基于智能控制理论的无线网络QoS支持机制的研究

摘要

随着移动通信技术和Internet 的迅猛发展，为移动用户提供随时、随地、任何形式的信息服务已成为技术研究的一大热点。未来的移动通信网络将采用全IP分组网络作为核心网，使用不同的无线接入和有线接入方式实现互联与融合，共同支持语音、数据、图象、E—mail、移动多媒体以及移动互联接入等多种业务。 为了实现对多种业务的支持，要求新一代移动通信网络能够采取一系列的质量控制措施，保证各项业务的服务质量QoS（Quality of Service），并在共享同一资源的业务之间合理分配可用资源，实现资源利用最大化。由于不同类型的业务，具有完全不同的服务质量QoS 需求，如不同的误码率、传输速率、时延限制以及无线资源需求。怎样在未来的移动通信网络上同时支持多种业务类型，保证每项服务都达到性能要求，成了QoS 控制所必须解决的问题，它涉及网络的各个子层。 相对于有线网络，无线网络主要面临两大问题：(1)由于频率资源受限，可用带宽波动，在满足各项业务QoS 的前提下，必须最大程度地提高无线资源利用率，同时保证系统的稳定性；(2)由于无线信号衰落、多径效应、切换等多种因素的影响，会造成高误码，严重地影响了传输的可靠性，降低了传输质量和系统性能。 因此，大量有关无线网络QoS 支持技术的研究，在接入网络部分主要侧重于有效的无线资源控制机制，在核心网络部分则注重于提供可靠的传输保障机制。 在第三代移动通信网络中，其无线链路都采用的是CDMA 制式，快速精确的功率控制技术和接纳控制技术，是提高频谱资源利用率，保证系统稳定运行的关键，也是一种非常有效的解决QoS 支持问题的方法。另一方面，由于未来的移动通信网络是全IP 网络，IP 网络是面向无连接网络，其传输可靠性无法得到保证。而目前的Internet 网络是以TCP/IP 协议为基础，TCP 在无线网络中的性能对于未来的移动用户至关重要，而它的性能越来越依靠于TCP/IP 的拥塞控制机制。拥塞是影响数据传输，造成延时、抖动等业务质量指标下降以及带宽、缓存等网络资源利用率降低的关键因素。因此，解决无线网络的资源控制、拥塞控制等一系列复杂问题，满足不同业务类型的QoS 需求，不仅是个核心问题，也是一个非常困难的问题，引起了人们广泛的关注。 近些年快速发展起来的智能控制理论和技术，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂控制问题。智能控制技术主要包括神经网络、模糊逻辑、专家控制、遗传算法等几个较为成熟的方法体系。人们开始从不同的方面将智能控制理论应用于对网络的控制中。本文以智能控制理论为基础，针对无线网络中的带宽资源受限、传输信道时变、误码率高的特点，从网络的不同层面，研究无线网络的QoS 支持问题：(1)首先，基于神经网络技术，在物理层提出了一种支持QoS 的混合神经网络反向链路功率控制算法，它以不同业务需求的目标误帧率为指标，实时检测链路的误码状况，采用不同的神经网络模型，分别控制SIR 目标值和移动台的发射功率。通过快速精确的控制，对不同的链路状况作出灵敏反应。与常规固定步长算法相比，该算法提高了控制精度和控制速度，具有较高的控制稳定性，能够提供更好的服务质量和更大的系统容量。(2)针对WCDMA 网络的无线资源控制以及保持系统稳定性的问题，提出了基于模糊逻辑和神经网络的智能接纳控制算法（ICAC）。它由模糊干扰估计器、神经网络干扰预测器、呼叫准入判决器三个功能模块构成，能根据不同业务类型的QoS 需求，利用模糊逻辑的推理判断功能，估算新加入用户将带来的干扰；利用神经网络具备的自学习能力，预测下一时刻系统的总干扰值，然后作出接入允许判决。与基于信号干扰比测量的呼叫接纳控制（CAC）相比，ICAC 具有更高的自适应性和性能指标。(3)提出了基于带宽估计的端到端TCP 拥塞控制改进算法，通过确认报文携带的信息来估计目前带宽，并使用相应的估计参数更新拥塞窗口，完成拥塞控制。实验结果表明，与传统的TCP-Newreno、TCP-Sack 等协议比较，该算法在链路差错率较高时具有较好的性能改进。(4) 传统的TCP 拥塞控制算法应用于无线网络时将造成吞吐量的下降，本文研究将专家控制技术用于无线网络的拥塞控制，它作为一种端到端的拥塞控制策略，利用网络专家的知识进行推理、判断，确认当前的TCP 连接状况以及无线链路丢包的原因，以此区别于网络拥塞丢包，避免了发送端频繁误启动拥塞控制机制。然后针对不同原因的丢包，选取不同的拥塞控制策略。实验表明，该方法控制的拥塞窗口平稳，具有稳定的数据流输出，可以获得较高的吞吐率，算法本身具有较强的鲁棒性。由于避免了大量的分组重传，分组传输时延也相应降低。(5)由于移动网络中的随机误码、切换丢包以及带宽不匹配，将误导TCP 拥塞控制机制降低发送速率，严重影响TCP 协议的性能。本文首次提出了基于中继窗口概念的移动网络TCP 性能优化控制策略，通过在无线网络与有线网络的交界处设立中继窗口，在传输层建立三个窗口的TCP 滑动窗口连接控制机制，维持了TCP 端到端语义。利用中继窗口的隔离作用，有效地区分网络拥塞和无线链路差错；依据无线资源和TCP 连接的反馈信息，利用中继窗口共同控制传输速率，均衡不同链路间的带宽差异，避免在交界处出现分组溢出；通过对中继窗口的信息复制，减少因切换造成的数据丢失和速率下降。仿真实验表明，该方案能够适应移动网络的特点，具有较高的吞吐量。