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摘要
在這里，我們提供了一種LMDS接入?yún)f(xié)議，其主要特征在于它使用的TDMA動(dòng)態(tài)幀結(jié)構(gòu)，這種靈活的幀結(jié)構(gòu)對(duì)于適應(yīng)高級(jí)LMDS業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)具有很高的可配置性。一種動(dòng)態(tài)預(yù)約多業(yè)務(wù)接入（DRMA）方案，它主要是在動(dòng)態(tài)幀中分配和共享容量，被用于在一個(gè)公共傳輸信道中實(shí)現(xiàn)對(duì)不同LMDS應(yīng)用的傳輸。此預(yù)約方案能夠適應(yīng)用戶定制的有效負(fù)載和傳輸速率的混合的需求。通過(guò)一個(gè)例子，我們描述了我們提出的協(xié)議怎樣來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)約方案，同時(shí)，還提供了仿真結(jié)果。對(duì)于一個(gè)給定的系統(tǒng)帶寬來(lái)說(shuō)，此協(xié)議的能力以及它的性能水平最小化了系統(tǒng)的爭(zhēng)用代價(jià)、隊(duì)列和傳送延時(shí)。在重負(fù)荷的網(wǎng)絡(luò)條件下，協(xié)議的能力得到最大化發(fā)揮，并且能提高的信道吞吐量。
1．簡(jiǎn)介
本文研究了一種使用新的LMDS基于無(wú)線傳播的接入技術(shù)的協(xié)議。LMDS系統(tǒng)將支持高級(jí)寬帶業(yè)務(wù)，它將運(yùn)行在不同的接入網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施上，這包括不同的無(wú)線應(yīng)用（WiApps），業(yè)務(wù)規(guī)范（TraffSpecs），還有服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求如在表1中示出的一樣。因此，就需要一種公用的多業(yè)務(wù)傳輸信道來(lái)提供真正的寬帶多媒體接入。這些在傳統(tǒng)的接入技術(shù)中不能得到有效的支持。協(xié)議必須滿足網(wǎng)間互聯(lián)的需要，并且還一定能在寬帶接入延時(shí)約束范圍內(nèi)運(yùn)行。
為了滿足LMDS系統(tǒng)的需要，新協(xié)議必須能減少傳輸延時(shí)和抖動(dòng)，同時(shí)還要能提供高效的負(fù)載和帶寬。由于這些原因，它們必須提供一種復(fù)用方法來(lái)復(fù)用下行鏈路中的不同業(yè)務(wù)流。在上行鏈路中，它們還必須要解決爭(zhēng)用和有效的分配帶寬的問(wèn)題，此外還要實(shí)現(xiàn)對(duì)不同信息源的靈活的業(yè)務(wù)支持。
實(shí)現(xiàn)LMDS規(guī)范所使用的方法將在第2部分中得到介紹。在第3部分中，我們討論了協(xié)議如何運(yùn)行來(lái)支持一種公用多業(yè)務(wù)傳輸信道。在第4部分中，我們描述了爭(zhēng)用方案。然后，在第5部分中，提供了仿真結(jié)果和協(xié)議的性能評(píng)估。最后，在第6部分我們得出我們的結(jié)論。
2．多業(yè)務(wù)LMDS接入?yún)f(xié)議
為了在寬帶接入的限制范圍內(nèi)運(yùn)行，系統(tǒng)必須要把等待時(shí)間控制在一個(gè)最小值。因此，我們對(duì)幀結(jié)構(gòu)作了一定的修改。為了通過(guò)減少傳輸延時(shí)和抖動(dòng)來(lái)把系統(tǒng)的等待時(shí)間維持在最小值，每一個(gè)時(shí)隙都有150ns的持續(xù)時(shí)間并且含有3個(gè)QAM符號(hào)。這里的修改方案使用的是16－QAM，它為每個(gè)符號(hào)分配了4個(gè)比特；因此，每個(gè)時(shí)隙就含有12比特。由于時(shí)隙尺寸大小和等待時(shí)間之間有直接的關(guān)系，所以我們選擇了短時(shí)隙大小。尺寸越大，系統(tǒng)等待時(shí)間越大。
短時(shí)隙受青睞的一個(gè)原因是它們?cè)诙ㄖ撇煌膫鬏斝诺罆r(shí)，具有很大的靈活性和可伸縮性。為了滿足網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的要求，可伸縮性被用來(lái)分配和共享系統(tǒng)能力，主要是根據(jù)以階梯單元的增量來(lái)自適應(yīng)的對(duì)短時(shí)隙的尺寸分組，這個(gè)階梯單元叫做BIBs。BIBs被定義為12-Kbps基本增加帶寬（BIB）。它存在于預(yù)約希望的帶寬中，且?guī)в屑?xì)微步長(zhǎng)間隔，放大到一個(gè)適應(yīng)的大時(shí)隙尺寸。也就是說(shuō)，選擇的BIB單元是最大因數(shù)，每個(gè)有效負(fù)載和傳輸率最大的公用因子將在任何給定大時(shí)隙中得到支持。有一些合適的尺寸大小可以適應(yīng)TDMA動(dòng)態(tài)幀中的混合的定制的有效負(fù)載和傳輸率。在下一部分將要論述到，幀的靈活的結(jié)構(gòu)，如圖1中一樣，支持動(dòng)態(tài)帶寬信道定制。
圖1 可修改的和可伸縮的TDMA動(dòng)態(tài)幀
3．多業(yè)務(wù)接入信道
動(dòng)態(tài)預(yù)約多業(yè)務(wù)接入（DRMA）協(xié)議被應(yīng)用于在動(dòng)態(tài)幀中運(yùn)作一個(gè)公用傳輸信道。幀的動(dòng)態(tài)性，即它的適應(yīng)性和可伸縮性對(duì)于高級(jí)LMDS應(yīng)用來(lái)說(shuō)是可以應(yīng)用的。為了說(shuō)明DRMA如何工作的，高速：文件傳輸和多媒體業(yè)務(wù)傳輸信道定制的情況已經(jīng)在表1中選擇出來(lái)。仿真結(jié)果也在第五部分給出。DRMA爭(zhēng)用方案在第四部分討論，它的預(yù)約方案的描述描述如下。
在上行鏈路方向需要的帶寬是動(dòng)態(tài)的預(yù)約的，幀也被放大到適應(yīng)的大時(shí)隙尺寸以定制各種傳輸信道需求。對(duì)于這些傳輸來(lái)說(shuō)，用戶站（SS）進(jìn)入信道以減小代價(jià)的爭(zhēng)用方案的形式爭(zhēng)用，爭(zhēng)用方案將在下一部分中論述。與我們選擇的例子和在表2中描述的那樣，在成功的對(duì)上行鏈路傳輸爭(zhēng)用后，協(xié)議自適應(yīng)的在變長(zhǎng)度單元中分組成很多短時(shí)隙來(lái)適應(yīng)特殊帶寬需要（欄2），主要是通過(guò)在大時(shí)隙中為有效負(fù)載用戶定制（欄3和欄4）分配BIBs實(shí)現(xiàn)的。在下行鏈路傳輸中，協(xié)議復(fù)用不同的業(yè)務(wù)流，不斷的調(diào)節(jié)公共媒體來(lái)適應(yīng)不同業(yè)務(wù)速率的信道。這些業(yè)務(wù)是通過(guò)在BIB單元中動(dòng)態(tài)預(yù)約需要的帶寬來(lái)定制的。對(duì)于特定的速率（欄5），許多大時(shí)隙尺寸被自適應(yīng)的分配來(lái)匹配特殊的傳輸信道（欄6）。
BIB業(yè)務(wù)信道定制的例子在上面已經(jīng)討論了，見(jiàn)圖2，它對(duì)于所有的表1中示出的WinApp都適用。這些都是典型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，屬于無(wú)連接類型，它的主要技術(shù)是IP技術(shù)，對(duì)于面向連接的應(yīng)用，ATM是其主要技術(shù)。無(wú)連接IP對(duì)于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)比如WWW瀏覽來(lái)說(shuō)比較有效；而對(duì)于面向連接的ATM來(lái)說(shuō)，對(duì)于傳播實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)如電話業(yè)務(wù)等來(lái)說(shuō)比較有效。這些技術(shù)使得使用ATM來(lái)作為在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的標(biāo)準(zhǔn)接口提供了便利的條件。然而，當(dāng)前的協(xié)議結(jié)構(gòu)正在向面向多IP網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展，它可能用IP作為標(biāo)準(zhǔn)接口技術(shù)才能達(dá)到最優(yōu)化。由于一種技術(shù)不可能克服自己的缺點(diǎn)來(lái)完全的代替其他的技術(shù)，所以就產(chǎn)生了綜合DRMA與IP和ATM的需要。
如果ATM是網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的接口，高速I(mǎi)P產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包應(yīng)該被封裝到ATM信元中。IP規(guī)范規(guī)定任何一個(gè)主機(jī)必須能把高達(dá)4608比特長(zhǎng)的數(shù)據(jù)組合在一起。至于ATM有效負(fù)載規(guī)范，高達(dá)12個(gè)的ATM信元，每個(gè)封裝的384比特相當(dāng)于每毫秒的IP數(shù)據(jù)包（欄3），都需要被接收，同時(shí)還要重新組裝每12幀到對(duì)應(yīng)的最大變化4608比特的IP數(shù)據(jù)包的尺寸。對(duì)于1536Mbps速率（欄6）， 4個(gè)ATM信元相當(dāng)于1536比特的IP數(shù)據(jù)包被在一個(gè)1ms的幀中發(fā)送。因此，IP數(shù)據(jù)包被每3幀重新組合一起。
圖2 BIB多業(yè)務(wù)預(yù)約方案
網(wǎng)間互聯(lián)配置方法如圖2示。在表2中，短白箭頭（欄3）代表ATM有效負(fù)載信元。長(zhǎng)的黑箭頭（欄6）表示被封裝進(jìn)4ATM信元中的IP數(shù)據(jù)包。
4．預(yù)約請(qǐng)求策略
在預(yù)約被授權(quán)使用共享信道之前，SS必須爭(zhēng)用和請(qǐng)求接入。作為一個(gè)規(guī)則，在基于爭(zhēng)用的預(yù)約機(jī)制中，SS必須驗(yàn)證當(dāng)前時(shí)隙對(duì)于請(qǐng)求來(lái)說(shuō)是可以應(yīng)用的，并且SS有權(quán)利發(fā)送。然后SS就真用可利用的時(shí)隙直到預(yù)約被授權(quán)給隨后的幀中預(yù)約的時(shí)隙專有。當(dāng)BS獲得爭(zhēng)用數(shù)據(jù)包的成功回復(fù)確認(rèn)信息時(shí)，就證實(shí)了它沒(méi)有產(chǎn)生碰撞，同時(shí)它也沒(méi)有被其他的SS占有，這時(shí)預(yù)約就被授權(quán)。
當(dāng)爭(zhēng)用時(shí)，我們介紹了一種縮減代價(jià)的預(yù)約請(qǐng)求策略（RRS），RRS最小化了爭(zhēng)用代價(jià)，爭(zhēng)用代價(jià)被定義為爭(zhēng)用中的嘗試次數(shù)和數(shù)據(jù)的包丟失。為了有效的縮減嘗試次數(shù)，如圖2中所示的那樣，請(qǐng)求小時(shí)隙在指定的區(qū)域內(nèi)，它不能由有效負(fù)載來(lái)傳送。這些是被用來(lái)爭(zhēng)用并且被認(rèn)為都可以用來(lái)獲得即刻接入到共享信道。因此，SS不需要驗(yàn)證期望時(shí)隙的狀態(tài)，這個(gè)時(shí)隙當(dāng)前是被BS分配的來(lái)避免爭(zhēng)用的時(shí)隙。以這種方式，當(dāng)SS產(chǎn)生一個(gè)文件時(shí)，一個(gè)隨機(jī)發(fā)送的小時(shí)隙，當(dāng)然它也是被隨機(jī)選擇的，被用來(lái)發(fā)送預(yù)約請(qǐng)求。當(dāng)這個(gè)小時(shí)隙被BS收到時(shí)，它從它的主預(yù)約登記冊(cè)（MRR）中分配一個(gè)“未預(yù)約”的時(shí)間隙。
由于小時(shí)隙隨機(jī)傳輸機(jī)制已經(jīng)從有效負(fù)載傳輸域中分離出去，沖突引起的包丟失的數(shù)量也就減少了。當(dāng)工作在飽和狀態(tài)時(shí)，請(qǐng)求小時(shí)隙在某時(shí)刻被打包成一個(gè)幀（假設(shè)沒(méi)有沖突）而不是整個(gè)預(yù)約持續(xù)時(shí)間，這一點(diǎn)就顯的尤其明顯。這使得請(qǐng)求被引導(dǎo)到很多時(shí)隙，因此就避免了沖突和重傳。
通過(guò)在BS上引入集中的RSS，爭(zhēng)用代價(jià)能被最小化。因?yàn)�，�?dāng)超過(guò)一個(gè)的SS選擇同一個(gè)時(shí)隙爭(zhēng)用時(shí)，沖突就很普遍了。當(dāng)運(yùn)行在飽和狀態(tài)并且在重發(fā)形式下需要更多重傳方式的嘗試時(shí), 這樣的例子就會(huì)很經(jīng)常的發(fā)生，盡管這些沖突可以避免。我們使用固定許可概率來(lái)爭(zhēng)用具有一定的缺陷。另外，甚至在當(dāng)前幀中存在可利用的時(shí)隙時(shí)，SS也必須等待直到下一幀并對(duì)它爭(zhēng)用，并且，如果一個(gè)SS直到幀的端點(diǎn)還不能獲得它的預(yù)約，它就在下一幀中重新發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求包。這與我們的方法相反，我們提供一個(gè)請(qǐng)求小時(shí)隙的較高的可獲得性，而沒(méi)有使用固定許可概率。在較大負(fù)載的情況下，當(dāng)在系統(tǒng)中沒(méi)有可利用的時(shí)隙時(shí)，這種情況的發(fā)生可能因?yàn)樗械臅r(shí)隙都被預(yù)約，一旦請(qǐng)求小時(shí)隙變的不可預(yù)約就會(huì)發(fā)生爭(zhēng)用。仿真結(jié)果也表明，這種許可概率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)比固定概率的方法具有更好的性能。在下一部分中，將對(duì)DRMA RRS性能與其他協(xié)議的基于爭(zhēng)用的預(yù)約機(jī)制的性能相比較。
5．協(xié)議性能評(píng)價(jià)
我們研究了把RRS機(jī)制引入到我們協(xié)議的基于爭(zhēng)用的預(yù)約方案中，來(lái)有效的最小化爭(zhēng)用的優(yōu)勢(shì)。這與早期的方案有鮮明的對(duì)比，在早期的協(xié)議方案中，使用的是固定或動(dòng)態(tài)許可概率機(jī)制的一種來(lái)爭(zhēng)用，并且在公共共享信道中預(yù)約帶寬。
最為人所知的協(xié)議基于爭(zhēng)用的預(yù)約機(jī)制如R-ALOHA、Aloha預(yù)約、和PRMA都使用一種固定幾率機(jī)制來(lái)發(fā)送預(yù)約請(qǐng)求。它們很多其他的變種形成很多的附加特征，比如避免沖突和對(duì)請(qǐng)求預(yù)約使用可變的許可概率等。這些附加的特征是出于對(duì)數(shù)據(jù)和話音的結(jié)合的情況考慮的結(jié)果。這里，我們考慮一種更加復(fù)雜的LMDS網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。RSS附加特征比一般的方案具有更好的性能。這些結(jié)果被用帶有黑點(diǎn)符號(hào)的虛線描繪出來(lái)。對(duì)于固定的方案的結(jié)果，它們用帶有三角箭頭符號(hào)的實(shí)線描繪出來(lái)。在圖3中，我們可能看到，在DRMA的情況下，每一個(gè)SS都需要實(shí)際上的爭(zhēng)用一次，來(lái)獲得實(shí)際的即時(shí)的對(duì)共享信道的訪問(wèn)。當(dāng)運(yùn)行在2倍于40個(gè)用戶容量的情況下時(shí)，每個(gè)文件傳輸需要最大1.2個(gè)爭(zhēng)用。然而卻只有20個(gè)請(qǐng)求小時(shí)隙。對(duì)于固定方案，每個(gè)SS平均需要爭(zhēng)用2、4.08或8.6次（取決于許可概率），對(duì)于動(dòng)態(tài)方案來(lái)說(shuō)，每個(gè)SS平均需要爭(zhēng)用2.47次。DRAM也最佳化了頻譜能力，我們的例子應(yīng)用了在LMDS系統(tǒng)中對(duì)文件傳輸?shù)淖罴鸦瘓D。
圖3 每一文件傳輸?shù)臓?zhēng)用總和
圖4 文件傳輸總和
正如在圖4中所看到的一樣，DRMA使系統(tǒng)具有很穩(wěn)定的信道吞吐量�？偭吭�6900和7500之間的文件被傳輸，而不用考慮系統(tǒng)的能力負(fù)荷。在其他的方案中，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入到重負(fù)荷狀態(tài)也就是有35個(gè)或更多的活動(dòng)用戶時(shí)，吞吐量性能就會(huì)直線下降到2800個(gè)文件傳輸。在固定方案下，當(dāng)許可概率設(shè)置的太小時(shí)，比如設(shè)在0.01(圖3，4)，則最多有兩個(gè)連接被允許，這個(gè)值是非常的小。因此，數(shù)據(jù)包在任何文件傳輸?shù)拈_(kāi)始就被延時(shí)，它們要在隊(duì)列中等待一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)間。因此，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入重負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，信道吞吐量就會(huì)降下來(lái)。相反，如果這個(gè)值被設(shè)置的太高，比如設(shè)在0.06，則爭(zhēng)用數(shù)據(jù)包之間就會(huì)發(fā)生很多的沖突，從而使所有用戶都不能訪問(wèn)共享信道。然而在DRMA中，我們把爭(zhēng)用保持在最小1.2 的嘗試值上，則當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入重負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的吞吐量還是能保持一個(gè)穩(wěn)定的最大值。對(duì)于動(dòng)態(tài)方案，我們的發(fā)現(xiàn)（圖3，4）支持后者的研究，它們建議當(dāng)允許這些許可概率根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)變化時(shí)可實(shí)現(xiàn)更好的性能。在評(píng)估動(dòng)態(tài)方案時(shí)，我們根據(jù)每個(gè)SS上的隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包數(shù)量的總值來(lái)變化許可概率。
DRMA也最小化了隊(duì)列和傳輸延時(shí)。這在圖5和圖6中可很清楚的看到。在圖中，DRMA在系統(tǒng)進(jìn)入重負(fù)荷狀態(tài)時(shí)明顯比其他的方案具有好的性能。正如所看到的一樣，在系統(tǒng)重負(fù)荷狀態(tài)下有40個(gè)同時(shí)發(fā)生的用戶被復(fù)用，并且用戶都有0.5的活動(dòng)因數(shù)時(shí)，這點(diǎn)顯的更加突出。系統(tǒng)擁有20個(gè)活動(dòng)用戶的能力。
圖5 文件傳輸隊(duì)列平均延時(shí)
圖6 文件傳輸隊(duì)列變化延時(shí)
6．結(jié)論
本文研究了一種適合LMDS系統(tǒng)的通用DRMA接入?yún)f(xié)議，同時(shí)介紹了一系列的仿真來(lái)表明協(xié)議的RRS附加特征。很明顯，DRMA可以完成：（1）為不同的和混合業(yè)務(wù)速率流提供了有效負(fù)載和有效的帶寬。（2）以小間隔動(dòng)態(tài)的分配了帶寬，因此，就縮減了整個(gè)的傳輸延時(shí)。（3）支持一個(gè)很寬范圍的可使用的帶寬的可伸縮性和一定數(shù)量的混合業(yè)務(wù)連接。（4）在協(xié)議中引入了RRS機(jī)制來(lái)克服其他協(xié)議中比如ALOHA和PRMA協(xié)議所表現(xiàn)出來(lái)的不穩(wěn)定問(wèn)題。在這些協(xié)議中，在重負(fù)荷的狀態(tài)下，業(yè)務(wù)會(huì)遇到很?chē)?yán)重的碰撞和延時(shí)的問(wèn)題，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定狀態(tài)。DRMA減小了爭(zhēng)用代價(jià)、隊(duì)列和傳輸延時(shí)，最佳化了系統(tǒng)在重負(fù)荷狀態(tài)下的性能，使系統(tǒng)具有一個(gè)非常穩(wěn)定的通信吞吐量而不用考慮網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。
摘自《計(jì)算機(jī)世界網(wǎng)》
