一种新的TETRA集群队列管理方法

第３７卷　

Ｖｂ１．３７　第７期　

ＮＯ．７　计算机工程　

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１】年４月　

Ａｐｒｉｌ　２０１１　

・网络与通信・　文章编号：１００ｌ卜＿３４２８（２０ｌ１）０７—Ｉｌ１０６＿＿ｏ３　文献标识码：Ａ　中图分类号：ＴＰ３９３　

一种新的ＴＥＴＲＡ集群队列管理方法　

游斑黔，喻后强　

（重庆邮电大学计算机学院，重庆４０００６５）　

摘要：比较陆地集群无线电系统（ＴＥＴＲＡ）集群网络中加增乘减控制机制和按比公半时序调度的优缺点，指出ＴＣＰ的加增乘减机制会降低　ＴＥＴＲＡ集群系统的ＱｏＳ性能。提出一种新的ＴＥＴＲＡ集群队列管理方法，设计基于动态起点机制的队列管理计数器，基于平均信道质量　进行队列管理。仿真实验验证了该方法在ＴＥＴＲＡ集群网络中的有效性。　

关健词：陆地集群无线电系统；加增乘减控制机制；按比公平时序调度；平均信道质量　

Ｎｅｗ　ＴＥＴＲＡ　Ｔｒｕｎｋｅｄ　Ｑｕｅｕｅ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ　

ＹＯＵ　Ｘｉａｏ－ｑｉａｎ，ＹＵ　Ｈｏｕ－ｑｉａｎｇ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００６５，Ｃｈｉｎａ）　

｜Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｍｐａｒｅｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ａｄｄｉｔｉｖｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ａｎｄ　ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｖｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｆａｉｒ　ｓｃｈｅｄｕｌｅ　ｏｎ　ＴＥＴＲＡ　ｔｒｕｎｋｅｄ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄ　ｉｔ　ｆｉｎｄｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｄｄｉｔｉｖｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ａｎｄ　ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｖｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ＴＣＰ　ｃａｎ　ｄｅｇｒａｄｅ　ＱｏＳ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ＴＥＴＲＡ　ｔｒｕｎｋｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｆｏｒ　ｓｏｌｖｉｎｇ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ｉｔ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ａ　ｎｅｗ　ＴＥＴＲＡ　ｔｒｕｎｋｅｄ　ｑｕｅｕｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ａ　ｑｕｅｕｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｃｏｕｎｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｔｏ　ｍａｎａｇｅ　ｑｕｅｕｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｖｅｒａｇｅ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｑｕａｌｉｔｙ　Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　

ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｎ　ＴＥＴＲＡ　ｔｒｕｎｋｅｄ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．　｜Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ＴＥＴＲＡ；ａｄｄｉｔｉｖｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ａｎｄ　ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｖｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｆａｉｒ　ｓｃｈｅｄｕｌｅ；ａｖｅｒａｇｅ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｑｕａｌｉｔｙ　

ＤＯＩ：１　０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１　０００—３４２８．２０　１　１．０７．０３５　

１概述　

陆地集群无线电系统（ＴＥＴＲＡ），具有双向无线电对讲机、　

移动电话、字符报文传送等功能，是面向下一代数字式移动　通信的开放式标准之一…。按比公平调度是无线数据服务中　

最常用的时序调度算法之一。对于ＴＥＴＲＡ集群系统来讲，　按比公平调度利用了无线信道的起伏不定性，随着时间的推　

移，当信道条件比较好时它会把数据传送给移动台。同时，　它也提供了某种意义上的公平，在一个长时间周期内，调度　程序花费在用于服务每个移动台的时间片数量大体上是一致　的，这也被称为暂存的公平　Ｊ。　

ＴＥＴＲＡ集群网络中ＴＣＰ采用了一种加增乘减的窗口控　

制机制。一方面，当没有拥塞被检测到时，它会以直线状增　长拥塞窗口的大小；另一方面，当发现拥塞（以包丢失或者标　记方式），它会乘数级地减小窗口大小。。　。文献【４Ｊ研究发现，　

当所有用户同类时加增乘减算法控制会使得每个用户具有相　

同的速率。　目前，ＴＣＰ和按比公平调度机制间优劣的研究集中在按　

比调度机制中各种各样的内部服务时间对ＴＣＰ性能的影响。　

一种机会主义倾向机制认为信道的随机性造成了可变的服务　

速率和延迟间隔。文献【５】用分析法研究了一个相似的难题　ｊ：　由于按比公平调度机制会增加延迟，从而造成可变的内部服　

务时间，减少了那些对延迟敏感流量的吞吐量。然而，这个　结论是针对那些对延迟敏感的流的。文献［６］指出假的超时也　会降低按比公平调度中的ＴＣＰ吞吐量，按比公平调度者的随　

机延时会导致ＴＣＰ发送的超时。　

本文通过分析对比加增乘减控制机制和按比公平时序调　度，发现作为结果的速率分配依赖于缓存的大小。在小缓存　

时，它们可以得到公平的速率分配，然而随缓存大小的增加，　分配方式更接近于按比公平分配。因此，本文提出一种新的　ＴＥＴＲＡ集群队列管理方法，利用平均信道质量实现成比例公　

平分配。　

２加增乘减控制机制与按比公平时序调度　

２．１加增乘减控制机制及公平性　加增乘减模型如图１所示。　

图１加增乘谈模型　

加增乘减控制机制既保证了公平性又实现了高效性。然　

而，上述公平和高效基于如下假设：所有用户都属于同类，　

所有行为都以相同的方式实施。因此，它是不现实的。尽管　存在缺点，但是这个模型还是被认为是人们理解加增乘减控　制机制的基石，进而可以在该机制的基础上开发出许多现实　

可行的ＴＣＰ模型　。　

２．２按比公平时序调度　机会主义倾向的时序调度利用信道的易变动性，通过在　

每个时间片都选择尽量多且合适的用户来改进系统总容　量　ｊ。按比公平机制也是一种机会主义调度，它需要考虑用　

户间的长期公平。文献【１Ｏ】提出按比公平值的大小应在最大　

作者简介：游晓黔（Ｉ９６２－－），男，副教授、硕士，主研方向：集群通　信，信息安全；喻后强，硕士　

收稿日期：２０１０　０９—２０　Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｏｕｘｑ＠ｃｑｕｐｔ．ｅｄｕ．

ｃｎ　笫３７卷笫７期　游晓黔，喻后强：一种新的ＴＥＴＲＡ集群队列管理方法　１Ｏ７　

公平值和最小公平值之间。速率向量　＝（　，Ｓ∈　），其中，ｓ　

为用户集；Ｘ为用户　的速率。按比公平机制中每个合适的　

速率向量为：　

Ｘ　＝（　，　∈　），　∑　—　≤ｏ　（１）　Ｘｓ　可以看出，按比公平速率向量最大化了数据网络中设备　的利用率。　文献ｆ１　１］在Ｑｕａｌｃｏｍｍ的ＨＤＲ系统中运用了按比公平调　度机制，每个时间片中基站选择用户：　

一ｇ　ｔ　Ｊ雁　ｌ，ｌ　ｌ　ｆ　（２）　

其中，　（ｆ）为用户Ｓ在时问点ｆ时的信道速率；　（　）为到时　

间点ｔ为止时用户ｓ的平均数据率。假如用户ｓ到这点为止仍　然在一个较低的平均数据速率的话，用户　将有较高的机会　在下个时间片按式（２）传输。与不考虑信道信息的其他传统调　

度机制相比，按比公平调度可以明显地改进性能。然而，调　

度时间问隔的是随机的、无法准确预测的，需要在上层应用　

时采用各种各样的延迟和大的抖动。　

２．３　２种机制的优缺点分析　本节对ＴＣＰ和按比公平时序调度机制间的优劣进行分　

析。假定所有时问（仁１，２，…）最大传输速率向量ｒ（ｆ）ｅ　Ｒ，而　

且随机处理过程Ｒ是固定的。指定ｘｉ（０为时间点ｔ时用户ｉ　

的数据率。用户ｉ使用加增乘减控制机制来调整它的数据率：　

＝　：，　，　，ｚ，…　㈤　

其中，ｌｖ（，）∈｛０，１｝为网络指示是否拥塞的反馈。本文假设当　

缓存发生溢出以后，在基站和移动用户之间将会拥塞，例如：　

∑ｑ，（ｆ）＞ｑ　

其中，ｑｉ（ｆ）为ｔ时刻队列的大小；　

值。反馈ｙ（ｔ）由下式：　ｆ０　；　ｑ为基站缓存的最大允许　

（４）　

得到。因此，由式（３）和式（４）可知，当网络无拥塞时，参数ａ　

的值会影响用户增加速率，同时为了避免拥塞发生，参数应　该把速率降到ｂｘｘｉ（ｔ）以下。　

用户ｉ∈，队列大小的规律如下：　

ｑｉ（ｆ＋１）＝【ｑ　＠Ｊ十Ｘｉ　）一ｌ　Ｌｆ）×　ｔｆ）ｊ　

其中，谚（ｆ）　【０，１］为时间片１内，基站发给用户来资源指定的　

系数部分。很明显，　（０，ｉ∈，满足下面的限制：　

∑　（ｒ）≤１　

在按比公平调度中，资源指定的系数分配到每个用户时　需要满足下面的不等式…　（由于时间公平性的属性值）：　

Ｏｉ（ｔ）＞￣ｍｉｎ｛　，　｝　㈤　

这表明，排队等候的包数据的数量只要大于公平性共享　

（ｆ）／，ｚ，调度机制要保证指定一个资源公平性系数１／Ｎ给用　

户ｉ。假如用户ｉ没有足够多的积压未办之事，服务时间会被　

分配给其他有更多积压未办之事的用户使用。　下面给出３种情况的案例分析：　

ｆ１）ｑ＝ｏ。：无缓存溢出，ＴＣＰ流连续的增长数据速率。　

结果，基站调度程序决定了基站构造包流的队列大小和用户　的吞吐量。当按比公平调度被采用后，由于时间公平性属性　值的特点最终每个ｉ∈，的谚（，）都等于１／Ｎ。因此，用户ｉ的　

平均吞吐量趋向于Ｅ［ｒｉ（ｔ）］／Ｎ。　

（２）ｑ＝０：无论何时用户的数据率ｚ（ｆ）＝∑　（　（ｆ）／‘（，））＞１。　

基站中无数据包可以被缓存，所有网络会发出拥塞信号。拥　

塞反馈ｙ（ｔ）［ｔＨ下：　

（ｆ）　１　假如∑　五　＞１　（ｆ）　

０假如∑　≤１　（ｔ）　假如ｚ（ｆ）≤１，每个用户ｉ会收到　（ｆ）＝Ｘｉ（ｆ）／‘（ｆ）。　

设Ｔ＝｛　，ｎ≥０），Ｔ是一个非负整数序列。其中，Ｔｏ＝０；　

因为ｎ≥１，　＝ｉｎｆ｛ｔ≥　一，＋１　ｆ　ｙ（ｒ）＝１１。例如丁为ｎ一　拥塞信　

号产生的时间点。当ｎ≥１，定义公式：　

Ｘ　＝　（　＋１）　（６）　另外下面的递归等式：　

Ｘｉ　＝ｂｘ（ｘｉ　＋　“ｘａ）　（７）　适合于所有的ｉ∈，和ｎ＝ｌ，２，…。其中，　＋．＝丁＝　一　一１是，ｚ一　

到（ｎ＋１）一ｔｈ拥塞之问未拥塞的时间片的数量。　

Ｉｘｉ　一　，　Ｉ＝ｂｘＩ　ｘｉ　一ｘ　Ｉ　（８）　

明显地，对所有ｉ，ｊ∈，，　不等于　，　

ｌｉｒａＩ蕾”一ｘｊ　ｌ＝ｌｉｍｂ　一　ＩＸｉ　一　，　ｌ－０　（９）　ｎ－－＋　，Ｉ—　式（９）也意味着ｌｉｍ１Ｘｉ（ｆ）一Ｘ，（ｆ）１．ｏ。而且用户的平均吞吐　

量趋向于一个常量Ｘ。对用户ｉ来说，平均资源分配系数超　

过一个长周期后大体上和￡【‘（，）］按比例相反的。　

（３）０　ｑ＜ｃｏ：从实际角度来说这是最有意义的一种情况。　

从上述的前２种情况来看，缓存尺寸太大了，由于期望得到　按比公平调度的时问公平性属性值的特殊性，从而得到的用　

户吞吐量是按比例接近ＥｌＩ（ｆ）ｌ。　

３基于平均信道质量的队列管理机制　

本文提出一种基于动态起点机制的队列管理计数器，其　

中，每个用户的起点可以冲平均信道状态按比例得到。因为　

信道随着时间而变动，本文使用指数滤波算法来获得信道状　

态的平均值：　

（ｆ＋１）＝（１一　）ב…　）＋　×ｒ（ｆ）　（１ｏ）　

其中，，　（ｚ）指定了ｔ时刻较低层　通过最大传输率测量Ｊ报告　ｊ　

信道质量值，此时　∈（０，１］。系统性能的优化由滤波参数　的　

值和２个连续队列开始点之间的时间间隔这２个参数决定。　

在本文的仿真中，／Ｊ＝ｏ．００５，时间间隔为２００个时间片（即对　应１　Ｓ）。　每个流都有一个独立的逻辑队列，队列大小由流的队列　

起始点值来决定。起点是按平均信道状态的比例来设置，以　便具有良好信道质量的用户将有较高的起点值，信道质量差　

的用户有较低的起点值。当缓存大小为Ｂ时，ｔ时刻用户ｉ　

的起点　（ｆ）值为：　

ｒ　ｒｒ、　＠）＝ｍａｘ（　，　Ｂ）　（１　１）　￡　ｋ　＼‘，　其中，　为最小起点值。这种机制符合一般的常识，为了　

让ＴＣＰ有效，流的缓存大小至少应该是它的延迟带宽的产物。　因为延迟带宽的产物是较大的，所以给用户提供较大缓存空　

问、较好的信道条件是凭直觉获知的，而且可以通过减少队