基于QoS保證的無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)高度技術(shù)研究.pdf

1、近年來，無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)憑借其便捷性、及時性和移動性等特點得到了廣泛關(guān)注與應(yīng)用。而這些特點也為Adhoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與算法的設(shè)計帶來了難度。為了保證服務(wù)質(zhì)量(QualityofService，QoS)，需要在開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OpenSystemInterconnection，OSI)模型中為每一層設(shè)計適合Adhoc網(wǎng)絡(luò)的算法和層間協(xié)議。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)媒體接入控制機制IEEE802.11MAC協(xié)議無法提供實時業(yè)務(wù)的QoS保證，因此需要在80

2、2.11協(xié)議框架下設(shè)計基于QoS保證的分組業(yè)務(wù)調(diào)度策略以提高Adhoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體性能。調(diào)度策略設(shè)計作為Ad hoc網(wǎng)絡(luò)及下一代無線網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展的一項關(guān)鍵技術(shù)，有效地減少了鏈路干擾和沖突，控制了隊列擁塞，增大了網(wǎng)絡(luò)容量，以全局的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化配置。因此，在無線網(wǎng)絡(luò)中，基于優(yōu)化的思想，在保證特定QoS性能指標的前提下分時隙的完成分組調(diào)度，對有效改善無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)性能具有重要意義。本論文以排隊論和資源分配理論為基礎(chǔ)，提出一套基

3、于吞吐量和端到端平均時延保證的調(diào)度性能評估方法，并從理論分析和實際應(yīng)用兩方面對調(diào)度策略原理進行深入研究，考慮各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，針對不同實現(xiàn)方式提出基于不同QoS保證的調(diào)度算法。此外，在多跳多路徑業(yè)務(wù)流情況下，提出了基于吞吐量保證的跨層聯(lián)合方案，為下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。本論文的主要工作和技術(shù)創(chuàng)新如下:
　　第一，針對單跳信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)分組調(diào)度不同的實現(xiàn)方式，分別就集中式與分布式調(diào)度策略進行數(shù)學建模

4、。而后，針對多跳多路徑網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，建立了基于吞吐量保證的跨網(wǎng)絡(luò)層路由選擇和鏈路層調(diào)度的跨層聯(lián)合方案模型。該模型將網(wǎng)絡(luò)層與鏈路層聯(lián)系起來，通過層與層之間的相互合作提高系統(tǒng)整體性能。建立調(diào)度模型之后，以排隊論、馬爾科夫理論為基礎(chǔ)，基于李雅普諾夫分析法提出了一套調(diào)度策略性能評估理論框架，通過對整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析考察調(diào)度算法或跨層聯(lián)合方案的吞吐量和端到端平均時延這兩項重要的QoS性能指標。此框架是分組調(diào)度研究的方法論，用于分析在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

5、和流量模型下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、調(diào)度算法的吞吐量和平均時延性能，具有重要的理論指導意義。
　　第二，根據(jù)集中式調(diào)度模型和調(diào)度算法性能評估理論框架，在無線單跳Adhoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，提出了基于時延改進的最大權(quán)重調(diào)度算法(Delay-enhancedMaxmumWeightScheduler,DMWS)。該算法基于系統(tǒng)負載因子ρ優(yōu)化了調(diào)度權(quán)重。通過使用李雅普諾夫分析法，證明了DMWS可以保證較之經(jīng)典的最大權(quán)重調(diào)度(MaximumWeigh

6、tScheduler,MWS)更緊的端到端平均時延。同時DMWS被證明可實現(xiàn)最大吞吐量容量區(qū)域，即吞吐量最優(yōu)。
　　第三，考慮單接口多信道網(wǎng)絡(luò)場景和單跳流量模型，提出了基于隨機接入和退避時間技術(shù)的低復(fù)雜度分布式信道分配與調(diào)度聯(lián)合控制策略(Low-complexityDistributedChannel-assignmentandSchedulingAlgorithm,LDCSA)。在LDCSA中，采用速率比分配方式進行數(shù)據(jù)流量分配

7、，將數(shù)據(jù)包合理的分配至各信道隊列。在信道分配與調(diào)度階段，采用一種基于概率的競爭接入策略，該策略需要鏈路之間的信息交互，這種信息交互可由RTS/CTS機制實現(xiàn)。使用李雅普諾夫分析法可以證明LDCSA可以保證穩(wěn)定的吞吐量容量區(qū)域。同時，LDCSA的實現(xiàn)復(fù)雜度不隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小和可用信道個數(shù)的改變而改變，適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用。
　　最后，在無線多信道Adhoc網(wǎng)絡(luò)中考慮多跳多路徑流量環(huán)境，即每個數(shù)據(jù)源節(jié)點到目的節(jié)點有多個備選多跳路徑供數(shù)

8、據(jù)傳輸。在這種環(huán)境下，需要將網(wǎng)絡(luò)層路由選擇與鏈路層調(diào)度策略結(jié)合起來，設(shè)計基于QoS保障的跨層聯(lián)合方案，以保證系統(tǒng)整體性能。根據(jù)本文提出的跨層聯(lián)合方案理論框架，分別針對多接口多信道網(wǎng)絡(luò)和單接口多信道網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了基于吞吐量保證的跨層聯(lián)合方案:改進版多路徑(Multi-Path，MP)方案、分布式路由與信道分配與調(diào)度(DistributedRouting，Channel-assignmentandScheduling，DRCS)方案和多路徑LD

9、CSA方案(Miki-pathLDCSA，M-LDCSA)。其中改進版MP方案是對現(xiàn)有多接口多信道網(wǎng)絡(luò)跨層MP方案的一般性改進，取消了原始MP方案中不合理的假設(shè)條件。而針對單接口多信道網(wǎng)絡(luò)，DRCS和M-LDCSA分別是對現(xiàn)有的基于單跳網(wǎng)絡(luò)的速率比最大多信道調(diào)度算法(Rate-ProportionalMaximalMulti-ChannelScheduler,RPMMC)和LDCSA調(diào)度的多跳多路徑擴展。本文提出的跨層聯(lián)合方案綜合考慮了