基于自相似业务模型的网络性能分析及无线资源管理

摘要

随着通信技术的不断进步和人类社会日益增长的通信需求，现代的通信网络必须为越来越多的各种各样的应用提供通信支持。同时，由于应用的多样化和应用的要求的提高，现代网络还需要以更高的速率，更低的延迟以及更低的信元丢失率等性能指标来传送用户的信息。即对现代的通信网络提出了较高的服务质量(QoS)要求。目前，通信网络的QoS问题已经成为了国际网络研究领域最重要的研究领域之一。 大量的不同种类的应用导致了通信网络中流量的复杂性。网络流量的自相似性已经被证实广泛存在于各种不同的网络应用中。而传统的基于泊松过程的流量模型并不能很好的描述这一性质。已经有越来越多的研究者致力于基于自相似模型的网络性能分析，但由于自相似业务难于建立准确的模型，而且进行数学解析分析也比较困难，因此该领域还是有待深入的研究。 在无线网络中，由于信道之间的干扰，多径衰落等因素的影响，使得无线信道更容易发生错误，无线链路的容量具有很高的可变性。因此，为无线通信网络提供QoS保证的措施更加复杂。 本文在对国内外近期以来有关通信网络流量控制和网络排队性能分析以及无线资源管理，QoS保证的研究发展进行了回顾和总结。在国家自然科学基金项目“高速信息网络中传输控制策略最优化研究”课题组的前期研究的基础上，结合广东省自然科学基金项目“高速信息网络管理与流量控制大系统方法的研究”的课题研究，重点对白相似网络中的各种性能进行了分析，并对于为了保证无线网络中的QoS所采取的调度算法和呼叫接纳控制进行了研究。主要研究内容如下： 1)针对在自相似业务模型的网络(以后简称为自相似网络)中，计算等效带宽时，会出现较大带宽浪费的情况，提出了最优带宽的概念。利用最优带宽可以更加合理的调整系统的资源配置，以达到节省带宽的目的。并且，对于保证一定的分组丢失概率和最大延时，给出了最优带宽的一个具体的计算方法。 2) 目前对于白相似网络排队性能分析主要集中于无缓存和缓存无穷大两种情况，且假设只有单服务台，而实际的情况是，缓存有限，而且存在多个服务台，由此导致了以前的结果与实际情况存在一定的误差。本文采用拟合累计分布函数和矩阵几何的方法，对Pareto分布的到达时间间隔和负指数服务时间以及多服务台和有限缓存空间下的阿络排队系统性能进行了分析，经过推导，得到了分组丢失概率和平均排队队长。 3)现有的计算机网络调度算法中，在兼顾较好的QoS性能，较高的公平性以及降低调度算法的复杂性上还没有很好的方法，本文提出了一种新的调度算法。整个调度过程分为三个阶段。建立了一个共用队列，使得高优先级的业务流的数据包经过此队列的数量比较小，提高了系统的公平性，与吞吐量，同时只给高优先级的业务流带来了很小的影响。另外，由于不需要进行复杂的排序管理，使得计算的复杂性也降低很多。 4)接纳呼叫控制措施是提供无线网络QOS保证的一个重要方法，而切换呼叫往往会比新呼叫赋予更高的优先级，但如何在切换呼叫和新呼叫之间建立一个精确的控制调节机制来使系统对用户产生一个最大的满意度，这个问题并没有得到较好的解决。本文提出了一个量化的函数，其含义表示了用户的满意程度，其调节参数就是切换呼叫和新呼叫的比例，调节的目标就是使得函数取得最大值，也即使得用户的满意度达到一个量化的最大值。 5)无线通信中，信道之间的干扰以及通信环境的不断变化，导致无线信道容量变化较大，而且对无线信道质量预测困难。由此，本文运用模糊控制的原理，根据信道情况来调整分配给各个业务流的带宽，提高了系统实际传送的字节数，也提高了业务流传送的鲁棒性，使得业务流的传送不会起伏十分剧烈，同时还提高了各个业务流之间的公平性。 上述研究己取得了以下几方面的创新性的成果： 1)对于自相似网络，提出了最优带宽的概念。利用最优带宽可以更加合理的调整系统的资源配置，以达到节省带宽的目的。并且，对于保证一定的分组丢失概率和最大延时，给出了最优带宽的一个具体的计算方法。 2)采用拟合累计分布函数和矩阵几何的方法，对Pareto分布的到达时间间隔和负指数服务时间以及多服务台和有限缓存空间下的网络排队系统性能进行了分析，经过推导，得到了分组丢失概率和平均排队队长。 3)对于IP网络，提出了一种新的调度算法。整个调度过程分为三个阶段。提高了系统的公平性，与吞吐量，同时只给高优先级的业务流带来了很小的影响。另外，由于不需要进行复杂的排序管理，使得计算的复杂性也降低很多。 4)对于无线网络中的呼叫接纳控制，提出了一个量化的函数，其含义表示了用户的满意程度，其调节参数就是切换呼叫和新呼叫的比例，调节的目标就是使得函数取得最大值，也即使得用户的满意度达到一个量化的最大值。 5)在无线网络的调度算法中，运用模糊控制的原理，根据信道情况来调整分配给各个业务流的带宽，提高了系统实际传送的字节数，也提高了业务流传送的鲁棒性，使得业务流的传送不会起伏十分剧烈，同时还提高了各个业务流之间的公平性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1通信网的高速发展历程及挑战

1.1.1通信网的广泛应用

1.1.2网络服务质量的提出

1.2分形与自相似

1.2.1分形理论

1.2.2网络中出现的具有自相似性的业务流

1.2.3网络中自相似业务流的研究现状

1.3本论文的主要研究内容

第二章相关基础理论

2.1自相似性介绍

2.1.1自相似定义

2.1.2重尾分布

2.2自相似业务流模型

2.2.1基于分形布朗运动或分形高斯噪声的模型

2.2.2基于分形ARIMA(p，d，q)模型

2.2.3 Pareto分布的ON/OFF业务模型

2.2.4基于混沌映射的自相似业务流模型

2.3矩阵几何方法

2.3.1相位分布

2.3.2拟生灭过程

2.3.3矩阵几何解

2.4遗传算法

2.5模糊集合

2.5.1模糊集合的定义

2.5.2模糊控制器

第三章基于等效带宽的自相似业务的最优带宽

3.1等效带宽的出现及应用

3.1.1等效带宽的出现背景

3.1.2复用模型和等效带宽

3.2等效带宽的估算方法

3.2.1高斯分布估计

3.2.2大偏差估计方法

3.2.3 Kelly方法

3.2.4泊松分布估算

3.3五种具体业务流的等效带宽

3.4等效带宽的测量方法

3.5分形布朗运动包络过程

3.5.1分形布朗运动包络过程的性质

3.5.2基于分形布朗包络过程计算等效带宽

3.6基于自相似业务流的最优带宽

3.6.1最优带宽的提出和带宽资源的节约

3.6.2自相似业务模型及最优带宽

3.6.3仿真验证

3.7本章小节

第四章基于自相似业务的多服务台排队性能分析

4.1基于自相似业务流的网络的性能分析的研究进展

4.1.1自相似业务流的具体发现

4.1.2自相似业务流的研究方法

4.2自相似业务流的流量模型

4.2.1到达时间间隔服从Pareto分布的计数过程

4.2.2业务流流量模型的选择

4.3超指数分布拟合方法

4.3.1拟合单调函数的方法

4.3.2用FW算法进行拟合的实际情况

4.4根据矩阵几何方法推导P/M/c/K+c队列的排队性能

4.5仿真验证

4.6本章小节

第五章基于IP网络的分阶段调度算法

5.1分组调度机制概述

5.1.1分组调度在服务质量提供中的重要作用

5.1.2分组调度算法分类

5.1.3一些经典的调度算法

5.1.4自相似流量的调度

5.2三阶段调度算法

5.2.1 TP调度算法所基于的模型

5.2.2 TP的算法流程

5.2.3在WRR，FCFS和TP算法中产生的数据包延迟性能

5.3仿真实验

5.4本章小结

第六章基于统计优先级队列的无线呼叫接纳控制

6.1移动通信中的无线资源管理

6.1.1无线网络服务质量和无线资源管理

6.1.2无线资源管理中的各个部分

6.1.3 2G与3G中的无线资源管理

6.2呼叫接纳控制

6.2.1呼叫接纳控制概述

6.2.2一些基本的呼叫接纳控制算法

6.3基于统计优先级队列的无线呼叫接纳控制

6.3.1 SQCAC模型

6.3.2 SQCAC算法流程

6.3.3数值解方案

6.3.4仿真实验

6.4本章小结

第七章基于模糊逻辑的无线网络调度算法

7.1无线调度算法概述

7.1.1无线调度算法和网络质量

7.1.2无线调度算法特点

7.2一些典型的无线网络的调度算法

7.3一种基于模糊逻辑的无线调度算法（FLQ）

7.3.1模糊系统概述

7.3.2模糊逻辑控制方案

7.3.3仿真实验

7.4本章小结

结论

1.全文总结

2.进一步研究的展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢

评定意见