無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)調(diào)度與跨層優(yōu)化研究.pdf

1、近年來(lái)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展異常迅速，能夠?qū)?shù)據(jù)、語(yǔ)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(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。其中，調(diào)度算法是無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)QoS保證的關(guān)鍵，對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的QoS保障起著舉足輕重的作用。但是，由于對(duì)調(diào)度算法的研究由來(lái)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(lái)進(jìn)一步提高資源的有效利用率是十分有限的。跨層(cross Layer

2、)聯(lián)合優(yōu)化作為未來(lái)通信發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，打破了傳統(tǒng)開(kāi)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(gè)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(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)資源的有效管理提供更廣闊的空間，對(duì)有效改善無(wú)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(lái)比較復(fù)雜，即

3、使較為簡(jiǎn)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(shí)也是算法性能改進(jìn)和執(zhí)行過(guò)程的依據(jù)。對(duì)于時(shí)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(gè)問(wèn)題，即在TDMA系統(tǒng)中，時(shí)延的統(tǒng)計(jì)是以時(shí)隙為單位的。 這種特殊性使在同一時(shí)隙中到達(dá)的不同數(shù)據(jù)包，盡管接入時(shí)刻不一樣，但對(duì)系統(tǒng)而言，時(shí)延統(tǒng)計(jì)的起始點(diǎn)卻都是一樣的。因此，直接以時(shí)間(如秒、毫秒等

4、)為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模的方法是不妥當(dāng)?shù)摹?本文將從理論分析和實(shí)際應(yīng)用兩方面對(duì)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(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(各站點(diǎn)業(yè)務(wù)到達(dá)類(lèi)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(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(各站點(diǎn)業(yè)務(wù)到達(dá)類(lèi)型、服務(wù)速率等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)不一致)下的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法和及其跨層研究?jī)纱蟛糠帧?第一部分首先基于對(duì)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(guò)使用多維

5、概率母函數(shù)的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，分別得到了有關(guān)平均隊(duì)長(zhǎng)、平均時(shí)延以及平均輪詢周期的理論解析式，并通過(guò)仿真驗(yàn)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(duì)稱(chēng)環(huán)境下最優(yōu)調(diào)度算法——完全服務(wù)調(diào)度算法的隊(duì)長(zhǎng)和時(shí)延性能，而且避免了后者公平性差的問(wèn)題，同時(shí)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(guò)上述性能分析，提出了一種動(dòng)態(tài)調(diào)度算法與接納控制跨層聯(lián)合優(yōu)化的設(shè)計(jì)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(kāi)銷(xiāo)也更小，而且可以盡可能地將時(shí)延維持在所需的OoS范圍內(nèi)。另外，該設(shè)計(jì)方案也無(wú)需對(duì)原有協(xié)議框架做較大改動(dòng)，因此尤其適用于重負(fù)載和突發(fā)業(yè)務(wù)。 但在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，業(yè)務(wù)類(lèi)型的多樣化(比如對(duì)時(shí)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(duì)稱(chēng)M-gated調(diào)度算法的相關(guān)特性。 第二部分首先對(duì)非對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)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(shí)間等參數(shù)變量成N倍增長(zhǎng)(N表示接入用戶數(shù)目)，造成非對(duì)稱(chēng)環(huán)境下直接計(jì)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(duì)長(zhǎng)的二階特性解析。因此我們對(duì)非對(duì)稱(chēng)M-gated算法的理論解析分兩步：先對(duì)非對(duì)稱(chēng)1-gated和非對(duì)稱(chēng)2-gated調(diào)度算法進(jìn)行解析，得到能夠幫助解析非對(duì)稱(chēng)M-gated算法的中間變量，尤其是隊(duì)長(zhǎng)二階特性解析式；再將這些中間變

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

9、了一種跨層設(shè)計(jì)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(jì)方案可以明顯改善各類(lèi)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(kāi)銷(xiāo)以及盈余帶寬之間進(jìn)行較好地折中。 綜上所述，本文以動(dòng)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(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，通過(guò)理論分析