无线宽带网络动态调度与跨层优化研究

摘要

近年来，无线网络的发展异常迅速，能够将数据、语音、信息传输、视频点播等多种业务相结合，并且为之提供不同QoS(Quality of Service)需求的无线宽带网络是未来通信系统的发展趋势。其中，调度算法是无线宽带网络QoS保证的关键，对实时业务的QoS保障起着举足轻重的作用。但是，由于对调度算法的研究由来已久，成果也较为丰富，因此在网络中单独依靠改进调度算法的性能来进一步提高资源的有效利用率是十分有限的。跨层(cross Layer)联合优化作为未来通信发展的一项关键技术，打破了传统开放系统互联(QSI)模型中严格的层间界限，让网络各层可以共享与其它层相关的信息，这种做法将分散在网络各个子层的特性参数进行协调融合，使得协议栈能够以全局的方式适应特定应用所需的OoS和网络状况的变化。 因此联合跨层优化的调度算法能为无线宽带网络资源的有效管理提供更广阔的空间，对有效改善无线宽带网络的QoS性能研究具有重要的意义。 关于调度算法的理论解析向来比较复杂，即使较为简单的调度算法也是如此。 但是精确的理论分析是研究算法性能的有效手段，同时也是算法性能改进和执行过程的依据。对于时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)系统，目前的多数研究很容易忽视一个问题，即在TDMA系统中，时延的统计是以时隙为单位的。 这种特殊性使在同一时隙中到达的不同数据包，尽管接入时刻不一样，但对系统而言，时延统计的起始点却都是一样的。因此，直接以时间(如秒、毫秒等)为单位进行统计建模的方法是不妥当的。 本文将从理论分析和实际应用两方面对调度算法及其跨层优化策略进行深入研究。研究主要分为对称网络环境(各站点业务到达类型、服务速率等网络环境参数一致)下的调度算法及其跨层研究和非对称网络环境(各站点业务到达类型、服务速率等网络环境参数不一致)下的动态调度算法和及其跨层研究两大部分。 第一部分首先基于对已有轮询调度算法的分析比较，提出了一种新的调度算法——M-gated算法。通过使用多维概率母函数的方法对系统进行建模，分别得到了有关平均队长、平均时延以及平均轮询周期的理论解析式，并通过仿真验证了理论分析的有效性。与其他算法相比，M-gated算法不仅较为逼近对称环境下最优调度算法——完全服务调度算法的队长和时延性能，而且避免了后者公平性差的问题，同时还具有稳定范围广、灵活性强、鲁棒性好等优点。其次，通过上述性能分析，提出了一种动态调度算法与接纳控制跨层联合优化的设计方案，并将其运用于IEEE802.11标准中。与其他方案相比，网络更稳定，参数传递开销也更小，而且可以尽可能地将时延维持在所需的OoS范围内。另外，该设计方案也无需对原有协议框架做较大改动，因此尤其适用于重负载和突发业务。 但在实际网络环境中，业务类型的多样化(比如对时延、误比特率、数据速率的要求不同)也是不容忽视的。因此在第二部分，本文将上述结论进行扩展，研究非对称M-gated调度算法的相关特性。 第二部分首先对非对称M-gated算法进行理论解析，这也是该部分最大的难点。 由于非对称网络环境中，用以表示用户到达率、系统服务率、服务转换时间等参数变量成N倍增长(N表示接入用户数目)，造成非对称环境下直接计算M-gated调度算法的理论解析颇为复杂，而其中尤为困难的是关于队长的二阶特性解析。因此我们对非对称M-gated算法的理论解析分两步：先对非对称1-gated和非对称2-gated调度算法进行解析，得到能够帮助解析非对称M-gated算法的中间变量，尤其是队长二阶特性解析式；再将这些中间变量带入非对称M-gated算法中，最终得到完整的多维概率母函数以及队长、时延、循环周期的理论表达式。 其次，通过大量仿真对非对称M-gated的性能进行分析，不仅验证了理论解析的正确性，同时也得到诸多非对称M-gated算法相比较对称M-gated算法所不同的一些特性，而这些特性正是由于非对称环境引起的。 最后，根据这些特性，考虑了无线信道的特点，并结合链路自适应技术，针对IEEE802.16这一典型的非对称网络环境提出了一种跨层设计方案。该方案增加了接纳控制策略、调度策略、以及参数控制中心等模块，用以保证在满足IEEE 802.16网络中rtPS、nrtPS以及BE不同种业务QoS需求的前提下最大化地利用网络资源。仿真结果表明文中所提跨层设计方案可以明显改善各类业务的服务质量，并在带宽利用率、网络参数传递开销以及盈余带宽之间进行较好地折中。 综上所述，本文以动态调度算法为主要研究出发点，充分考虑TDMA系统的特点，对网络进行建模，通过理论分析和仿真实验，研究对称和非对称网络环境中的动态调度算法的性能特点，然后基于这些特点提出相应的结合网络层、物理层的跨层设计方案，并将这些方案应用于实际的无线宽带网络中。文中大量的仿真实验表明这些方案在提高网络性能方面是十分有效的。