WiMAX網(wǎng)絡(luò)跨層調(diào)度算法研究.pdf

1、隨著無線通信、互聯(lián)網(wǎng)和多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，特別是以WiMAX/LTE為代表的新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)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(wù)多樣化、無線技術(shù)寬帶化、寬帶技術(shù)無線化和IP技術(shù)綜合化等特點(diǎn)。為支持具有不同服務(wù)質(zhì)量需求的業(yè)務(wù)，這就要求無線通信網(wǎng)絡(luò)的無線調(diào)度必須與業(yè)務(wù)需求相結(jié)合，在各業(yè)務(wù)之間合理動(dòng)態(tài)有效地分配無線資源。同時(shí)，由于無線信道的時(shí)變性，無線通信網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度算法需要在時(shí)、頻、碼等多維進(jìn)行調(diào)度控制，并且需要更強(qiáng)的自

2、適應(yīng)能力，以最優(yōu)的方式動(dòng)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(luò)協(xié)議需要彼此透明，以保持各層協(xié)議設(shè)計(jì)上的的獨(dú)立性，同時(shí)減小網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)和實(shí)現(xiàn)的難度。然而，在無線網(wǎng)絡(luò)中，特別是移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)中，由于無線環(huán)境的不確定因素，導(dǎo)致無線信道容量和誤比特率等的時(shí)變特性，傳統(tǒng)分層設(shè)計(jì)方法無法保證網(wǎng)絡(luò)的最佳資源利用率和用戶業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量需求。為了提高無線網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用層必須與其它各層進(jìn)行有效的信息交互，以適應(yīng)其它層特性的變化，于是產(chǎn)生了無線網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)的思想。跨層設(shè)計(jì)思想已經(jīng)提出多年，過去主要用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，應(yīng)用到通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)，特別是無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)還只是最近幾年的工作?？鐚釉O(shè)計(jì)思想主要應(yīng)用于自適應(yīng)系統(tǒng)，目前在蜂窩通信、WiFi、藍(lán)牙、無線城域網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、無線多跳網(wǎng)絡(luò)、自組織網(wǎng)絡(luò)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(luò)跨層服務(wù)質(zhì)量保證以及WiMAX系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化等問題。 本論文在WiMAX無線通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和通信業(yè)務(wù)類型的基礎(chǔ)上，分析了無線通信網(wǎng)絡(luò)中無線調(diào)度領(lǐng)域新的研究方向和研究現(xiàn)狀，包括：基于OFDM/OFDMA的時(shí)域、頻域等維度的聯(lián)合資源調(diào)度技術(shù)、具有服務(wù)質(zhì)量保障的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)無線信道資源分配技術(shù)、分組調(diào)度控制技術(shù)等。在對無線調(diào)度算法領(lǐng)域的經(jīng)典理論和算法的總結(jié)和分析基礎(chǔ)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(diào)度算法，特別是基于跨層的無線調(diào)度算法進(jìn)行了深入的研究。 早期的無線調(diào)度算法都是基于有線環(huán)境下的調(diào)度算法修改而來的，但是這種算法不能適應(yīng)當(dāng)今的無線通信系統(tǒng)，特別是4G這樣高帶寬、高速率、服務(wù)質(zhì)量保證的無線網(wǎng)絡(luò)。由于無線調(diào)度算法研究的主要問題是將稀缺的無線資源在給定的時(shí)間內(nèi)分配給不同的用戶，無線調(diào)度算法的結(jié)果是優(yōu)化一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)，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(diào)度的辦法。這些方法普遍都在對無線調(diào)度的數(shù)學(xué)模型本身進(jìn)行簡化的前提下，使用如凸優(yōu)化，動(dòng)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(xué)規(guī)劃的方法進(jìn)行求解。這等于對無線調(diào)度問題本身進(jìn)行了簡化，如凸優(yōu)化方法將問題簡化為凸優(yōu)化的領(lǐng)域，而不考慮調(diào)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(xué)規(guī)劃方法，只能求得一個(gè)精確解。因?yàn)檎{(diào)度是多目標(biāo)的，而多目標(biāo)的解，即Pareto解其問題本身就是一個(gè)解集，幾乎不存在唯一解的可能性。而且數(shù)學(xué)規(guī)

7、劃的方法對于變量的條件，調(diào)度函數(shù)的可導(dǎo)、可微等有一定的要求，這就限制了該類方法的應(yīng)用范圍。本論文提出了使用進(jìn)化算法求解無線調(diào)度問題的方法。由于無線調(diào)度問題本身的復(fù)雜性，涉及到無線通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科交叉，目前應(yīng)用進(jìn)化算法求解無線調(diào)度問題的研究成果和發(fā)表的論文還是空白，所以進(jìn)行該領(lǐng)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(jìn)化算法以及多目標(biāo)優(yōu)化算法的無線調(diào)度算法，通過仿真驗(yàn)證了這些算法在WiMAX網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的

8、有效性和可行性。 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下： 1．建立了WiMAX網(wǎng)絡(luò)OFDMA模式的公平調(diào)度數(shù)學(xué)模型，本論文提出了適于進(jìn)化算法應(yīng)用的簡化的多載波公平調(diào)度模型以便于進(jìn)化算法的使用。 2．提出了WiMAX網(wǎng)絡(luò)OFDMA模式的跨層設(shè)計(jì)架構(gòu)，針對WiMAX網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的特點(diǎn)，本論文提出了適于WiMAX網(wǎng)絡(luò)OFDMA模式的跨層調(diào)度算法架構(gòu)。 3．提出了基于微分進(jìn)化的WiMAX網(wǎng)絡(luò)OFDMA模式的跨層調(diào)度算法，微分進(jìn)化算

9、法是進(jìn)化算法產(chǎn)生以來在算法理論方面取得的最重大的進(jìn)展。由于微分進(jìn)化算法同樣應(yīng)用了“優(yōu)勝劣汰，適者生存”的自然進(jìn)化法則，所以該算法也應(yīng)當(dāng)屬于進(jìn)化算法的一種。微分進(jìn)化算法能更快速、更穩(wěn)定的收斂到問題的全局最優(yōu)解。考慮到無線信道的時(shí)變性，無線調(diào)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(jìn)化的跨層調(diào)度算法。 4．提出了基于粒子群優(yōu)化的WiMAX網(wǎng)絡(luò)OFDMA模式的跨層調(diào)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(huì)突然改變方向、散開、聚集，其行為不可預(yù)測，但其整體總保持一致性，個(gè)體與個(gè)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(huì)信息共享機(jī)制，它為群體的進(jìn)化提供了一種優(yōu)勢，這也是粒子群算法形成的基礎(chǔ)。由于沒有免費(fèi)午餐定理的存在，而且粒子群算法容易理解、易于實(shí)現(xiàn)，所以本論文提出了基于粒子群優(yōu)化的無線跨層調(diào)度算法。 5．建立了WiMAX網(wǎng)絡(luò)OFDMA模式的多目標(biāo)調(diào)度數(shù)學(xué)

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