SC、单载波接入SCa、正交频分复用OFDM和正交频分多址接入OFDMA，四种技术均可采用时分双工TDD、频分双工FDD及半频分双工Half-FDD这三种传输机制。近年来，基于TDD模式的OFDMA成为人们重点关注的宽带无线传输技术。OFDM可使数据发送横跨整个频带，而作为其演进技术的OFDMA则能够在信道子载波化基础上将传输的服务流加载到部分子载波上，每个系统用户将选择信道条件较好的子信道传输服务流，保证各个子载波都被对应信道条件较优的用户使用，从而获得频率上的多用户分集增益。IEEE802.16标准中，MAC层由三个子层构成，分别是1.服务特定汇聚CS子层提供外部网络数据到MAC层的映射。通过CS服务接入点SAP将外部网络数据映射成MAC层服务数据单元MSDU，并与相应的MAC服务流标识SFID和连接标识CID关联，完成MSDU的分类。2.公共部分CPS子层提供MAC层的核心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护。通过MACSAP接收来自CS子层的MSDU，并根据其类别划分到特定的MAC连接上，然后根据每种连接支持的数据递交机制进行数据传输。3.安全子层提供认证、安全的密钥交换和加密功能。IEEE802.16标准将QoS支持机制引入MAC层，将来自上层的应用级多媒体通信服务流划分为5类，分别是主动授权业务UGS、实时轮询业务rtPS、扩展实时轮询业务ertPS、非实时轮询业务nrtPS和尽力而为业务BE，采用面向连接的方式向众多用户提供各种多媒体通信接入服务。然而，在无线网络中，任意协议层都不能孤立的完成多媒体服务流的QoS保障工作，每层都有涉及QoS管理的协议，例如，传输层的传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP、网络层基于移动互联网协议IP的综合服务IntServ和区分服务DiffServ以及MAC层上各种规范，例如，IEEE802.11和IEEE802.16涉及的QoS支持机制。值得注意的是协议层不同，衡量多媒体通信服务流的QoS性能指标也不同，例如，物理层的性能指标是误比特率，MAC层的性能指标是SS获得的吞吐量或吞吐率，网络层性能通常用时延来表征，传输层则为分组差错率。通常需要同时使用多个性能指标来衡量服务流的品质，例如，视频会议的吞吐量取值范围为G2kb/s，384kb/s)，时延不超过160ms,时延抖动不超过50ms。
发明内容本发明的目的在于避免上述无线网络分层结构在QoS保障方面存在的不足，采用跨层设计思想对IEEE802.16标准中已有的MAC层QoS支持机制进行扩展，提出一种WiMAX中保证QoS的跨层架构及其QoS联合控制方法，从而在时变无线WiMAX网络中向众多用户提供高速高质的多媒体通信服务。为实现上述目的，本发明采用的WiMAX中保证QoS的跨层架构，包括PHY层、MAC层和高层，该三层构成WiMAX基本数据控制平面，整个WiMAX基本数据控制平面被纵向划分为QoS资源管理子平面和数据服务流递交子平面；其中，所述的QoS资源管理子平面含有多种功能不同的QoS管理模块，这些模块通过各种管理信令协调运作，控制高层将各类多媒体通信服务流的应用级QoS需求向MAC层传递，控制PHY层将收集到的子信道AMC模式选择信息向MAC层传递，使数据服务流获得的QoS性能指标限定在系统用户设定的阈值内；所述的数据服务流递交子平面，含有多种功能不同的数据服务流处理模块，这些模块遵循IEEE802.16标准制定的规范，并根据QoS资源管理子平面内管理信令承载的控制信息对各类数据服务流进行分类、调度，实现逐层递交。为实现上述目的，本发明采用了基于跨层架构的QoS联合控制方法，包括如下步骤1.位于BS处的信道状态探测模块周期地广播探测请求信令CQI-REQ，位于各SS处的信道状态反馈模块收到该信令后立即回送CQI-RSP作为响应，并对信道SNR进行探测，信道状态反馈模块通过反馈链路向BS处的信道状态探测模块发送携带有该SNR信息的CQI-ACK;2.位于BS处的AMC模式选择模块向信道状态探测模块周期地发送请求信令AMC-REQ，在接收到信道状态探测模块回送的响应信令AMC-RSP后，根据该信令承载的信噪比集合信息IA:=U，...,K&"=1，2，...，N}以及预先定义的AMC模式选择策略生成AMC模式选择集合信息IA:=1，2，.."K&"=1,2,…,N);3.位于BS处的AMC模式选择模块向子信道资源配置模块周期地发送承载有AMC模式选择集合信息的跨层信令AMC-MES，AMC模式选择模块根据AMC模式选择集合信息以及预先定义的子信道资源配置模块策略，生成用户子信道配对集合信息{C4,,,IA:=1,2,...,K&"=1，2,...,N}，子信道资源配置模块根据用户子信道配对集合信息周期地生成DL-MAP和UL-MAP，数据服务流递交子平面内的成帧模块根据这两类信令对下行链路突发流和上行链路突发流进行封装和成帧；4.当BS与系统中的某一SS建立同步后，位于该SS处的呼叫许可管理模块向BS处的呼叫许可管理模块周期地发送呼叫许可请求信令DSA-REQ，BS收到该信令后首先发送DSA-RSP信令作为回应，然后向子信道资源配置模块发出资源查询信令RES-REQ，当子信道资源配置模块完成第3步，再向BS处的呼叫许可管理模块回送资源获取信令RES-ACK,BS处的呼叫许可管理模块收到RES-ACK后将回传给该系统SS—个连接认可信令DSA-ACK，完成建立BS和该SS之间数据服务流的连接；5.在BS与SS建立数据服务流连接后，QoS优先级控制模块周期地接收来自高层的应用级QoS需求信令QoS-MES、来自子信道资源配置模块的DL-MAP/UL-MAP以及数据服务流递交子平面内调度模块发出的调度反馈信令SCH-MES，并根据这些信令承载的应用级QoS需求信息、用户子信道配对信息、各类QoS的MSDU调度信息以及预先定义的QoS优先级模块策略生成PRI-MES信令，位于数据服务流子平面内各类QoSMSDU的调度顺序由该信令承载的QoS优先级函数值^,^来确定，其中，A:为用户标识号，w为UGS、rtPS、ertPS、nrtPS和BE类型中的任意一种；6.数据服务流递交子平面内多种数据处理模块遵循IEEE802.16标准制定的规范，根据QoS资源管理子平面内管理信令PRI-MES和DL-MAP/UL-MAP所承载的控制信息对各类QoS数据服务流进行分类、调度，实现逐层递交。本发明具有如下优点1.本发明给出了一种能够有效保障QoS的PMPWiMAX跨层架构，由于该架构在QoS资源管理子平面内实现QoS联合控制，在数据服务流递交子平面内实现数据处理和逐层递交，因此，结构简单，职能划分明确，特别适用于实际工程设计。2.本发明在QoS资源管理子平面内，通过管理信令对多个管理模块进行联合QoS控制，能够在维护系统较高吞吐量的同时，将数据服务流BER、时延和传输速率限定在预定的阈值内，同时还兼顾了系统SS基于速率的公平性，如图5、图6、图7和图8所示。3.本发明在QoS资源管理子平面内，通过采用AMC模式选择模块策略，能够在理想的信道条件下为系统SS选用较高阶的调制方式和较高的编码速率；在不太理想的信道条件下为系统SS选用较低阶的调制方式和较低的编码速率，当限定BER时，子信道SNR与调制方式及编码速率呈现一一对应关系，在很大程度上解决了移动终端在不同环境、不同状态下多媒体通信不稳定的问题，如图5和图6所示。4.本发明在QoS资源管理子平面内，通过采用子信道资源配置模块策略，放松了"系统中所有SS获得的瞬时数据传输速率必须相等"这种绝对公平性限定，能够利用基于AMC机制的多用户分集获得较高的系统吞吐量，同时兼顾系统SS的公平性，如图5、图6和图7所示，这种设计复杂度较低，特别适用于实际工程应用。5.本发明在QoS资源管理子平面内，通过采用QoS优先级模块策略，能够控制数据服务流递交子平面内各QoS类型缓存器队头MSDU的调度顺序，将各类连接获得的QoS性能控制在系统SS可以接受的较低阈值内，如图8所示，QoS优先级函数模型简单，其参数设计是一个开放性问题，可针对网络运营商利润期望或用户需求进行灵活设定。图1是现有的PMPWiMAX网络拓扑结构图2是现有的理想无线网络跨层架构图3是IEEE802.16标准定义的数据控制平面基本结构图4是本发明给出的保证QoS的WiMAX跨层架构框图5是系统SS数为10时，采用不同控制方法时系统吞吐量随平均SNR变化的仿真曲线图6是采用不同控制方法时系统平均吞吐量随着SS数目变化的仿真曲线图；图7是采用不同控制方法时系统QoS违反概率随着SS数目变化的仿真曲线图；图8是采用不同控制方法时系统FI随着SS数目变化的仿真曲线图。具体实施方式1.术语说明WiMAX:全球微波接入互操作PMP:点到多点WMAN:无线城域网BS:基站SS:用户站QoS:服务质量OSI:开放系统互联MAC:媒体接入控制层PHY:物理层SC:单载波SCa:单载波接入OFDM:正交频分复用OFDMA:正交频分多址接入TDD:时分双工FDD:频分双工Half-FDD:半频分双工CS:服务特定汇聚子层CPS:公共部分子层SAP:服务接入点MSDU:MAC层服务数据单元SFID:服务流标识CID:连接标识UGS:主动授权业务rtPS:实时轮询业务ertPS:扩展实时轮询业务nrtPS:非实时轮询业务BE:尽力而为业务TCP:传输控制协议UDP:用户数据报协议IP:互联网协议IntServ:综合服务DiffServ:和区分服务AMC:自适应调制编码CQI-REQ:信道状态探测请求信令CQI-RSP:信道状态探测响应信令CQI-ACK:信道状态探测反馈信令DSA-REQ:呼叫许可请求信令DSA-RSP:呼叫许可响应信令DSA-ACK:呼叫许可应答信令AMC-REQ:AMC模式请求信令AMC-RSP:AMC模式响应信令RES-REQ:子信道资源配置请求信令RES-RSP:子信道资源配置响应信令DL-MAP/UL-MAP:子信道资源配置信令AMC-MES:AMC模式选择信令QoS-MES:应用级QoS需求信令PRI-MES:QoS优先级控制信令SCH-MES:调度反馈信令BER:误比特率SNR:信噪比MSNR:最大化信噪比WRR:加权轮转FI:公平性指数2.实施方式以下结合附图对本发明的方案及效果做进一步详细描述参照图4，本发明是基于IEEE802.16标准的跨层设计方案，WiMAX基本数据控制平面包括PHY层、MAC层和高层，并按照职能纵向划分为两大子平面QoS资源管理子平面和数据服务流递交子平面。为便于研究，本发明将WiMAXMAC层以上各协议层统称为高层，该层主要负责各种应用及多媒体通信服务流的产生，还对MAC层中与QoS保障无关的安全子层进行忽略。QoS资源管理子平面采用跨层思想实现保障系统QoS的联合管理控制，包含多个QoS管理模块，即信道状态探测模块/反馈模块、AMC模式选择模块、子信道资源配置模块、呼叫许可管理模块和QoS优先级控制模块，这些模块通过各种管理信令协调运作，控制高层将各类多媒体通信服务流的应用级QoS需求向MAC层传递，控制PHY层将收集到的子信道AMC模式选择信息向MAC层传递，使数据服务流获得的QoS性能指标限定在系统用户设定的阈值内。数据服务流子平面的主要职能是进行数据处理并实现逐层递交，包含多个数据服务流处理模块，即多媒体通信服务流产生模块、SFID-CID映射模块、调度模块、分段/成帧模块、串联/去串联模块和成帧模块，这些模块遵循IEEE802.16标准制定的规范，并根据QoS资源管理子平面内管理信令承载的控制信息对各类数据服务流进行分类和调度，实现逐层递交。QoS资源管理子平面内的管理信令包括1)在同类子平面内不同协议层上非对等QoS管理模块之间传递的信令，又称为跨层信令，该类信令包括AMC模式选择信令AMC-MES和应用级QoS需求信令QoS-MES;2)在同类子平面内同一协议层上的对等QoS管理模块之间传递的信令，该类信令包括信道状态探测请求信令CQI-REQ、信道状态探测响应信令CQI-RSP、信道状态探测反馈信令CQI-ACK、呼叫许可请求信令DSA-REQ、呼叫许可响应信令DSA-RSP和呼叫许可应答信令DSA-ACK;3)在同类子平面内同一协议层上的非对等QoS管理模块之间传递的信令，该类信令包括AMC模式请求信令AMC-REQ、AMC模式响应信令AMC-RSP、子信道资源配置请求信令RES-REQ、子信道资源配置响应信令RES-RSP和子信道资源配置信令DL-MAP/UL-MAP;4)在不同子平面内同一协议层上的非对等QoS管理模块之间传递的信令，该类信令包括QoS优先级控制信令PRI-MES和调度反馈信令SCH-MES。这些管理信令的传递方向如图4虚线箭头所示。基于上述跨层架构的QoS联合控制方法包括如下步骤步骤l:BS处的信道状态探测模块获取系统SS的信道状态信息。位于BS处的信道状态探测模块周期地广播探测请求信令CQI-REQ，位于各SS处的信道状态反馈模块收到该信令后立即回送CQI-RSP作为响应，并对信道SNR进行探测，信道状态反馈模块通过反馈链路向BS处的信道状态探测模块发送携带有该SNR信息的CQI-ACK。步骤2:BS处的AMC模式选择模块生成AMC模式选择集合信息。位于BS处的AMC模式选择模块向信道状态探测模块周期地发送请求信令AMC-REQ，在接收到信道状态探测模块回送的响应信令AMC-RSP后，根据该信令承载的信噪比集合信息IA:=1，2"."K&"=1，2，...,N}以及预先定义的AMC模式选择策略生成AMC模式选择集合信息{/M|"1,2"..,K&"=1，2,...,N}，即当PHY层采用基于子信道传输的TDD-OFDMA时，假定系统SS数为K，子信道数为N，BER阈值一定，根据SVi^所处的信噪比区间查询AMC模式组表格，可得到模式选择等级々,"，AMC模式组表格参见表1。表1中，^^",,为用户*在子信道"上的PHY层归一化信道容量，&,—,,为编码速率，Wphy，m,,和及d,均由、"决定；^macu，",/为用户^在子信道"上的MAC层传输速率，由iPHY,M,,和^o,w根据(1)式计算获得。"MAC,/t,",/=l_SsubWpHY,;i,",,L",/J(1)式中，Aub为子信道带宽，|_*」表示取小于或等于*值的最大整数。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>步骤3:BS处的子信道资源配置模块生成用户子信道配对集合信息。位于BS处的AMC模式选择模块向子信道资源配置模块周期地发送承载有AMC模式选择集合信息的跨层信令AMC-MES，AMC模式选择模块根据AMC模式选择集合信息以及预先定义的子信道资源配置模块策略，生成用户子信道配对集合信息{CM，,IA=1,2，…,K&=1,2，...,N}，子信道资源配置模块根据用户子信道配对集合信息周期地生成DL-MAP和UL-MAP，数据服务流递交子平面内的成帧模块根据这两类信令对下行链路突发流和上行链路突发流进行封装和成帧。用户子信道配对集合信息的生成过程如下1)假定为每个SS分配的子信道数7^可由式(2)得到W,UfcN」Vke卩，2，…，X)&^=1/K(2)式中，^为SSA:的系统资源占用因子，N为系统子信道数，K为系统SS数。2)根据步骤l)确定的SSk子信道数，为每个SSk从N'中挑选出M个子信道用于数据传输2a)初始化所有变量<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>其中，C^,为用户子信道配对标识符，当用户A:获得/^级子信道"时，CM，，取值为1;当用户A未获得子信道"时，&,,取值为0，W^w为用户A上的MAC层瞬时传输速率，N'为尚未分配的子信道集合，K'为等待分配子信道资源的用户集合。2b)为每个SS分配/^最高的空闲子信道从矢=1到&升序搜索"，令"argmax4"，并有CM,,=1，K=A^-1，N'=N'/{"}，iMAd,4+A匿^,,其中，N'^^表示从集合N'中去除元素"，7,c,为用户A在子信道"上的MAC层传输速率。2c)如果SSA:获得的子信道数尚未达到W,，将在每轮子信道分配过程中为/^^最小的用户好兆选《"最高的子信道w用于数据服务流传输，过程如下首先，对于满足"argmini^"&"K'条件的待分配用户t给予获得挑选子信道wargmax/h的优先权利，如果>0，用户L就能获得该子信道m即&,=1，并将已分配的子信道w从集合N'中去除，即N、N'q^;然后，更新用户A的待分配子信道数，即7^=^-1，更新用户A的瞬时MAC层传输速率，即^=^+^,/;不断重复上述挑选过程，每一轮挑选前先将满足=0的用户从待分配用户集合中去除，即K、K'^M，直至集合K'-0，其中，K'^q表示从集合K'中去除元素A:。3)如果AT^0，剩余,个子信道的分配策略为3a)重新初始化变量K'={1,2，.."K}3b)设定每个用户仅能获得AT个子信道中的1个子信道，并从"=1到^'升序搜索/M，对于满足*=^1^^4,条件的待分配用户^:将获得子信道"，即<^,,=1，并将该用户A:从待分配用户集合K'中去除，即K、K'^q，不断重复该子信道分配过程，直至集合K、0，其中，W'=N-Z:W，它为经过步骤7.2后尚未分配的子信道数。步骤4:建立BS与系统SS的数据服务流连接。当BS与系统中的某一SS建立同步后，位于该SS处的呼叫许可管理模块向BS处的呼叫许可管理模块周期地发送呼叫许可请求信令DSA-REQ，BS收到该信令后首先发送DSA-RSP信令作为回应，然后向子信道资源配置模块发出资源查询信令RES-REQ，当子信道资源配置模块完成步骤3，再向BS处的呼叫许可管理模块回送资源获取信令RES-ACK，BS处的呼叫许可管理模块收到RES-ACK后将回传给该系统SS—个连接认可信令DSA-ACK，完成建立BS和该SS之间数据服务流的连接。步骤5:根据QoS优先级控制模块策略确定数据服务流递交子平面内各类MPDU的调度顺序。在BS与SS建立数据服务流连接后，QoS优先级控制模块周期地接收来自高层的应用级QoS需求信令QoS-MES、来自子信道资源配置模块的DL-MAP/UL-MAP以及数据服务流递交子平面内调度模块发出的调度反馈信令SCH-MES，并根据这些信令承载的应用级QoS需求信息、用户子信道配对信息、各类QoS的MSDU调度信息以及预先定义的QoS优先级模块策略生成PRI-MES信令，位于数据服务流子平面内各类QoSMSDU的调度顺序由该信令承载的QoS优先级函数值(IV^来确定，其中，A为用户标识号，w为UGS、rtPS、ertPS、nrtPS和BE类型中的任意一种。调度时刻，数据服务流递交子平面内隶属于用户A:、类型为m的MSDU在子信道"上的调度顺序是由0)^,确定，艮P:^l且^a,""(3)式(3)中，凡为QoS服务类型权重，由QoS-MES提供，用来表征待调度MSDU隶属服务类型的重要程度，A取值越大，表明该类MSDU的调度优先级越高；c—,"为QoS性能指标权重，由QoS-MES、DL-MAP/UL-MAP以及SCH-MES承载的信息共同确定，用来表征待调度MSDU隶属连接满足QoS需求的程度，(7^,取值越大，表明该MSDU违反QoS的概率越大，相应的调度优先级越高。以下给出了两种适用于该跨层架构的QoS优先级控制策略1)对任意附，都有^^二1，这是一种最为简单的加权QoS优先级控制策略。在函数=A(1)的控制下，位于数据服务流递交子平面的调度模块会采用加权轮转WRR调度方式对各类MSDU进行固定分级，A—旦确定，例如，；6U=1，=0.8，/BE=0.6，每类MSDU的调度顺序将不再改变。这种QoS优先级控制策略能够保证级别高的应用级服务流获得较好的QoS性能，但会造成各类应用级服务流的资源配置不公，级别较低的应用级服务流无法获得较好的QoS性能保证。2)对任意m，都有^"Sl，这是一种自适应QoS优先级控制策略。在函数C^,"=Acrm,M(ASI)的控制下，位于数据服务流递交子平面的调度模块，根据QoS优先级函数值动态调整各类服务缓存器中队头MSDU的调度顺序。服务类型m不同，CT^,定义不同，以rtPS、nrtPS及BE服务为例，(7rtPS4、cr^w"和^分别可用式(4)、式(5)和式(6)表示A乙T一如果^ps—^ps^f4、"^rtPS—^rtPS、""^nrtPS,MAC，min如果imtPS,MAC2^rtPS,MAC,rWmtPS,MAC匸5J—1如果及nrtPS,MAC〈i^s，嫩c,皿n(6)其中，式(4)中，r^为rtPS服务流的时延要求，^^为rtPS服务类型缓存器队头MSDU在缓存器中的等待时延，A7;ps为rtPS保护时间间隔，通常设为帧长；式(5)中，iUs.跳，为nrtPS服务流的最小保留速率要求，^rtPs,MAc为nrtPS服务类型缓存器队头MSDU隶属连接在调度时刻的平均传输速率，可用式(7)表示inrtPS,MAC=i'nrtPS,MAC(1-)+^tps，MAC()/t)(7)式(7)中，^为时间窗口大小，^nrtPS,MAC表示该MSDU隶属连接在上一调度时刻的平均传输速率，iCpfc表示该MPDU隶属连接在上一调度时刻的瞬时传输速率，满足式(8):^nrtPS,MAC=",iMAC*,(8)所述的(4)式能有效保证rtPS连接满足预先规定的时延容限要求，所述的(5)式能有效保证nrtPS连接满足预先规定的最小保留速率要求，而BE业务对时延和速率均无要求，故(6)式中，C7BE^恒为1。步骤6:在数据服务流递交子平面内完成各类多媒体通信据服务流的分类、调度和逐层递交。数据服务流递交子平面内多种数据处理模块遵循IEEE802.16标准制定的规范，以PMPWiMAX网络下行链路为例，这些模块根据QoS资源管理子平面内管理信令PRI-MES和DL-MAP/UL-MAP所承载的控制信息，对各类QoS数据服务流进行分类、调度并实现逐层递交的过程如下1)BS处的高层应用级服务流，例如VoIP、MPEG和FTP，首先进入MACCS子层，该子层根据服务流类型为其绑定相应的SFID和CID，完成SFID-CID的映射，从而将应用级协议数据单元PDU转化为MSDU;2)IEEE802.16标准系列定义了5类QoS服务，分别是UGS、rtPS、ertPS、nrtPS及BE，在MACCPS子层中，每类QoS服务都对应l支类型缓存队列，当MSDU进入CPS后，具有相同SFID的MSDU会进入同一类型缓存队列中，CID则记录了这些MSDU分别隶属于哪个SS发起的哪条通信连接，可以看到，在BSCPS的下行递交方向上共有5支QoS类型缓存队列，对应了5个互不相同的SFID取值；3)在MACCPS中，来自QoS资源管理子平面QoS优先级控制模块的PRI-MES承载有各个类型缓存队列对头MSDU的QoS优先级函数值信息，其调度顺序将由该动态信息来确定，然后被调度的MSDU会按照预定大小进行分段/成块，并封装成MAC协议数据单元MPDU;4)若干个MPDU串联后形成突发Burst，每个突发Burst在下行链路子帧中占据的时频位置是由QoS资源管理子平面子信道资源配置模块周期提供地DL-MAP确定，若干突发Burst经过封装再形成PHY层协议数据单元PPDU，并通过无线信道向SS广播；5)UL-MAP/DL-MAP承载了每个突发在一帧中的时频位置信息及所属SS信息，每个SS接收到广播服务流后，将根据每帧中的DL-MAP域信息从下行链路子帧中取得属于自己的突发流，并向SS高层递交。本发明的效果可以通过以下仿真做进一步说明1.仿真条件为检验跨层架构中各QoS模块协调运作的性能，将本发明采用的QoS联合控制方法与典型的PMPWiMAX控制方法进行仿真比较。值得注意的是，QoS联合控制方法在MAC层选用的是自适应型QoS优先级模块策略，基于正EE802.16标准的典型PMPWiMAX控制方法典型PMPWiMAX控在PHY层采用AMC模式选择策略和最大化信噪比策略MSNR，并在MAC层以轮转RR方式调度各个QoS缓存队列的队头分组。MSNR策略是一种典型的子信道资源配置策略，能够利用多用户分集增益最大化系统吞吐量，基本思想是每个子信道首先会挑选信道状况最佳，即SNR或"，。最高的SS构成用户子信道对，如果有到达该SS的服务流，则子信道会传输该SS服务流，否则，将搜索具有低一级/4,的SS构成新的子信道用户对。上述MSNR策略虽然实施简单，并且可使系统吞吐量达到最大，但难以保证服务的公平性，容易造成少数靠近BS或信号强的SS独占系统资源，而地处小区边缘的SS获得基站服务的概率低。2.仿真参数设定表2不同SS的服务流生成速率及QoS性能要求用户mrtPS服务流生成速率rtPS最大时延nrtPS服务流生成速率nrtPS最小保留速率BE服务流生成速率奇数(1,3,...)偶数(2,4,...)204.8Kb/s204.8Kb/s30ms15ms409.6Kb/s819.2Kb/s350Kb/s700Kb/s1638.4Kb/s1638.4Kb/s表3系统参数参数名参数值系统带宽薩Hz采样带宽11.24MHz信道带宽196.92kHzFFT大小1024帧长5msOFDMA符号周期100.8ns下行链路时隙数IO个有效子载波数864个子信道数48个假定仿真系统由1个SS和若干个SS构成，SS以50km/h匀速运动。每个SS上均有一条rtPS连接、一条nrtPS连接和一条BE连接，相应的QoS服务类型权重分别是1「1.0、/^=0.8、&￡=0.6。图4中，高层多媒体通信服务流产生器的服务流生成过程服从泊松分布，隶属于不同SS的服务流生成速率及QoS性能要求均有不同，参见表2。本发明采用连续式ContiguousFDMA子信道构成方式，l个基本传输单元Slot由一定数量的块和符号Symbol共同确定，每个块均包含9个子载波。正EE802.16标准定义了4种系统带宽1.25MHz、5MHz、10MHz和20MHz，子载波数分别是128、512、1024和2048。为研究方便，本发明选择10MHz系统带宽和2个块，3个符号组合为研究对象。表3给出了其余所有系统参数。3.仿真性能比较仿真主要研究了PMPWiMAX网络中基于跨层架构的QoS联合控制方法对系统QoS保障、用户公平性及系统吞吐量的性能影响。为了定量描述本发明的性能，采用系统吞吐量、QoS违反概率和用户公平性指数FI这三个指标对其进行比较。首先，将本发明基于跨层架构的QoS联合控制方法同典型的PMPWiMAX控制方法进行吞吐量性能比较。假定每个SS到达BS的距离相同，即每个SS接收到的平均SNR相同，图5给出了系统SS数目为10时两种方法的系统吞吐量随信道状况变化的仿真曲线图。由于在PMPWiMAX中引入了跨层QoS控制机制，整个SNR区域内，基于跨层架构的QoS联合控制方法获得的系统吞吐量均小于典型方法，但相差不大。在特定的9dB到13dBSNR区域内，由于各类服务连接的QoS要求均得到满足，基于跨层架构的QoS联合控制方法的系统吞吐量得到快速提升。当系统用户数不断增加时，图6比较了两种方案的平均系统吞吐量，从图6可以看到，随着用户数的增加，两种方法的系统平均吞吐量均有所提升，与典型方法相比，为了获取QoS保证及用户公平性，基于跨层架构的QoS联合控制方法牺牲了部分吞吐量性能，这也是实际应用中不可避免的结果。值得注意的是两种方法在PHY层均采用了AMC模式选择策略，因此二者都获得了较高的系统吞吐量。接着，将本发明基于跨层架构的QoS联合控制方法同典型的PMPWiMAX控制方法进行系统SS公平性比较。引入公平性指数FI作为考察系统SS公平性的指标，FI越接近1，说明系统SS获得的公平性越好。定义基于速率的FI可由式(9)得到FI=A^-^_(9)式中，ima"为用户k的瞬时MAC层传输速率，可由式(10)计算获得:Aacu=SQ",^跳'",，V用户Ae卩，2，…，"(10)图7给出了两种方案的FI曲线随系统SS数目《变化的情况。从图7可以看到随着系统SS数目的逐渐增加，基于跨层架构的QoS联合控制方法的FI不断上升，与典型的PMPWiMAX控制方法相比，系统能够获得更好的基于速率的用户公平性。最后，将本发明基于跨层架构的QoS联合控制方法同典型的PMPWiMAX控制方法进行QoS性能比较。图8给出了两种方法的QoS违反概率仿真曲线，rtPS类服务流和nrtPS类服务流分别对应了最大时延违反概率和最小保留速率违反概率。从图8可以看到，基于跨层架构的QoS联合控制方法获得的QoS违反概率远远低于典型的PMPWiMAX控制方法。虽然仍会带来较低的QoS违反概率，但这在实际应用中是完全可以接受的结果，因此基于跨层架构的QoS联合控制方法能够有效保证各类服务连接的QoS性能。权利要求1.一种WiMAX中保证QoS的跨层架构，包括PHY层、MAC层和高层，该三层构成WiMAX基本数据控制平面，其特征在于将整个WiMAX基本数据控制平面纵向划分为QoS资源管理子平面和数据服务流递交子平面；所述的QoS资源管理子平面，含有多种功能不同的QoS管理模块，这些模块通过各种管理信令协调运作，控制高层将各类多媒体通信服务流的应用级QoS需求向MAC层传递，控制PHY层将收集到的子信道AMC模式选择信息向MAC层传递，使数据服务流获得的QoS性能指标限定在系统用户设定的阈值内；所述的数据服务流递交子平面，含有多种功能不同的数据服务流处理模块，这些模块遵循IEEE802.16标准制定的规范，并根据QoS资源管理子平面内管理信令承载的控制信息对各类数据服务流进行分类、调度，实现逐层递交。2.根据权利要求l所述的跨层架构，其特征在于所述的QoS管理模块包含信道状态探测/反馈模块、AMC模式选择模块、子信道资源配置模块、呼叫许可管理模块和QoS优先级控制模块；所述的数据服务流处理模块包含多媒体通信服务流产生模块、SFID-CID映射模块、调度模块、分段/成帧模块、串联/去串联模块和成帧模块。3.根据权利要求1所述的跨层架构，其特征在于所述的管理信令包括3.1)在同类子平面内不同协议层上非对等QoS管理模块之间传递的信令，又称为跨层信令，该类信令包括AMC模式选择信令AMC-MES和应用级QoS需求信令QoS-MES;3.2)在同类子平面内同一协议层上的对等QoS管理模块之间传递的信令，该类信令包括信道状态探测请求信令CQI-REQ、信道状态探测响应信令CQI-RSP、信道状态探测反馈信令CQI-ACK、呼叫许可请求信令DSA-REQ、呼叫许可响应信令DSA-RSP和呼叫许可应答信令DSA-ACK;3.3)在同类子平面内同一协议层上的非对等QoS管理模块之间传递的信令，该类信令包括AMC模式请求信令AMC-REQ、AMC模式响应信令AMC-RSP、子信道资源配置请求信令RES-REQ、子信道资源配置响应信令RES-RSP和子信道资源配置信令DL-MAP/UL-MAP;3.4)在不同子平面内同一协议层上的非对等QoS管理模块之间传递的信令，该类信令包括QoS优先级控制信令PRI-MES和调度反馈信令SCH-MES。4.一种基于跨层架构的QoS联合控制方法，包括如下步骤4.1)位于BS处的信道状态探测模块周期地广播探测请求信令CQI-REQ，位于各SS处的信道状态反馈模块收到该信令后立即回送CQI-RSP作为响应，并对信道SNR进行探测，信道状态反馈模块通过反馈链路向BS处的信道状态探测模块发送携带有该SNR信息的CQI-ACK;4.2)位于BS处的AMC模式选择模块向信道状态探测模块周期地发送请求信令AMC-REQ，在接收到信道状态探测模块回送的响应信令AMC-RSP后，根据该信令承载的信噪比集合信息I*=U,…，K&"=1，2"."N}以及预先定义的AMC模式选择策略生成AMC模式选择集合信息IA:=1,2"."K&"=1,2,—,N};4.3)位于BS处的AMC模式选择模块向子信道资源配置模块周期地发送承载有AMC模式选择集合信息的跨层信令AMC-MES，AMC模式选择模块根据AMC模式选择集合信息以及预先定义的子信道资源配置模块策略，生成用户子信道配对集合信息{CM,,IA:=1,2,...，K&"=1,2,...,N}，子信道资源配置模块根据用户子信道配对集合信息周期地生成DL-MAP和UL-MAP，数据服务流递交子平面内的成帧模块根据这两类信令对下行链路突发流和上行链路突发流进行封装和成帧；4.4)当BS与系统中的某一SS建立同步后，位于该SS处的呼叫许可管理模块向BS处的呼叫许可管理模块周期地发送呼叫许可请求信令DSA-REQ，BS收到该信令后首先发送DSA-RSP信令作为回应，然后向子信道资源配置模块发出资源查询信令RES-REQ,当子信道资源配置模块完成第4.3)步，再向BS处的呼叫许可管理模块回送资源获取信令RES-ACK，BS处的呼叫许可管理模块收到RES-ACK后将回传给该系统SS—个连接认可信令DSA-ACK，完成建立BS和该SS之间数据服务流的连接；4.5)在BS与SS建立数据服务流连接后，QoS优先级控制模块周期地接收来自高层的应用级QoS需求信令QoS-MES、来自子信道资源配置模块的DL-MAP/UL-MAP以及数据服务流递交子平面内调度模块发出的调度反馈信令SCH-MES，并根据这些信令承载的应用级QoS需求信息、用户子信道配对信息、各类QoS的MSDU调度信息以及预先定义的QoS优先级模块策略生成PRI-MES信令，位于数据服务流子平面内各类QoSMSDU的调度顺序由该信令承载的QoS优先级函数值Ov^来确定，其中，A:为用户标识号，w为UGS、rtPS、ertPS、nrtPS和BE类型中的任意一种；、4.6)数据服务流递交子平面内多种数据处理模块遵循IEEE802.16标准制定的规范，根据QoS资源管理子平面内管理信令PRI-MES和DL-MAP/UL-MAP所承载的控制信息对各类QoS数据服务流进行分类、调度，实现逐层递交。5.根据权利要求4所述的QoS联合控制方法，其中步骤4.2)所述的AMC模式选择集合信息iA;=1,2，...,K&"=1，2V..，N}，是根据CQI-MES提供的信噪比集合信息IA=1，2，...,K&"=1,2，...,N}和预先定义的AMC模式选择策略确定，即当PHY层采用基于子信道传输的OFDMA时，假定系统SS数为K，子信道数为N，BER阈值一定，根据SV&所处的信噪比区间查询AMC模式组表格，得到模式选择等级l。6.根据权利要求4所述的QoS联合控制方法，其中步骤4.3)所述的用户子信道配对集合信息{(^,,Iyfc=1,2,...,K&"=1，2,...，N}，是根据AMC模式选择集合信息和预先定义的子信道资源配置模块策略，按如下步骤确定6.1)设定每个SS分配的子信道数K为式中，^为SSA的系统资源占用因子，N为系统子信道数，K为系统SS数；、6.2)根据确定的SSk子信道数K，为每个SSk从N'中挑选出A^个子信道用于数据传输，其中，N'为尚未分配的子信道集合；、6.3)设定iV、N-Z^K为剩余的子信道数，如果W、0，为每个用户从iV'个子信道中挑选出l个子信道用于数据服务流传输。7.根据权利要求6所述的QoS联合控制方法，其中步骤6.2)所述的为每个SSk从N'中挑选出i^个子信道用于数据传输，按如下步骤挑选、7.1)初始化所有变量<formula>formulaseeoriginaldocumentpage0</formula>其中，CVw为用户子信道配对标识符，当用户1获得々,级子信道"时，C取值为l;当用户yfc未获得子信道n时，C",取值为0，/^w为用户A:上的MAC层瞬时传输速率，K'为等待分配子信道资源的用户集合；、7.2)为每个SS分配/M最高的空闲子信道从hl到K升序搜索/^，令"^argmax/^，并有CM,,=1，W,W「1'N'=N'/{"}，*MAC"WMAC，i+/MAC,M,,其中，N'^"l表示从集合N'中去除元素w，/MAc,w为用户A在子信道"上的MAC层传输速率；、7.3)如果SS/t获得的子信道数尚未达到^，将在每轮子信道分配过程中为i^w最小的用户&挑选4，最高的子信道"用于数据服务流传输。8.根据权利要求6所述的QoS联合控制方法，其中步骤6.3)所述的为每个用户从^个子信道中挑选出l个子信道用于数据服务流传输，按如下步骤挑选、8.1)重新初始化变量K'={1，2V..,K}、8.2)为每个设定每个用户仅能获得iV'个子信道中的l个子信道，并从"d到iV'升序搜索/M，对于满足t=argi^aKx/M条件的待分配用户左将获得子信道m即CM，,=1，并将该用户A:从待分配用户集合K'中去除，即K^K'^q，不断重复该子信道分配过程，直至集合K'=0。9.根据权利要求7所述的QoS联合控制方法，其中步骤7.3)所述在每轮子信道分配过程中为WM《t最小的用户A挑选"，"最高的子信道w,步骤如下-、9.1)对于满足A^argmin及M^&"1<:'条件的待分配用户^:，给予获得挑选子信道大eK'n^argmax/"的优先权利，如果WpO，用户A:就能获得该子信道n,即<^,=1，并将已分weN，，，配的子信道n从集合N'中去除，即N'-N'VW;、9.2)更新用户A:的待分配子信道数，即iV,W「1，更新用户A的瞬时MAC层传输速率，不断重复上述挑选过程，每一轮挑选前先将满足A^^O的用户从待分配用户集合中去除，即K'-K'^q，直至集合K、0，其中，K'^^表示从集合K'中去除元素A:。10.根据权利要求4所述的QoS联合控制方法，其中步骤4.5)所述的QoS优先级控制模块策略是用优先级函数0^,"表征，即在调度时刻，数据服务流递交子平面内隶属于用户h类型为m的MSDU在子信道"上的调度顺序是由OV^确定，艮P:式中，A为QoS服务类型权重，由QoS-MES提供，用来表征待调度MSDU隶属服务类型的重要程度，A取值越大，表明该类MSDU的调度优先级越高；^r—,"为QoS性能指标权重，由QoS-MES、DL-MAP/UL-MAP以及SCH-MES承载的信息共同确定，用来表征待调度MSDU隶属连接满足QoS需求的程度，(7m，M取值越大，表明该MSDU违反QoS的概率越大，相应的调度优先级越高。全文摘要本发明公开了一种WiMAX中保证QoS的跨层架构及QoS联合控制方法。采用跨层设计将基本数据控制平面纵向划分为QoS资源管理和数据服务流递交两个子平面。QoS资源管理子平面通过多种管理信令控制高层将应用级多媒体通信服务流QoS需求向MAC层传递；控制PHY层将收集到的子信道AMC模式选择信息向MAC层传递，实现保障系统QoS的跨层联合管理控制并将数据服务流获得的QoS性能指标控制在系统用户设定的阈值内；数据服务流递交子平面含有多种遵循IEEE802.16规范的数据服务流处理模块，它们根据QoS资源管理子平面内管理信令承载的控制信息对各类数据服务流分类和调度，实现逐层递交。本发明在维护系统高吞吐量的同时能将服务流的多个QoS指标限定在预定阈值内，同时兼顾用户的速率公平。文档编号H04W80/00GK101431811SQ20081023271公开日2009年5月13日申请日期2008年12月19日优先权日2008年12月19日发明者孙晓艳,钊李,李建东,李长乐,邓少平,婷陈申请人:西安电子科技大学