WiMAX網(wǎng)絡跨層調度算法研究.pdf

1、隨著無線通信、互聯(lián)網(wǎng)和多媒體技術的快速發(fā)展，特別是以WiMAX/LTE為代表的新一代移動通信網(wǎng)絡正朝著豐富、快速、靈活、高效等方向發(fā)展，呈現(xiàn)出用戶業(yè)務多樣化、無線技術寬帶化、寬帶技術無線化和IP技術綜合化等特點。為支持具有不同服務質量需求的業(yè)務，這就要求無線通信網(wǎng)絡的無線調度必須與業(yè)務需求相結合，在各業(yè)務之間合理動態(tài)有效地分配無線資源。同時，由于無線信道的時變性，無線通信網(wǎng)絡的調度算法需要在時、頻、碼等多維進行調度控制，并且需要更強的自

2、適應能力，以最優(yōu)的方式動態(tài)分配無線資源，從而增加系統(tǒng)的最大吞吐量和提高無線資源利用率。 傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡協(xié)議需要彼此透明，以保持各層協(xié)議設計上的的獨立性，同時減小網(wǎng)絡協(xié)議開發(fā)和實現(xiàn)的難度。然而，在無線網(wǎng)絡中，特別是移動無線網(wǎng)絡中，由于無線環(huán)境的不確定因素，導致無線信道容量和誤比特率等的時變特性，傳統(tǒng)分層設計方法無法保證網(wǎng)絡的最佳資源利用率和用戶業(yè)務的服務質量需求。為了提高無線網(wǎng)絡的性能，物理層、媒體訪問控制層、路由協(xié)議和傳輸協(xié)議，

3、甚至應用層必須與其它各層進行有效的信息交互，以適應其它層特性的變化，于是產(chǎn)生了無線網(wǎng)絡跨層設計的思想。跨層設計思想已經(jīng)提出多年，過去主要用于系統(tǒng)設計和軟件設計，應用到通信網(wǎng)絡協(xié)議設計，特別是無線通信網(wǎng)絡協(xié)議設計還只是最近幾年的工作?？鐚釉O計思想主要應用于自適應系統(tǒng)，目前在蜂窩通信、WiFi、藍牙、無線城域網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)絡、無線多跳網(wǎng)絡、自組織網(wǎng)絡等方面取得了一些初步的成果，很多理論與工程上的問題需要解決。本論文以無線城域網(wǎng)WiMAX通信

4、協(xié)議為背景，研究了WiMAX網(wǎng)絡跨層服務質量保證以及WiMAX系統(tǒng)的調度優(yōu)化等問題。 本論文在WiMAX無線通信網(wǎng)絡架構和通信業(yè)務類型的基礎上，分析了無線通信網(wǎng)絡中無線調度領域新的研究方向和研究現(xiàn)狀，包括：基于OFDM/OFDMA的時域、頻域等維度的聯(lián)合資源調度技術、具有服務質量保障的動態(tài)自適應無線信道資源分配技術、分組調度控制技術等。在對無線調度算法領域的經(jīng)典理論和算法的總結和分析基礎之上，針對WiMAX無線環(huán)境下的多用戶OF

5、DM/OFDMA系統(tǒng)的無線調度算法，特別是基于跨層的無線調度算法進行了深入的研究。 早期的無線調度算法都是基于有線環(huán)境下的調度算法修改而來的，但是這種算法不能適應當今的無線通信系統(tǒng)，特別是4G這樣高帶寬、高速率、服務質量保證的無線網(wǎng)絡。由于無線調度算法研究的主要問題是將稀缺的無線資源在給定的時間內(nèi)分配給不同的用戶，無線調度算法的結果是優(yōu)化一個或多個目標，如吞吐率、低功耗、公平性等。針對這種情況國內(nèi)外的研究提出了各種各樣的解決無線

6、通信中跨層調度的辦法。這些方法普遍都在對無線調度的數(shù)學模型本身進行簡化的前提下，使用如凸優(yōu)化，動態(tài)規(guī)劃法、單純形法、線性規(guī)劃、拉格朗日松弛法等數(shù)學規(guī)劃的方法進行求解。這等于對無線調度問題本身進行了簡化，如凸優(yōu)化方法將問題簡化為凸優(yōu)化的領域，而不考慮調度問題本身有可能是凹優(yōu)化的問題。另外一般傳統(tǒng)的數(shù)學規(guī)劃方法，只能求得一個精確解。因為調度是多目標的，而多目標的解，即Pareto解其問題本身就是一個解集，幾乎不存在唯一解的可能性。而且數(shù)學規(guī)

7、劃的方法對于變量的條件，調度函數(shù)的可導、可微等有一定的要求，這就限制了該類方法的應用范圍。本論文提出了使用進化算法求解無線調度問題的方法。由于無線調度問題本身的復雜性，涉及到無線通信、計算機網(wǎng)絡、計算機科學等多學科交叉，目前應用進化算法求解無線調度問題的研究成果和發(fā)表的論文還是空白，所以進行該領域的研究是一件非常有意義的工作。本論文首次提出了基于微分進化算法以及多目標優(yōu)化算法的無線調度算法，通過仿真驗證了這些算法在WiMAX網(wǎng)絡中應用的

8、有效性和可行性。 本論文的主要創(chuàng)新點如下： 1．建立了WiMAX網(wǎng)絡OFDMA模式的公平調度數(shù)學模型，本論文提出了適于進化算法應用的簡化的多載波公平調度模型以便于進化算法的使用。 2．提出了WiMAX網(wǎng)絡OFDMA模式的跨層設計架構，針對WiMAX網(wǎng)絡復雜的特點，本論文提出了適于WiMAX網(wǎng)絡OFDMA模式的跨層調度算法架構。 3．提出了基于微分進化的WiMAX網(wǎng)絡OFDMA模式的跨層調度算法，微分進化算

9、法是進化算法產(chǎn)生以來在算法理論方面取得的最重大的進展。由于微分進化算法同樣應用了“優(yōu)勝劣汰，適者生存”的自然進化法則，所以該算法也應當屬于進化算法的一種。微分進化算法能更快速、更穩(wěn)定的收斂到問題的全局最優(yōu)解?？紤]到無線信道的時變性，無線調度算法需要快速的跟蹤信道的變化，所以本論文提出了基于微分進化的跨層調度算法。 4．提出了基于粒子群優(yōu)化的WiMAX網(wǎng)絡OFDMA模式的跨層調度算法，粒子群優(yōu)化算法，該算法源于對鳥群覓食行為的研究

10、。研究者發(fā)現(xiàn)鳥群在飛行過程中經(jīng)常會突然改變方向、散開、聚集，其行為不可預測，但其整體總保持一致性，個體與個體間也保持著最適宜的距離。通過對類似生物群體的行為的研究，發(fā)現(xiàn)生物群體中存在著一種社會信息共享機制，它為群體的進化提供了一種優(yōu)勢，這也是粒子群算法形成的基礎。由于沒有免費午餐定理的存在，而且粒子群算法容易理解、易于實現(xiàn)，所以本論文提出了基于粒子群優(yōu)化的無線跨層調度算法。 5．建立了WiMAX網(wǎng)絡OFDMA模式的多目標調度數(shù)學

11、模型，鑒于無線調度問題本身的復雜性，即多目標優(yōu)化，目前該領域還沒有建立有效的多目標調度模型，所以本論文建立了一個多目標調度模型，為深入研究跨層調度算法提供了調度的數(shù)學模型。 6．提出了基于多目標進化的WiMAX網(wǎng)絡OFDMA模式的跨層調度算法，依據(jù)本論文建立的數(shù)學模型，以及求解多目標優(yōu)化問題的復雜性，本論文提出了基于多目標微分進化的無線跨層調度算法。 7．提出了基于系統(tǒng)級芯片的WiMAX網(wǎng)絡跨層體系架構，隨著無線通信技術