基于QoS保證的無線Ad hoc網絡高度技術研究.pdf

1、近年來，無線Adhoc網絡憑借其便捷性、及時性和移動性等特點得到了廣泛關注與應用。而這些特點也為Adhoc網絡協(xié)議與算法的設計帶來了難度。為了保證服務質量(QualityofService，QoS)，需要在開放式系統(tǒng)互聯(OpenSystemInterconnection，OSI)模型中為每一層設計適合Adhoc網絡的算法和層間協(xié)議。傳統(tǒng)的無線網絡媒體接入控制機制IEEE802.11MAC協(xié)議無法提供實時業(yè)務的QoS保證，因此需要在80

2、2.11協(xié)議框架下設計基于QoS保證的分組業(yè)務調度策略以提高Adhoc網絡系統(tǒng)整體性能。調度策略設計作為Ad hoc網絡及下一代無線網絡通信發(fā)展的一項關鍵技術，有效地減少了鏈路干擾和沖突，控制了隊列擁塞，增大了網絡容量，以全局的方式實現網絡資源的優(yōu)化配置。因此，在無線網絡中，基于優(yōu)化的思想，在保證特定QoS性能指標的前提下分時隙的完成分組調度，對有效改善無線Ad hoc網絡性能具有重要意義。本論文以排隊論和資源分配理論為基礎，提出一套基

3、于吞吐量和端到端平均時延保證的調度性能評估方法，并從理論分析和實際應用兩方面對調度策略原理進行深入研究，考慮各種網絡環(huán)境，針對不同實現方式提出基于不同QoS保證的調度算法。此外，在多跳多路徑業(yè)務流情況下，提出了基于吞吐量保證的跨層聯合方案，為下一代無線通信網絡協(xié)議設計提供了一定的理論依據和技術基礎。本論文的主要工作和技術創(chuàng)新如下:
　　第一，針對單跳信息傳輸網絡，根據分組調度不同的實現方式，分別就集中式與分布式調度策略進行數學建模

4、。而后，針對多跳多路徑網絡環(huán)境，建立了基于吞吐量保證的跨網絡層路由選擇和鏈路層調度的跨層聯合方案模型。該模型將網絡層與鏈路層聯系起來，通過層與層之間的相互合作提高系統(tǒng)整體性能。建立調度模型之后，以排隊論、馬爾科夫理論為基礎，基于李雅普諾夫分析法提出了一套調度策略性能評估理論框架，通過對整個網絡系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析考察調度算法或跨層聯合方案的吞吐量和端到端平均時延這兩項重要的QoS性能指標。此框架是分組調度研究的方法論，用于分析在不同網絡環(huán)境

5、和流量模型下網絡系統(tǒng)的穩(wěn)定性、調度算法的吞吐量和平均時延性能，具有重要的理論指導意義。
　　第二，根據集中式調度模型和調度算法性能評估理論框架，在無線單跳Adhoc網絡環(huán)境中，提出了基于時延改進的最大權重調度算法(Delay-enhancedMaxmumWeightScheduler,DMWS)。該算法基于系統(tǒng)負載因子ρ優(yōu)化了調度權重。通過使用李雅普諾夫分析法，證明了DMWS可以保證較之經典的最大權重調度(MaximumWeigh

6、tScheduler,MWS)更緊的端到端平均時延。同時DMWS被證明可實現最大吞吐量容量區(qū)域，即吞吐量最優(yōu)。
　　第三，考慮單接口多信道網絡場景和單跳流量模型，提出了基于隨機接入和退避時間技術的低復雜度分布式信道分配與調度聯合控制策略(Low-complexityDistributedChannel-assignmentandSchedulingAlgorithm,LDCSA)。在LDCSA中，采用速率比分配方式進行數據流量分配

7、，將數據包合理的分配至各信道隊列。在信道分配與調度階段，采用一種基于概率的競爭接入策略，該策略需要鏈路之間的信息交互，這種信息交互可由RTS/CTS機制實現。使用李雅普諾夫分析法可以證明LDCSA可以保證穩(wěn)定的吞吐量容量區(qū)域。同時，LDCSA的實現復雜度不隨網絡規(guī)模大小和可用信道個數的改變而改變，適合大規(guī)模網絡系統(tǒng)應用。
　　最后，在無線多信道Adhoc網絡中考慮多跳多路徑流量環(huán)境，即每個數據源節(jié)點到目的節(jié)點有多個備選多跳路徑供數

8、據傳輸。在這種環(huán)境下，需要將網絡層路由選擇與鏈路層調度策略結合起來，設計基于QoS保障的跨層聯合方案，以保證系統(tǒng)整體性能。根據本文提出的跨層聯合方案理論框架，分別針對多接口多信道網絡和單接口多信道網絡設計了基于吞吐量保證的跨層聯合方案:改進版多路徑(Multi-Path，MP)方案、分布式路由與信道分配與調度(DistributedRouting，Channel-assignmentandScheduling，DRCS)方案和多路徑LD

9、CSA方案(Miki-pathLDCSA，M-LDCSA)。其中改進版MP方案是對現有多接口多信道網絡跨層MP方案的一般性改進，取消了原始MP方案中不合理的假設條件。而針對單接口多信道網絡，DRCS和M-LDCSA分別是對現有的基于單跳網絡的速率比最大多信道調度算法(Rate-ProportionalMaximalMulti-ChannelScheduler,RPMMC)和LDCSA調度的多跳多路徑擴展。本文提出的跨層聯合方案綜合考慮了