基于服务等级协定SLA的多信道上行动态调度方法技术

本发明专利技术公开了一种基于服务等级协定SLA的多信道上行动态调度方法，主要解决现有时分双工/时分多址信道分配方法无法保证多信道资源分配结果的相对公平及各个子信道上带宽分配的负载不均衡问题。其方案是：构建星型网络；设计网络系统的服务等级；确定每个传输周期在每个子信道的上行传输区间；获取各个从属节点的上行数据量；建立最大化各个子信道的剩余带宽的最小值的线性规划方程，并对其进行求解；计算每个子信道的上行剩余最小分配粒度；将各个子信道上行剩余带宽补偿给部分从属节点；计算各个从属节点在各个绑定子信道的上行传输区间。本发明专利技术能更好地保证用户间的相对公平和各个子信道上的负载均衡，可用于各种通信的局域网和接入网。

【技术实现步骤摘要】
基于服务等级协定SLA的多信道上行动态调度方法
本专利技术属于通信
，特别涉及一种多信道的上行动态带宽分配方法，可应用于各种通信的局域网和接入网领域。
技术介绍
在基于共享媒质的局域网和接入网中，为实现将信道资源合理和无冲突地分配给各个用户，常采用一个中心节点到多个从属节点的逻辑拓扑结构。在这种网络结构中，中心节点统一为所有从属节点分配信道资源。中心节点和从属节点之间可以直接进行数据通信。通常将从属节点向中心节点传输的数据流称为上行数据流，将中心节点向从属节点传输的数据流称为下行数据流。在实现点到多点通信的广播信道中，为提供服务质量QoS保证，中心节点常采用基于周期性报告/授权的时分双工/时分多址机制来实现多信道资源的动态分配。在这种机制中，把每个子信道划分成连续且互不重叠的传输周期，其中所有子信道的传输周期在时域都是对齐的。每个周期包括上行传输区段和下行传输区段，上行传输区段依次由多个从属节点的上行传输区间组成，下行传输区段依次由多个从属节点的下行传输区间组成，其中所有子信道的上下行传输区的倒换间隔在时域都是对齐的。各个从属节点生成报告帧并发送给中心节点，报告其上行信道需求；同时，中心节点获取各个从属节点的下行信道需求。中心节点根据这些信息生成规划帧并发送给所有从属节点，规划帧携带之后某一个传输周期的信道分配方案。中心节点和各从属节点在规划帧规定的传输区间进行数据传输。中心节点和从属节点之间需要通过信道传输上行数据和下行数据。在多信道的条件下，每个从属节点在接入网络时，需要确定好该从属节点所绑定的具体子信道，可以是一个子信道，也可以是多个子信道。每个从属节点在不同的子信道上的调制格式可能不同，导致每个周期中心节点在决定不同从属节点的上行传输区间和下行传输区间时，不同的调度算法会生成不同的多信道区间规划方案。现有的时分双工/时分多址多信道资源调度算法有两类：第一类是基于固定带宽的分配方法，其由中心节点为各从属节点在固定的子信道分配固定的信道资源，这类调度算法实现简单，但所分配的固定信道资源无法反映节点的实际业务需求，因此只适于恒定速率数据流。如果节点没有数据业务需要传输，会产生信道资源的浪费；如果节点有突发性业务到达，则会因为分配的信道资源不足导致较大的时延甚至丢包。第二类是在报告/授权机制下的动态调度算法，其由各个从属节点在规定时刻向中心节点发送报告帧，该报告帧携带调度算法所需的上行信息。中心节点根据自身存储的下行信息和各个从属节点报告的上行信息执行调度算法；执行完成后，将生成的调度结果在规定时刻通过规划帧发布到各个从属节点，各从属节点在规划帧授权的传输区间严格进行上下行传输。现在各类多信道网络系统中越来越多地使用这种动态调度算法。比较经典的动态调度算法主要归为以下四类：第一类：轮询调度算法及其优化算法。这类算法主要包括轮询调度算法和加权轮询调度算法。这两种算法依次询问每个从属节点，轮询调度算法将其数据全部发送到所绑定的子信道，加权轮询调度算法将其数据按加权发送到所绑定的子信道，每遍历完一遍用户后重新开始遍历。这两种算法虽然执行简单，但会导致某段时间业务量较大的用户独占所有绑定子信道的所有带宽资源，用户间的公平性严重降低。第二类：基于最优化的调度算法。这类算法主要包括基于吞吐量最大化和基于时延最小化的优化算法。这两种算法将多信道条件下多用户数据传输建模为线性规划。基于吞吐量最大化调度算法求解的目标是寻求每个传输周期吞吐量的最大值，每个子信道为调制格式较好的用户服务，导致调制格式较差的用户无法获得带宽资源；基于时延最小化调度算法求解的目标是寻求每个传输周期时延的最小值，优先为等待时延较大的用户服务，使得某段时间各个子信道优先为调制格式较差的用户服务，导致调制格式好的用户无法获得稳定带宽。第三类：基于历史分配结果的调度算法。这类算法主要包括基于历史平均吞吐量和基于历史需求带宽的调度算法。这两种算法需要缓存很多历史数据。基于历史平均吞吐量的算法讲求用户间的最公平，将带宽资源优先分配给历史吞吐量较低的用户，导致某些传输周期历史平均吞吐量较高的用户无法获得稳定带宽；基于历史需求带宽的调度算法讲求用户的满足程度，将带宽资源优先分配给历史满足程度较低的用户，导致某些传输周期历史满足程度较高的用户无法获得稳定带宽。第四类：对从属节点敏感的调度算法。这类算法主要包括对从属节点接收缓存敏感的调度和对从属节点QoS信息敏感的调度。对从属节点敏感的调度算法需要各个从属节点报告接收端剩余缓存的信息；对从属节点QoS信息敏感的调度算法需要各个从属节点报告接收端QoS信息。这两种调度算法在每周期需要采集很多参数，计算复杂度大，导致计算周期时延增大，使得算法的实时性严重降低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对以上现有调度算法的不足，结合多从属节点、多差异信道的特性，提出一种基于服务等级协定SLA的多信道上行动态调度方法，以使得不同服务等级的用户均能获得其对应等级的服务带宽，保证用户间的相对公平和各个子信道上较好的负载均衡。为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下步骤：(1)构建星型网络：设网络中有一个中心节点A，P个从属节点Ni，V个子信道，i从1到P，每个子信道有W个子载波用于用户数据传输，并设Ni在第j个子信道上的每个子载波的调制格式为Mij，且Mij＝0表示Ni未绑定子信道j，Mij≠0表示Ni绑定子信道j，其值表示Ni在子信道j上的每个子载波在固定时隙承载Ni的比特数，中心节点A和P个从属节点形成星型逻辑拓扑结构；(2)设计网络系统的服务等级：设计L种服务等级，每种等级均设有标准带宽服务值BS、无数据传输时最低带宽值BL、峰值带宽值BH、无数据传输时带宽减小值BD、进行补偿时带宽增加值BI，并设Ni的服务等级为Si，其所对应的服务参数分别为BSi、BLi、BHi、BDi和BIi；(3)确定每个子信道的上行传输区间：在时域上，将时间划分为连续且互不重叠的传输周期，设每个传输周期的时长为Tb；设该星形网络中带宽分配的最小分配粒度为RU，其在频域上占用f个子载波，在时域上占用Ts时长，其中0＜Ts＜Tb，Ts整除Tb，0＜f＜W，f整除W；划分子信道每个传输周期的上行和下行传输区间，得到每个子信道每个传输周期用于上行的最小粒度RU块数TU；(4)获得从属节点Ni的上行数据量UQi；(5)求解从属节点Ni在第j个子信道用于上行的最小分配粒度RU块数xij：(5a)设前一个传输周期为从属节点Ni计算的上行带宽为Hi，根据该上行带宽Hi和从属节点Ni的上行数据量UQi及所选择的服务等级，确定从属节点Ni的初始上行带宽UWi；(5b)建立由一个目标maxz与四个约束条件<1>、<2>、<3>、<4>组成的线性规划方程：其中，z为每个传输周期中各个子信道的剩余最小分配粒度RU块的最小值，P为从属节点个数，xij为从属节点Ni在第j个子信道用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于服务等级协定SLA的多信道上行动态调度方法，其特征在于，包括如下：/n(1)构建星型网络：/n设网络中有一个中心节点A，P个从属节点N

【技术特征摘要】
1.一种基于服务等级协定SLA的多信道上行动态调度方法，其特征在于，包括如下：
(1)构建星型网络：
设网络中有一个中心节点A，P个从属节点Ni，V个子信道，i从1到P，每个子信道有W个子载波用于用户数据传输，并设Ni在第j个子信道上的每个子载波的调制格式为Mij，且Mij＝0表示Ni未绑定子信道j，Mij≠0表示Ni绑定子信道j，其值表示Ni在子信道j上的每个子载波在固定时隙承载Ni的比特数，中心节点A和P个从属节点形成星型逻辑拓扑结构；
(2)设计网络系统的服务等级：
设计L种服务等级，每种等级均设有标准带宽服务值BS、无数据传输时最低带宽值BL、峰值带宽值BH、无数据传输时带宽减小值BD、进行补偿时带宽增加值BI，并设Ni的服务等级为Si，其所对应的服务参数分别为BSi、BLi、BHi、BDi和BIi；
(3)确定每个子信道的上行传输区间：
在时域上，将时间划分为连续且互不重叠的传输周期，设每个传输周期的时长为Tb；
设该星形网络中带宽分配的最小分配粒度为RU，其在频域上占用f个子载波，在时域上占用Ts时长，其中0＜Ts＜Tb，Ts整除Tb，0＜f＜W，f整除W；划分子信道每个传输周期的上行和下行传输区间，得到每个子信道每个传输周期用于上行的最小粒度RU块数TU；
(4)获得从属节点Ni的上行数据量UQi；
(5)求解从属节点Ni在第j个子信道用于上行的最小分配粒度RU块数xij：
(5a)设前一个传输周期为从属节点Ni计算的上行带宽为Hi，根据该上行带宽Hi和从属节点Ni的上行数据量UQi及所选择的服务等级，确定从属节点Ni的初始上行带宽UWi；
(5b)建立由一个目标maxz与四个约束条件<1>、<2>、<3>、<4>组成的线性规划方程：



其中，z为每个传输周期中各个子信道的剩余最小分配粒度RU块的最小值，P为从属节点个数，xij为从属节点Ni在第j个子信道用于上行的最小分配粒度RU块数，TU为每个子信道上，每个传输周期上行最小分配粒度RU块数，V为子信道个数，Mij为从属节点Ni在第j个子信道上的每个子载波的调制格式，f为每个最小分配粒度RU中的子载波个数，Tb为传输周期时长，UWi为从属节点Ni得到的初始上行分配带宽，L为一个正无穷大的数；
(5c)利用线性规划求解器求解上述线性规划方程，得到从属节点Ni在第j个子信道用于上行的最小分配粒度RU块数xij；
(6)计算每个子信道的上行剩余最小分配粒度RU块数REj；
(7)对(6)的结果进行判断：
如果所有子信道的REj均为0，则执行(9)；
如果某个子信道的REj不为0，则执行(8)；
(8)将各个子信道上行剩余带宽补偿给部分从属节点；
(9)计算从属节点Ni在第j个子信道的上行传输区间[UBij,UEij]，更新该从属节点Ni前一个传输周期计算的分配带宽值Hi为UWi。


2.根据权利要求1所述的多信道动态调度方法，其中(5a)中确定从属节点Ni的上行初始带宽UWi，通过以下公式计算：



其中，BLi为从属节点Ni在无数据传输时的最低带宽值，UQi为从属节点Ni的上行数据量，Hi为从属节点Ni在前一个传输周期的计算带宽值，BDi为从属节点Ni在无数据传输时带宽减小值，BSi为从属节点Ni的标准带宽服务值。


3.根据权利要求1所述的多信道动态调度方法，其中(6)中确定每个子信道的上行剩余最小分配粒度RU块数，通过以下公式计算：



其中，REj为第j个子信道的上行剩余最小分配粒度RU块数，TU为每个传输周期每个子信道上用于上行的最小分配粒度RU块数，P为从属节点的个数，xij为从属节点Ni在第j个子信道用于上行的最小分配...

【专利技术属性】
技术研发人员：张冰，王凯，张奭，张诚，赵辉，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，北京瀚诺半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61