無線城域網(wǎng)格網(wǎng)(WiMAXMesh)QoS聯(lián)合優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、作為一種新興的無線通信技術(shù),無線網(wǎng)格網(wǎng)(Mesh)已經(jīng)被越來越多的人認(rèn)可為下一代網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。近些年來,由于其高速率和廣覆蓋等傳輸性能,無線城域網(wǎng)格網(wǎng)(WiMAX Mesh)在商界和學(xué)術(shù)界備受關(guān)注。與傳統(tǒng)的無線Ad-hoc不同,WiMAX無線Mesh路由器通常安放在固定位置而且由可靠電力線電源供電,并不受能量約束限制；同時,其網(wǎng)內(nèi)的業(yè)務(wù)主要是來往于因特網(wǎng)的業(yè)務(wù)。因此,無線Ad-hoc網(wǎng)中兩個主要的問題,即能量約束和節(jié)點(diǎn)移動性,

2、對WiMAX無線Mesh網(wǎng)已經(jīng)不再重要。相反,提供服務(wù)質(zhì)量保障(QOS)成為提高WiMAX無線Mesh網(wǎng)性能的關(guān)鍵。
　　 本文針對WiMAX無線Mesh網(wǎng)中提供QoS保障的聯(lián)合優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)展開研究,其目的是結(jié)合WiMAx無線Mesh網(wǎng)MAC層不同調(diào)度機(jī)制的特點(diǎn),提出集中模式下的最大效用優(yōu)化和分布模式下的融合化MAC層方法,系統(tǒng)地研究聯(lián)合MAC層調(diào)度的優(yōu)化解決方案來實(shí)現(xiàn)QoS保障。具體地說,在集中模式下,通常有一個節(jié)點(diǎn)(一般為網(wǎng)

3、關(guān)節(jié)點(diǎn))來負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理整體網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度,這樣的方式在某種程度上提供了一個全局優(yōu)化的可能,因此集中調(diào)度模式下以受MAC層鏈路調(diào)度約束的最大效用函數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化為主；而在分布式模式下,由于標(biāo)準(zhǔn)定義了一個偽隨機(jī)競選算法來解決無線鏈路的競爭問題,優(yōu)化方法轉(zhuǎn)而為合理高效地使用MAC調(diào)度機(jī)制來成功實(shí)現(xiàn)QoS保障?；谶@兩種方法,本文的主要研究內(nèi)容有:
　　 1,提出了一個集中調(diào)度模式下QoS多路徑路由分配的聯(lián)合優(yōu)化算法。算法把無線Mesh網(wǎng)中

4、的多路徑路由分配問題歸結(jié)為一個網(wǎng)絡(luò)效用最大化問題。利用網(wǎng)絡(luò)效用最大化的優(yōu)化方法,同時結(jié)合無線Mesh下的鏈路競爭矩陣模型,建立了基于多業(yè)務(wù)流類的多路徑路由分配聯(lián)合優(yōu)化問題模型。針對該問題的求解,本文先引入最近優(yōu)化算法解決了原問題目標(biāo)函數(shù)的非嚴(yán)格凹函數(shù)性,然后又用原始對偶解法對優(yōu)化問題進(jìn)行了求解。本文證明了聯(lián)合優(yōu)化問題的收斂性。仿真實(shí)驗(yàn)表明,問題的優(yōu)化解能夠探測和感知到具有最大干擾的鏈路,準(zhǔn)確地降低該鏈路的使用率,從而使網(wǎng)絡(luò)的整體優(yōu)化目標(biāo)

5、得以實(shí)現(xiàn)；同時,與其它算法相比,該優(yōu)化算法能獲得更好的網(wǎng)絡(luò)總體收益?；谛в煤瘮?shù)凸優(yōu)化框架的算法為解決QoS多路由分配問題提供了一個新的思路。
　　 2,提出了一個集中調(diào)度模式下聯(lián)合MAC層調(diào)度的速率控制優(yōu)化算法。該算法的目的足在無線干擾環(huán)境下,通過控制無線Mesh網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)速率使其都在承載容量范圍之內(nèi)從而避免網(wǎng)絡(luò)過載所帶來的性能損失。利用K-hop干擾模型下的激活集概念,提出了以MAC層鏈路調(diào)度為約束的聯(lián)合速率控制凸優(yōu)化問題

6、模型。本文從理論上證明了該凸優(yōu)化算法的強(qiáng)對偶性,從而保證了原問題的優(yōu)化解和對偶問題優(yōu)化解的一致性。通過理論分析和證明,聯(lián)合MAC層調(diào)度的速率控制問題被原始對偶解法完美地分拆為鏈路調(diào)度和速率控制子問題從而能應(yīng)用到傳統(tǒng)的分層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。為了降低鏈路調(diào)度控制子問題的算法復(fù)雜度問題,該算法還使用了生成列算法。仿真結(jié)果表明:該算法不僅降低了算法復(fù)雜度,而且具有良好的收斂性,可以達(dá)到滿意的次優(yōu)解。
　　 3,提出了一個實(shí)現(xiàn)在WiMax無線M

7、esh網(wǎng)MAC層上的分布式路由算法?？紤]到無線Mesh中路由層需要依靠MAC層鏈路調(diào)度來提供足夠的帶寬保證,該路由算法實(shí)現(xiàn)在MAC層上。利用WiMax無線Mesh標(biāo)準(zhǔn)中的偽隨機(jī)競選算法,該算法利用各個節(jié)點(diǎn)當(dāng)前MAC層的調(diào)度信息分布式地決定下一跳的路由,從而達(dá)到為實(shí)時業(yè)務(wù)流提供具有最短端到端時延路由的目的。仿真結(jié)果表明,該算法可以明顯降低實(shí)時業(yè)務(wù)的端到端時延,能提供分布式的動態(tài)路由。
　　 4,實(shí)現(xiàn)了WiMAX無線Mesh網(wǎng)中異構(gòu)

8、QoS保障的公平分組調(diào)度算法。基于WiMAX的無線Mesh分布式調(diào)度標(biāo)準(zhǔn),本文構(gòu)建了一個實(shí)現(xiàn)在MAC層的區(qū)分服務(wù)框架并提出了適合異構(gòu)流業(yè)務(wù)的公平模型。同時,利用了WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的分布式調(diào)度機(jī)制,本文實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合調(diào)度的異構(gòu)QoS感知的公平分組調(diào)度算法。算法首先實(shí)現(xiàn)鏈路調(diào)度以完成帶寬分配,并實(shí)現(xiàn)了一個層次分組調(diào)度子算法。分組調(diào)度算法在異構(gòu)QoS需求類之間實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的優(yōu)先級服務(wù)策略,而在同優(yōu)先級業(yè)務(wù)之間則實(shí)現(xiàn)了公平分組調(diào)度。仿真結(jié)果表明,算法可以