北京邮电大学22信箱 王传令
摘要
在这里，我们提供了一种LMDS接入协议，其主要特征在于它使用的TDMA动态帧结构，这种灵活的帧结构对于适应高级LMDS业务来说具有很高的可配置性。一种动态预约多业务接入（DRMA）方案，它主要是在动态帧中分配和共享容量，被用于在一个公共传输信道中实现对不同LMDS应用的传输。此预约方案能够适应用户定制的有效负载和传输速率的混合的需求。通过一个例子，我们描述了我们提出的协议怎样来实现预约方案，同时，还提供了仿真结果。对于一个给定的系统带宽来说，此协议的能力以及它的性能水平最小化了系统的争用代价、队列和传送延时。在重负荷的网络条件下，协议的能力得到最大化发挥，并且能提高的信道吞吐量。
1．简介
本文研究了一种使用新的LMDS基于无线传播的接入技术的协议。LMDS系统将支持高级宽带业务，它将运行在不同的接入网基础设施上，这包括不同的无线应用（WiApps），业务规范（TraffSpecs），还有服务质量（QoS）要求如在表1中示出的一样。因此，就需要一种公用的多业务传输信道来提供真正的宽带多媒体接入。这些在传统的接入技术中不能得到有效的支持。协议必须满足网间互联的需要，并且还一定能在宽带接入延时约束范围内运行。
为了满足LMDS系统的需要，新协议必须能减少传输延时和抖动，同时还要能提供高效的负载和带宽。由于这些原因，它们必须提供一种复用方法来复用下行链路中的不同业务流。在上行链路中，它们还必须要解决争用和有效的分配带宽的问题，此外还要实现对不同信息源的灵活的业务支持。
实现LMDS规范所使用的方法将在第2部分中得到介绍。在第3部分中，我们讨论了协议如何运行来支持一种公用多业务传输信道。在第4部分中，我们描述了争用方案。然后，在第5部分中，提供了仿真结果和协议的性能评估。最后，在第6部分我们得出我们的结论。
2．多业务LMDS接入协议
为了在宽带接入的限制范围内运行，系统必须要把等待时间控制在一个最小值。因此，我们对帧结构作了一定的修改。为了通过减少传输延时和抖动来把系统的等待时间维持在最小值，每一个时隙都有150ns的持续时间并且含有3个QAM符号。这里的修改方案使用的是16－QAM，它为每个符号分配了4个比特；因此，每个时隙就含有12比特。由于时隙尺寸大小和等待时间之间有直接的关系，所以我们选择了短时隙大小。尺寸越大，系统等待时间越大。
短时隙受青睐的一个原因是它们在定制不同的传输信道时，具有很大的灵活性和可伸缩性。为了满足网络互联的要求，可伸缩性被用来分配和共享系统能力，主要是根据以阶梯单元的增量来自适应的对短时隙的尺寸分组，这个阶梯单元叫做BIBs。BIBs被定义为12-Kbps基本增加带宽（BIB）。它存在于预约希望的带宽中，且带有细微步长间隔，放大到一个适应的大时隙尺寸。也就是说，选择的BIB单元是最大因数，每个有效负载和传输率最大的公用因子将在任何给定大时隙中得到支持。有一些合适的尺寸大小可以适应TDMA动态帧中的混合的定制的有效负载和传输率。在下一部分将要论述到，帧的灵活的结构，如图1中一样，支持动态带宽信道定制。
图1 可修改的和可伸缩的TDMA动态帧
3．多业务接入信道
动态预约多业务接入（DRMA）协议被应用于在动态帧中运作一个公用传输信道。帧的动态性，即它的适应性和可伸缩性对于高级LMDS应用来说是可以应用的。为了说明DRMA如何工作的，高速：文件传输和多媒体业务传输信道定制的情况已经在表1中选择出来。仿真结果也在第五部分给出。DRMA争用方案在第四部分讨论，它的预约方案的描述描述如下。
在上行链路方向需要的带宽是动态的预约的，帧也被放大到适应的大时隙尺寸以定制各种传输信道需求。对于这些传输来说，用户站（SS）进入信道以减小代价的争用方案的形式争用，争用方案将在下一部分中论述。与我们选择的例子和在表2中描述的那样，在成功的对上行链路传输争用后，协议自适应的在变长度单元中分组成很多短时隙来适应特殊带宽需要（栏2），主要是通过在大时隙中为有效负载用户定制（栏3和栏4）分配BIBs实现的。在下行链路传输中，协议复用不同的业务流，不断的调节公共媒体来适应不同业务速率的信道。这些业务是通过在BIB单元中动态预约需要的带宽来定制的。对于特定的速率（栏5），许多大时隙尺寸被自适应的分配来匹配特殊的传输信道（栏6）。
BIB业务信道定制的例子在上面已经讨论了，见图2，它对于所有的表1中示出的WinApp都适用。这些都是典型的网络应用，属于无连接类型，它的主要技术是IP技术，对于面向连接的应用，ATM是其主要技术。无连接IP对于非实时业务比如WWW浏览来说比较有效；而对于面向连接的ATM来说，对于传播实时业务如电话业务等来说比较有效。这些技术使得使用ATM来作为在不同网络环境中的标准接口提供了便利的条件。然而，当前的协议结构正在向面向多IP网络方向发展，它可能用IP作为标准接口技术才能达到最优化。由于一种技术不可能克服自己的缺点来完全的代替其他的技术，所以就产生了综合DRMA与IP和ATM的需要。
如果ATM是网络互联的接口，高速IP产生的数据包应该被封装到ATM信元中。IP规范规定任何一个主机必须能把高达4608比特长的数据组合在一起。至于ATM有效负载规范，高达12个的ATM信元，每个封装的384比特相当于每毫秒的IP数据包（栏3），都需要被接收，同时还要重新组装每12帧到对应的最大变化4608比特的IP数据包的尺寸。对于1536Mbps速率（栏6）， 4个ATM信元相当于1536比特的IP数据包被在一个1ms的帧中发送。因此，IP数据包被每3帧重新组合一起。
图2 BIB多业务预约方案
网间互联配置方法如图2示。在表2中，短白箭头（栏3）代表ATM有效负载信元。长的黑箭头（栏6）表示被封装进4ATM信元中的IP数据包。
4．预约请求策略
在预约被授权使用共享信道之前，SS必须争用和请求接入。作为一个规则，在基于争用的预约机制中，SS必须验证当前时隙对于请求来说是可以应用的，并且SS有权利发送。然后SS就真用可利用的时隙直到预约被授权给随后的帧中预约的时隙专有。当BS获得争用数据包的成功回复确认信息时，就证实了它没有产生碰撞，同时它也没有被其他的SS占有，这时预约就被授权。
当争用时，我们介绍了一种缩减代价的预约请求策略（RRS），RRS最小化了争用代价，争用代价被定义为争用中的尝试次数和数据的包丢失。为了有效的缩减尝试次数，如图2中所示的那样，请求小时隙在指定的区域内，它不能由有效负载来传送。这些是被用来争用并且被认为都可以用来获得即刻接入到共享信道。因此，SS不需要验证期望时隙的状态，这个时隙当前是被BS分配的来避免争用的时隙。以这种方式，当SS产生一个文件时，一个随机发送的小时隙，当然它也是被随机选择的，被用来发送预约请求。当这个小时隙被BS收到时，它从它的主预约登记册（MRR）中分配一个“未预约”的时间隙。
由于小时隙随机传输机制已经从有效负载传输域中分离出去，冲突引起的包丢失的数量也就减少了。当工作在饱和状态时，请求小时隙在某时刻被打包成一个帧（假设没有冲突）而不是整个预约持续时间，这一点就显的尤其明显。这使得请求被引导到很多时隙，因此就避免了冲突和重传。
通过在BS上引入集中的RSS，争用代价能被最小化。因为，当超过一个的SS选择同一个时隙争用时，冲突就很普遍了。当运行在饱和状态并且在重发形式下需要更多重传方式的尝试时, 这样的例子就会很经常的发生，尽管这些冲突可以避免。我们使用固定许可概率来争用具有一定的缺陷。另外，甚至在当前帧中存在可利用的时隙时，SS也必须等待直到下一帧并对它争用，并且，如果一个SS直到帧的端点还不能获得它的预约，它就在下一帧中重新发送一个请求包。这与我们的方法相反，我们提供一个请求小时隙的较高的可获得性，而没有使用固定许可概率。在较大负载的情况下，当在系统中没有可利用的时隙时，这种情况的发生可能因为所有的时隙都被预约，一旦请求小时隙变的不可预约就会发生争用。仿真结果也表明，这种许可概率的动态调节比固定概率的方法具有更好的性能。在下一部分中，将对DRMA RRS性能与其他协议的基于争用的预约机制的性能相比较。
5．协议性能评价
我们研究了把RRS机制引入到我们协议的基于争用的预约方案中，来有效的最小化争用的优势。这与早期的方案有鲜明的对比，在早期的协议方案中，使用的是固定或动态许可概率机制的一种来争用，并且在公共共享信道中预约带宽。
最为人所知的协议基于争用的预约机制如R-ALOHA、Aloha预约、和PRMA都使用一种固定几率机制来发送预约请求。它们很多其他的变种形成很多的附加特征，比如避免冲突和对请求预约使用可变的许可概率等。这些附加的特征是出于对数据和话音的结合的情况考虑的结果。这里，我们考虑一种更加复杂的LMDS网络环境。RSS附加特征比一般的方案具有更好的性能。这些结果被用带有黑点符号的虚线描绘出来。对于固定的方案的结果，它们用带有三角箭头符号的实线描绘出来。在图3中，我们可能看到，在DRMA的情况下，每一个SS都需要实际上的争用一次，来获得实际的即时的对共享信道的访问。当运行在2倍于40个用户容量的情况下时，每个文件传输需要最大1.2个争用。然而却只有20个请求小时隙。对于固定方案，每个SS平均需要争用2、4.08或8.6次（取决于许可概率），对于动态方案来说，每个SS平均需要争用2.47次。DRAM也最佳化了频谱能力，我们的例子应用了在LMDS系统中对文件传输的最佳化图。
图3 每一文件传输的争用总和
图4 文件传输总和
正如在图4中所看到的一样，DRMA使系统具有很稳定的信道吞吐量。总量在6900和7500之间的文件被传输，而不用考虑系统的能力负荷。在其他的方案中，当系统进入到重负荷状态也就是有35个或更多的活动用户时，吞吐量性能就会直线下降到2800个文件传输。在固定方案下，当许可概率设置的太小时，比如设在0.01(图3，4)，则最多有两个连接被允许，这个值是非常的小。因此，数据包在任何文件传输的开始就被延时，它们要在队列中等待一个很长的时间。因此，当系统进入重负荷运转时，信道吞吐量就会降下来。相反，如果这个值被设置的太高，比如设在0.06，则争用数据包之间就会发生很多的冲突，从而使所有用户都不能访问共享信道。然而在DRMA中，我们把争用保持在最小1.2 的尝试值上，则当系统进入重负荷运行状态时，系统的吞吐量还是能保持一个稳定的最大值。对于动态方案，我们的发现（图3，4）支持后者的研究，它们建议当允许这些许可概率根据网络的状态变化时可实现更好的性能。在评估动态方案时，我们根据每个SS上的队列中的数据包数量的总值来变化许可概率。
DRMA也最小化了队列和传输延时。这在图5和图6中可很清楚的看到。在图中，DRMA在系统进入重负荷状态时明显比其他的方案具有好的性能。正如所看到的一样，在系统重负荷状态下有40个同时发生的用户被复用，并且用户都有0.5的活动因数时，这点显的更加突出。系统拥有20个活动用户的能力。
图5 文件传输队列平均延时
图6 文件传输队列变化延时
6．结论
本文研究了一种适合LMDS系统的通用DRMA接入协议，同时介绍了一系列的仿真来表明协议的RRS附加特征。很明显，DRMA可以完成：（1）为不同的和混合业务速率流提供了有效负载和有效的带宽。（2）以小间隔动态的分配了带宽，因此，就缩减了整个的传输延时。（3）支持一个很宽范围的可使用的带宽的可伸缩性和一定数量的混合业务连接。（4）在协议中引入了RRS机制来克服其他协议中比如ALOHA和PRMA协议所表现出来的不稳定问题。在这些协议中，在重负荷的状态下，业务会遇到很严重的碰撞和延时的问题，结果导致系统的不稳定状态。DRMA减小了争用代价、队列和传输延时，最佳化了系统在重负荷状态下的性能，使系统具有一个非常稳定的通信吞吐量而不用考虑网络的负荷。
摘自《计算机世界网》
|