無線寬帶網(wǎng)絡(luò)動態(tài)調(diào)度與跨層優(yōu)化研究.pdf

1、近年來，無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展異常迅速，能夠?qū)?shù)據(jù)、語音、信息傳輸、視頻點(diǎn)播等多種業(yè)務(wù)相結(jié)合，并且為之提供不同QoS(Quality of Service)需求的無線寬帶網(wǎng)絡(luò)是未來通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。其中，調(diào)度算法是無線寬帶網(wǎng)絡(luò)QoS保證的關(guān)鍵，對實時業(yè)務(wù)的QoS保障起著舉足輕重的作用。但是，由于對調(diào)度算法的研究由來已久，成果也較為豐富，因此在網(wǎng)絡(luò)中單獨(dú)依靠改進(jìn)調(diào)度算法的性能來進(jìn)一步提高資源的有效利用率是十分有限的?？鐚?cross Layer

2、)聯(lián)合優(yōu)化作為未來通信發(fā)展的一項關(guān)鍵技術(shù)，打破了傳統(tǒng)開放系統(tǒng)互聯(lián)(QSI)模型中嚴(yán)格的層間界限，讓網(wǎng)絡(luò)各層可以共享與其它層相關(guān)的信息，這種做法將分散在網(wǎng)絡(luò)各個子層的特性參數(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)融合，使得協(xié)議棧能夠以全局的方式適應(yīng)特定應(yīng)用所需的OoS和網(wǎng)絡(luò)狀況的變化。 因此聯(lián)合跨層優(yōu)化的調(diào)度算法能為無線寬帶網(wǎng)絡(luò)資源的有效管理提供更廣闊的空間，對有效改善無線寬帶網(wǎng)絡(luò)的QoS性能研究具有重要的意義。 關(guān)于調(diào)度算法的理論解析向來比較復(fù)雜，即

3、使較為簡單的調(diào)度算法也是如此。 但是精確的理論分析是研究算法性能的有效手段，同時也是算法性能改進(jìn)和執(zhí)行過程的依據(jù)。對于時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)系統(tǒng)，目前的多數(shù)研究很容易忽視一個問題，即在TDMA系統(tǒng)中，時延的統(tǒng)計是以時隙為單位的。 這種特殊性使在同一時隙中到達(dá)的不同數(shù)據(jù)包，盡管接入時刻不一樣，但對系統(tǒng)而言，時延統(tǒng)計的起始點(diǎn)卻都是一樣的。因此，直接以時間(如秒、毫秒等

4、)為單位進(jìn)行統(tǒng)計建模的方法是不妥當(dāng)?shù)摹?本文將從理論分析和實際應(yīng)用兩方面對調(diào)度算法及其跨層優(yōu)化策略進(jìn)行深入研究。研究主要分為對稱網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(各站點(diǎn)業(yè)務(wù)到達(dá)類型、服務(wù)速率等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)一致)下的調(diào)度算法及其跨層研究和非對稱網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(各站點(diǎn)業(yè)務(wù)到達(dá)類型、服務(wù)速率等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)不一致)下的動態(tài)調(diào)度算法和及其跨層研究兩大部分。 第一部分首先基于對已有輪詢調(diào)度算法的分析比較，提出了一種新的調(diào)度算法——M-gated算法。通過使用多維

5、概率母函數(shù)的方法對系統(tǒng)進(jìn)行建模，分別得到了有關(guān)平均隊長、平均時延以及平均輪詢周期的理論解析式，并通過仿真驗證了理論分析的有效性。與其他算法相比，M-gated算法不僅較為逼近對稱環(huán)境下最優(yōu)調(diào)度算法——完全服務(wù)調(diào)度算法的隊長和時延性能，而且避免了后者公平性差的問題，同時還具有穩(wěn)定范圍廣、靈活性強(qiáng)、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。其次，通過上述性能分析，提出了一種動態(tài)調(diào)度算法與接納控制跨層聯(lián)合優(yōu)化的設(shè)計方案，并將其運(yùn)用于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)中。與其他方

6、案相比，網(wǎng)絡(luò)更穩(wěn)定，參數(shù)傳遞開銷也更小，而且可以盡可能地將時延維持在所需的OoS范圍內(nèi)。另外，該設(shè)計方案也無需對原有協(xié)議框架做較大改動，因此尤其適用于重負(fù)載和突發(fā)業(yè)務(wù)。 但在實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，業(yè)務(wù)類型的多樣化(比如對時延、誤比特率、數(shù)據(jù)速率的要求不同)也是不容忽視的。因此在第二部分，本文將上述結(jié)論進(jìn)行擴(kuò)展，研究非對稱M-gated調(diào)度算法的相關(guān)特性。 第二部分首先對非對稱M-gated算法進(jìn)行理論解析，這也是該部分最大的難

7、點(diǎn)。 由于非對稱網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，用以表示用戶到達(dá)率、系統(tǒng)服務(wù)率、服務(wù)轉(zhuǎn)換時間等參數(shù)變量成N倍增長(N表示接入用戶數(shù)目)，造成非對稱環(huán)境下直接計算M-gated調(diào)度算法的理論解析頗為復(fù)雜，而其中尤為困難的是關(guān)于隊長的二階特性解析。因此我們對非對稱M-gated算法的理論解析分兩步：先對非對稱1-gated和非對稱2-gated調(diào)度算法進(jìn)行解析，得到能夠幫助解析非對稱M-gated算法的中間變量，尤其是隊長二階特性解析式；再將這些中間變

8、量帶入非對稱M-gated算法中，最終得到完整的多維概率母函數(shù)以及隊長、時延、循環(huán)周期的理論表達(dá)式。 其次，通過大量仿真對非對稱M-gated的性能進(jìn)行分析，不僅驗證了理論解析的正確性，同時也得到諸多非對稱M-gated算法相比較對稱M-gated算法所不同的一些特性，而這些特性正是由于非對稱環(huán)境引起的。 最后，根據(jù)這些特性，考慮了無線信道的特點(diǎn)，并結(jié)合鏈路自適應(yīng)技術(shù)，針對IEEE802.16這一典型的非對稱網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提出

9、了一種跨層設(shè)計方案。該方案增加了接納控制策略、調(diào)度策略、以及參數(shù)控制中心等模塊，用以保證在滿足IEEE 802.16網(wǎng)絡(luò)中rtPS、nrtPS以及BE不同種業(yè)務(wù)QoS需求的前提下最大化地利用網(wǎng)絡(luò)資源。仿真結(jié)果表明文中所提跨層設(shè)計方案可以明顯改善各類業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，并在帶寬利用率、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)傳遞開銷以及盈余帶寬之間進(jìn)行較好地折中。 綜上所述，本文以動態(tài)調(diào)度算法為主要研究出發(fā)點(diǎn)，充分考慮TDMA系統(tǒng)的特點(diǎn)，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，通過理論分析