無線分組調(diào)度算法與工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)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(xiàng)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(duì)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(gè)趨勢(shì)是無線網(wǎng)絡(luò)，仍需解決實(shí)時(shí)性和可靠性的問題。 本文分別針對(duì)無線分組調(diào)度算法和工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)兩個(gè)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(jí)

2、別上的復(fù)用和帶寬保證。目前國(guó)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(jī)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(diǎn)主要包括兩點(diǎn)：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(gè)隨時(shí)間變化的隨機(jī)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(cuò)誤，這種模型已經(jīng)不適用于目前的速率自適應(yīng)信道。國(guó)內(nèi)外對(duì)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(shí)際需要的無線分組調(diào)度算法具有比較重要的理論和實(shí)際意義。 第二部分：工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)目前仍然以各種各樣的現(xiàn)

4、場(chǎng)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(jìn)步，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的下一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)是無線網(wǎng)絡(luò)。目前藍(lán)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(yuǎn)、應(yīng)用基礎(chǔ)廣泛等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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?fù)鋬?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(huì)大大促進(jìn)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(duì)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(dòng)態(tài)分配發(fā)送額度的機(jī)制，依據(jù)信道狀態(tài)對(duì)滯后隊(duì)列進(jìn)行動(dòng)態(tài)懲罰與補(bǔ)償，使得處于非最優(yōu)信道的隊(duì)列減少發(fā)送額度，從而減少了其占用帶寬的時(shí)間，把多余的額度分配給處于最優(yōu)信道的隊(duì)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(shí)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(duì)多速率信道不能提供良好支持的缺點(diǎn)。 WRA-DRR可以適用于不定分組長(zhǎng)度、復(fù)雜度低、并能保證長(zhǎng)期和短期公平性、具有良好降級(jí)性能、良好的隔離性能、可為不同移動(dòng)站點(diǎn)提供區(qū)分服務(wù)。 文中給出了WRA-DRR的各項(xiàng)性能的解析解，包括公平性、時(shí)延、吞吐量、降級(jí)性能和復(fù)雜度；利用OPNET建立了WRA-DRR的各個(gè)層次的模型庫(kù)，構(gòu)建了無線分組調(diào)度算法的仿真測(cè)試平臺(tái)。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(duì)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?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)算法。為了提高工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性，本文從工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)入手，分別針對(duì)完全無線連接和混合連接的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，在拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方面給出了兩個(gè)研究成果(注：這里“混合連接”指有線與無線混合連接)。 針對(duì)完全無線連接的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，本文提出了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)

9、計(jì)的目標(biāo)和約束條件，將最小化子網(wǎng)間的通信時(shí)間作為目標(biāo)，將平衡子網(wǎng)大小和平衡子網(wǎng)通信時(shí)間作為約束條件。通過將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間通信時(shí)間關(guān)系映射成加權(quán)無向圖的邊和頂點(diǎn)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(duì)應(yīng)于子網(wǎng)間通信時(shí)間最小)，子圖的頂點(diǎn)權(quán)值和近似相等(對(duì)應(yīng)于平衡子網(wǎng)內(nèi)部的通信時(shí)間)，子圖包含的頂點(diǎn)數(shù)近似相等(對(duì)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(shí)間，提高了網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性；由于

10、網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(duì)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?fù)湓O(shè)計(jì)中，同時(shí)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(jì)的三個(gè)目標(biāo)(最小化子網(wǎng)間通信時(shí)間、最小化子網(wǎng)內(nèi)通信時(shí)間、子網(wǎng)內(nèi)總的通信時(shí)間保持均衡)和三個(gè)約束條件(子網(wǎng)負(fù)荷不超過AP轉(zhuǎn)發(fā)能力、子網(wǎng)之間的負(fù)荷不超過頂層交換機(jī)的容量、子網(wǎng)