無線分組調(diào)度算法與工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)拓撲優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、無線網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前發(fā)展最快的通信技術(shù)之一，特別是基于Internet的各項業(yè)務(wù)的引入已經(jīng)使得當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)不能滿足多業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(QoS)的要求，這使得針對無線網(wǎng)絡(luò)QoS保證的相關(guān)研究顯得非常必要。目前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的下一個趨勢是無線網(wǎng)絡(luò)，仍需解決實時性和可靠性的問題。 本文分別針對無線分組調(diào)度算法和工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)拓撲優(yōu)化技術(shù)兩個方面展開研究。 第一部分：分組調(diào)度算法。分組調(diào)度算法在網(wǎng)絡(luò)的QoS保證方面起到了核心的作用，它能提供分組級

2、別上的復(fù)用和帶寬保證。目前國內(nèi)外在分組調(diào)度方面的研究成果比較成熟的是有線網(wǎng)絡(luò)的分組調(diào)度，特別是在網(wǎng)絡(luò)層和介質(zhì)訪問層(MAC層)。無線網(wǎng)絡(luò)分組調(diào)度是從有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來，基于通用處理機共享(GPS)且適用于TDMA網(wǎng)絡(luò)的分組調(diào)度算法有TWFQ、CIF-Q、WFS、SBFA等；基于輪詢(RR)的有WDRR等。上述適用于TDMA網(wǎng)絡(luò)的分組調(diào)度算法所存在的缺點主要包括兩點：復(fù)雜度高、不支持無線速率自適應(yīng)信道。隨著無線調(diào)制解調(diào)技術(shù)的發(fā)展，無線信道的

3、傳輸速率不再恒定，而成為一個隨時間變化的隨機變量。當(dāng)前成熟的分組調(diào)度算法沒有考慮無線信道的這一特性，其信道模型為“2-狀態(tài)Markov模型”，信道只有“好”與“壞”兩種狀態(tài)，用來模擬突發(fā)信道錯誤，這種模型已經(jīng)不適用于目前的速率自適應(yīng)信道。國內(nèi)外對于多速率低復(fù)雜度無線分組調(diào)度算法的研究還處于起步階段，提出滿足實際需要的無線分組調(diào)度算法具有比較重要的理論和實際意義。 第二部分：工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)拓撲優(yōu)化設(shè)計。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)目前仍然以各種各樣的現(xiàn)

4、場總線為主導(dǎo)，工業(yè)以太網(wǎng)也得到了一定程度上的應(yīng)用。隨著無線網(wǎng)絡(luò)在辦公環(huán)境下的廣泛應(yīng)用，以及在Internet接入領(lǐng)域的發(fā)展和物理層技術(shù)的進步，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的下一個發(fā)展趨勢將會是無線網(wǎng)絡(luò)。目前藍牙、ZigBee、IEEE802.11等無線技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中得到了應(yīng)用。由于具有通信速率快、傳輸距離遠、應(yīng)用基礎(chǔ)廣泛等優(yōu)點，IEEE802.11在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的得到了廣泛關(guān)注。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不同于普通的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，具有許多自身的特性，例如：絕大多數(shù)通信都

5、是周期性通信，數(shù)據(jù)流多為單向流，對實時性和可靠性具有較高的要求。當(dāng)前的無線技術(shù)還不能滿足工業(yè)環(huán)境下通信的要求，實時性仍然是亟需解決的問題。目前關(guān)于提高無線網(wǎng)絡(luò)實時性和可靠性的研究工作主要集中在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面，在拓撲優(yōu)化方面還沒有成熟的研究成果出現(xiàn)。如果能解決好這一問題無疑會大大促進無線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用。 研究成果一：WRA-DRR無線分組調(diào)度算法。 針對當(dāng)前無線分組調(diào)度算法的不足，本文提出了一種“無線速率自適應(yīng)差額輪

6、詢”調(diào)度算法(WRA-DRR)。 WRA-DRR以具有O(1)復(fù)雜度的DRR算法為基礎(chǔ)，依據(jù)信道狀態(tài)動態(tài)分配發(fā)送額度的機制，依據(jù)信道狀態(tài)對滯后隊列進行動態(tài)懲罰與補償，使得處于非最優(yōu)信道的隊列減少發(fā)送額度，從而減少了其占用帶寬的時間，把多余的額度分配給處于最優(yōu)信道的隊列，提高了系統(tǒng)的吞吐量。 WRA-DRR擯棄了不符合當(dāng)前自適應(yīng)信道特性的“2-狀態(tài)Markov模型”，采用了新的具有更多實際意義的“多狀態(tài)Markov信道模型

7、”，并與DRR相結(jié)合，有效地解決了當(dāng)前分組調(diào)度算法對多速率信道不能提供良好支持的缺點。 WRA-DRR可以適用于不定分組長度、復(fù)雜度低、并能保證長期和短期公平性、具有良好降級性能、良好的隔離性能、可為不同移動站點提供區(qū)分服務(wù)。 文中給出了WRA-DRR的各項性能的解析解，包括公平性、時延、吞吐量、降級性能和復(fù)雜度；利用OPNET建立了WRA-DRR的各個層次的模型庫，構(gòu)建了無線分組調(diào)度算法的仿真測試平臺。WRA-DRR算

8、法是目前第一種具有O(1)復(fù)雜度且支持多速率無線自適應(yīng)信道的分組調(diào)度算法，將對無線網(wǎng)絡(luò)QoS保證的研究和應(yīng)用產(chǎn)生深刻的影響。 研究成果二：兩種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)拓撲優(yōu)化設(shè)計算法。為了提高工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的實時性和可靠性，本文從工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計入手，分別針對完全無線連接和混合連接的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，在拓撲優(yōu)化設(shè)計方面給出了兩個研究成果(注：這里“混合連接”指有線與無線混合連接)。 針對完全無線連接的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，本文提出了網(wǎng)絡(luò)拓撲優(yōu)化設(shè)

9、計的目標(biāo)和約束條件，將最小化子網(wǎng)間的通信時間作為目標(biāo)，將平衡子網(wǎng)大小和平衡子網(wǎng)通信時間作為約束條件。通過將現(xiàn)場設(shè)備之間通信時間關(guān)系映射成加權(quán)無向圖的邊和頂點的權(quán)值，利用多層多約束圖劃分算法劃分該映射圖，使得到的劃分“邊切割”最小(對應(yīng)于子網(wǎng)間通信時間最小)，子圖的頂點權(quán)值和近似相等(對應(yīng)于平衡子網(wǎng)內(nèi)部的通信時間)，子圖包含的頂點數(shù)近似相等(對應(yīng)于平衡子網(wǎng)大小)。仿真結(jié)果表明該算法可以有效減少不必要的子網(wǎng)間通信時間，提高了網(wǎng)絡(luò)實時性；由于

10、網(wǎng)絡(luò)負載平衡到所有子網(wǎng)中，減少了網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。 針對混合連接的工業(yè)無線網(wǎng)(由工業(yè)以太網(wǎng)組成骨干網(wǎng)，下層采用IEEE802.11網(wǎng)絡(luò))，將遺傳算法應(yīng)用到工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的拓撲設(shè)計中，同時無線網(wǎng)絡(luò)的多速率傳輸特性也得到了充分的考慮。提出了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的三個目標(biāo)(最小化子網(wǎng)間通信時間、最小化子網(wǎng)內(nèi)通信時間、子網(wǎng)內(nèi)總的通信時間保持均衡)和三個約束條件(子網(wǎng)負荷不超過AP轉(zhuǎn)發(fā)能力、子網(wǎng)之間的負荷不超過頂層交換機的容量、子網(wǎng)