無線城域網服務質量機制和算法研究.pdf

1、無線城域網IEEE 802.16標準針對固定和移動的城域無線網絡提供用戶站(SS)和基站(BS)間的寬帶無線接入(BWA)技術，具有快速部署、高靈活性、高吞吐量和支持移動性的特點。為了保證無線寬帶環(huán)境下的系統(tǒng)性能和業(yè)務通信質量，IEEE 802.16網絡采用TDM/TDMA時分多址接入方式和集中式的BS管理模式，同時提出了明確而詳細的針對業(yè)務流的服務質量(QoS)要求，如帶寬和時延。但是標準只提出QoS規(guī)范，并不涉及QoS的實現(xiàn)方案和具

2、體機制。因此，研究合理的整體QoS架構模型和性能優(yōu)越的QoS機制來提供業(yè)務流的區(qū)分和公平，提高系統(tǒng)的吞吐量和時間資源的利用率就成為實現(xiàn)和推廣IEEE 802.16標準急需解決的問題。針對這些情況，本文在全面分析國內外相關研究的基礎上，圍繞著保障網絡中業(yè)務流的QoS要求和提高系統(tǒng)性能，在QoS架構模型、固定和移動網絡中的BS接納控制、BS帶寬分配、BS和SS隊列管理等方面進行深入研究，提出相應的方案和算法。 本文首先研究了IEEE

3、 802.16標準QoS和MAC層的設計規(guī)范、性能要求，提出詳細的 QoS架構模型，為系統(tǒng)的實現(xiàn)和進一步的研究提供指導和依據；接著針對IEEE 802.16標準中關于固定網絡的QoS設定，針對其中的分類業(yè)務區(qū)分和公平性問題，提出了基于分類的權重公平自適應接納控制算法(WFAC)；然后針對IEEE 802.16e移動網絡業(yè)務分類更加復雜，SS調制速率隨信道質量自適應改變的特點，提出了基于收益率參數的自適應接納控制算法(UAC)和簡化計算的

4、改進算法(EUAC)；之后針對IEEE 802.16標準中的帶寬分配機制，提出了基于對數效用函數的效用最大化帶寬分配算法和其快速解法，關注于系統(tǒng)的效率、吞吐量和公平；最后研究了網絡中QOS要求和時分接入方式對隊列的影響，提出了基于自適應令牌桶的權重公平的隊列管理算法(ATQM)，公平地保障了業(yè)務流的帶寬和時延要求。 本文的主要貢獻包括以下幾個方面： (1)全面分析了已有的國內外IEEE 802.16 QoS研究成果，將形

5、成一定研究構架和體系的研究成果分為QoS整體架構模型；BS端的業(yè)務流接納控制；多業(yè)務類型下的隊列調度；移動網絡中的切換方案等四類。隨后在分析已有的 IEEE 802.16標準QoS架構模型和研究標準的詳細參數和信息設定規(guī)范的基礎上，提出了符合標準定義和要求的整體QoS架構模型。該模型指出了各QoS模塊的定義、功能和實現(xiàn)方案，給出了詳細的管理信息和原語流程設計，為系統(tǒng)的實現(xiàn)和進一步的研究提供指導和依據。(2)建立了IEEE 802.16固

6、定網絡BS端的接納控制模型，并提出了基于分類業(yè)務的權重公平自適應接納控制算法(WFAC)。該算法對業(yè)務流類型、優(yōu)先級區(qū)分按權重分類，其接納概率遵循權重公平原則，同時能夠自適應地調節(jié)區(qū)分策略以保護高權重業(yè)務并充分利用系統(tǒng)時隙。仿真結果表明在不同的負載下算法對各種業(yè)務都表現(xiàn)出權重公平的接納率，且在充分利用了系統(tǒng)可分配時隙的同時保持很低的業(yè)務流降級率，保障了己接納業(yè)務的服務質量。 (3)建立了IEEE 802.16e移動網絡BS端的接

7、納控制模型，并提出基于收益率參數的自適應接納控制算法(UAC)和簡化計算的改進算法(EUAC)。針對移動網絡SS能夠自適應地根據信道質量調整調制速率的機制和業(yè)務分類、優(yōu)先級進一步細化的情況，該算法將業(yè)務流的速率和權重統(tǒng)一為收益率參數，新業(yè)務流的接納概率取決于自己的收益率和表征系統(tǒng)業(yè)務構成情況的系統(tǒng)收益率。仿真結果表明算法與傳統(tǒng)的截止門限方式相比，具有高收益、高吞吐量、高時隙利用率和低降級率，并可以根據負載變化改變策略，對不同收益率的業(yè)務

8、流在接納率上表現(xiàn)出合理區(qū)分。 (4)根據IEEE 802.16的帶寬分配機制建立了BS端帶寬分配模型，隨后提出了基于對數效用函數效用最大化的帶寬分配算法和其快速解法。算法靈活地根據業(yè)務流權重、速率、帶寬要求等區(qū)別，有效而公平地做出分配，提高系統(tǒng)的吞吐量和效用。其快速解法給出簡化的計算方法，可實現(xiàn)性好。仿真結果表明，算法在吞吐量和效用上均較最大最小帶寬分配具有明顯的優(yōu)勢，可以靈活地根據網絡環(huán)境做出高效而公平的分配。算法還可以調整效