無線分組調度算法與工業(yè)無線網(wǎng)絡拓撲優(yōu)化設計研究.pdf

1、無線網(wǎng)絡是當前發(fā)展最快的通信技術之一，特別是基于Internet的各項業(yè)務的引入已經(jīng)使得當前無線網(wǎng)絡不能滿足多業(yè)務服務質量(QoS)的要求，這使得針對無線網(wǎng)絡QoS保證的相關研究顯得非常必要。目前工業(yè)網(wǎng)絡的下一個趨勢是無線網(wǎng)絡，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度算法和工業(yè)無線網(wǎng)絡拓撲優(yōu)化技術兩個方面展開研究。 第一部分：分組調度算法。分組調度算法在網(wǎng)絡的QoS保證方面起到了核心的作用，它能提供分組級

2、別上的復用和帶寬保證。目前國內(nèi)外在分組調度方面的研究成果比較成熟的是有線網(wǎng)絡的分組調度，特別是在網(wǎng)絡層和介質訪問層(MAC層)。無線網(wǎng)絡分組調度是從有線網(wǎng)絡發(fā)展而來，基于通用處理機共享(GPS)且適用于TDMA網(wǎng)絡的分組調度算法有TWFQ、CIF-Q、WFS、SBFA等；基于輪詢(RR)的有WDRR等。上述適用于TDMA網(wǎng)絡的分組調度算法所存在的缺點主要包括兩點：復雜度高、不支持無線速率自適應信道。隨著無線調制解調技術的發(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。當前成熟的分組調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信道。國內(nèi)外對于多速率低復雜度無線分組調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)絡拓撲優(yōu)化設計。工業(yè)網(wǎng)絡目前仍然以各種各樣的現(xiàn)

4、場總線為主導，工業(yè)以太網(wǎng)也得到了一定程度上的應用。隨著無線網(wǎng)絡在辦公環(huán)境下的廣泛應用，以及在Internet接入領域的發(fā)展和物理層技術的進步，工業(yè)網(wǎng)絡的下一個發(fā)展趨勢將會是無線網(wǎng)絡。目前藍牙、ZigBee、IEEE802.11等無線技術已經(jīng)在工業(yè)網(wǎng)絡中得到了應用。由于具有通信速率快、傳輸距離遠、應用基礎廣泛等優(yōu)點，IEEE802.11在工業(yè)網(wǎng)絡中的得到了廣泛關注。工業(yè)網(wǎng)絡不同于普通的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，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。當前的無線技術還不能滿足工業(yè)環(huán)境下通信的要求，實時性仍然是亟需解決的問題。目前關于提高無線網(wǎng)絡實時性和可靠性的研究工作主要集中在網(wǎng)絡協(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)絡在工業(yè)環(huán)境下的應用。 研究成果一：WRA-DRR無線分組調度算法。 針對當前無線分組調度算法的不足，本文提出了一種“無線速率自適應差額輪

6、詢”調度算法(WRA-DRR)。 WRA-DRR以具有O(1)復雜度的DRR算法為基礎，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擯棄了不符合當前自適應信道特性的“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相結合，有效地解決了當前分組調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。 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、降級性能和復雜度；利用OPNET建立了WRA-DRR的各個層次的模型庫，構建了無線分組調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)復雜度且支持多速率無線自適應信道的分組調度算法，將對無線網(wǎng)絡QoS保證的研究和應用產(chǎn)生深刻的影響。 研究成果二：兩種工業(yè)無線網(wǎng)絡拓撲優(yōu)化設計算法。為了提高工業(yè)無線網(wǎng)絡的實時性和可靠性，本文從工業(yè)無線網(wǎng)絡拓撲設計入手，分別針對完全無線連接和混合連接的工業(yè)無線網(wǎng)絡，在拓撲優(yōu)化設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，本文提出了網(wǎng)絡拓撲優(yōu)化設

9、計的目標和約束條件，將最小化子網(wǎng)間的通信時間作為目標，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)場設備之間通信時間關系映射成加權無向圖的邊和頂點的權值，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(對應于子網(wǎng)間通信時間最小)，子圖的頂點權值和近似相等(對應于平衡子網(wǎng)內(nèi)部的通信時間)，子圖包含的頂點數(shù)近似相等(對應于平衡子網(wǎng)大小)。仿真結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)絡實時性；由于

10、網(wǎng)絡負載平衡到所有子網(wǎng)中，減少了網(wǎng)絡擁塞的可能性，提高了網(wǎng)絡的可靠性。 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)，將遺傳算法應用到工業(yè)無線網(wǎng)絡的拓撲設計中，同時無線網(wǎng)絡的多速率傳輸特性也得到了充分的考慮。提出了網(wǎng)絡設計的三個目標(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)