基于智能控制理論的無線網(wǎng)絡(luò)QoS支持機(jī)制的研究.pdf

1、隨著移動通信技術(shù)和Internet 的迅猛發(fā)展，為移動用戶提供隨時、隨地、任何形式的信息服務(wù)已成為技術(shù)研究的一大熱點(diǎn)。未來的移動通信網(wǎng)絡(luò)將采用全I(xiàn)P分組網(wǎng)絡(luò)作為核心網(wǎng)，使用不同的無線接入和有線接入方式實現(xiàn)互聯(lián)與融合，共同支持語音、數(shù)據(jù)、圖象、E—mail、移動多媒體以及移動互聯(lián)接入等多種業(yè)務(wù)。 為了實現(xiàn)對多種業(yè)務(wù)的支持，要求新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)能夠采取一系列的質(zhì)量控制措施，保證各項業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量QoS（Quality of Ser

2、vice），并在共享同一資源的業(yè)務(wù)之間合理分配可用資源，實現(xiàn)資源利用最大化。由于不同類型的業(yè)務(wù)，具有完全不同的服務(wù)質(zhì)量QoS 需求，如不同的誤碼率、傳輸速率、時延限制以及無線資源需求。怎樣在未來的移動通信網(wǎng)絡(luò)上同時支持多種業(yè)務(wù)類型，保證每項服務(wù)都達(dá)到性能要求，成了QoS 控制所必須解決的問題，它涉及網(wǎng)絡(luò)的各個子層。 相對于有線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)主要面臨兩大問題：(1)由于頻率資源受限，可用帶寬波動，在滿足各項業(yè)務(wù)QoS 的前提下，必

3、須最大程度地提高無線資源利用率，同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；(2)由于無線信號衰落、多徑效應(yīng)、切換等多種因素的影響，會造成高誤碼，嚴(yán)重地影響了傳輸?shù)目煽啃?，降低了傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)性能。 因此，大量有關(guān)無線網(wǎng)絡(luò)QoS 支持技術(shù)的研究，在接入網(wǎng)絡(luò)部分主要側(cè)重于有效的無線資源控制機(jī)制，在核心網(wǎng)絡(luò)部分則注重于提供可靠的傳輸保障機(jī)制。 在第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)中，其無線鏈路都采用的是CDMA 制式，快速精確的功率控制技術(shù)和接納控制技術(shù)，是提高

4、頻譜資源利用率，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，也是一種非常有效的解決QoS 支持問題的方法。另一方面，由于未來的移動通信網(wǎng)絡(luò)是全I(xiàn)P 網(wǎng)絡(luò)，IP 網(wǎng)絡(luò)是面向無連接網(wǎng)絡(luò)，其傳輸可靠性無法得到保證。而目前的Internet 網(wǎng)絡(luò)是以TCP/IP 協(xié)議為基礎(chǔ)，TCP 在無線網(wǎng)絡(luò)中的性能對于未來的移動用戶至關(guān)重要，而它的性能越來越依靠于TCP/IP 的擁塞控制機(jī)制。擁塞是影響數(shù)據(jù)傳輸，造成延時、抖動等業(yè)務(wù)質(zhì)量指標(biāo)下降以及帶寬、緩存等網(wǎng)絡(luò)資源利用率降低

5、的關(guān)鍵因素。因此，解決無線網(wǎng)絡(luò)的資源控制、擁塞控制等一系列復(fù)雜問題，滿足不同業(yè)務(wù)類型的QoS 需求，不僅是個核心問題，也是一個非常困難的問題，引起了人們廣泛的關(guān)注。 近些年快速發(fā)展起來的智能控制理論和技術(shù)，主要用來解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜控制問題。智能控制技術(shù)主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、專家控制、遺傳算法等幾個較為成熟的方法體系。人們開始從不同的方面將智能控制理論應(yīng)用于對網(wǎng)絡(luò)的控制中。本文以智能控制理論為基礎(chǔ)，針對無線網(wǎng)

6、絡(luò)中的帶寬資源受限、傳輸信道時變、誤碼率高的特點(diǎn)，從網(wǎng)絡(luò)的不同層面，研究無線網(wǎng)絡(luò)的QoS 支持問題：(1)首先，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在物理層提出了一種支持QoS 的混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反向鏈路功率控制算法，它以不同業(yè)務(wù)需求的目標(biāo)誤幀率為指標(biāo)，實時檢測鏈路的誤碼狀況，采用不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，分別控制SIR 目標(biāo)值和移動臺的發(fā)射功率。通過快速精確的控制，對不同的鏈路狀況作出靈敏反應(yīng)。與常規(guī)固定步長算法相比，該算法提高了控制精度和控制速度，具有較高的控

7、制穩(wěn)定性，能夠提供更好的服務(wù)質(zhì)量和更大的系統(tǒng)容量。(2)針對WCDMA 網(wǎng)絡(luò)的無線資源控制以及保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題，提出了基于模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能接納控制算法（ICAC）。它由模糊干擾估計器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)干擾預(yù)測器、呼叫準(zhǔn)入判決器三個功能模塊構(gòu)成，能根據(jù)不同業(yè)務(wù)類型的QoS 需求，利用模糊邏輯的推理判斷功能，估算新加入用戶將帶來的干擾；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備的自學(xué)習(xí)能力，預(yù)測下一時刻系統(tǒng)的總干擾值，然后作出接入允許判決。與基于信號干擾比測量的

8、呼叫接納控制（CAC）相比，ICAC 具有更高的自適應(yīng)性和性能指標(biāo)。(3)提出了基于帶寬估計的端到端TCP 擁塞控制改進(jìn)算法，通過確認(rèn)報文攜帶的信息來估計目前帶寬，并使用相應(yīng)的估計參數(shù)更新?lián)砣翱?，完成擁塞控制。實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的TCP-Newreno、TCP-Sack 等協(xié)議比較，該算法在鏈路差錯率較高時具有較好的性能改進(jìn)。(4) 傳統(tǒng)的TCP 擁塞控制算法應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)時將造成吞吐量的下降，本文研究將專家控制技術(shù)用于無線網(wǎng)絡(luò)的擁

9、塞控制，它作為一種端到端的擁塞控制策略，利用網(wǎng)絡(luò)專家的知識進(jìn)行推理、判斷，確認(rèn)當(dāng)前的TCP 連接狀況以及無線鏈路丟包的原因，以此區(qū)別于網(wǎng)絡(luò)擁塞丟包，避免了發(fā)送端頻繁誤啟動擁塞控制機(jī)制。然后針對不同原因的丟包，選取不同的擁塞控制策略。實驗表明，該方法控制的擁塞窗口平穩(wěn)，具有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流輸出，可以獲得較高的吞吐率，算法本身具有較強(qiáng)的魯棒性。由于避免了大量的分組重傳，分組傳輸時延也相應(yīng)降低。(5)由于移動網(wǎng)絡(luò)中的隨機(jī)誤碼、切換丟包以及帶寬不匹

10、配，將誤導(dǎo)TCP 擁塞控制機(jī)制降低發(fā)送速率，嚴(yán)重影響TCP 協(xié)議的性能。本文首次提出了基于中繼窗口概念的移動網(wǎng)絡(luò)TCP 性能優(yōu)化控制策略，通過在無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的交界處設(shè)立中繼窗口，在傳輸層建立三個窗口的TCP 滑動窗口連接控制機(jī)制，維持了TCP 端到端語義。利用中繼窗口的隔離作用，有效地區(qū)分網(wǎng)絡(luò)擁塞和無線鏈路差錯；依據(jù)無線資源和TCP 連接的反饋信息，利用中繼窗口共同控制傳輸速率，均衡不同鏈路間的帶寬差異，避免在交界處出現(xiàn)分組溢出；