基于QBD结构的网络端到端通信性能建模与分析研究

摘要

网络端到端通信主要研究发送节点通过一个不可靠的网络向接收节点发送一系列报文的问题，是网络端到端通信协议及分布式计算的核心内容。端到端通信协议为了满足通信的性能要求，通常希望能够精确地预测通信信道的状态，并根据信道状态自动调整通信协议的行为，而信道状态预测的准确性通常依赖于信道系统分析模型。然而，不同网络通信组件交互行为的差异导致了网络通信的复杂性和不可预测性。这些复杂的网络交互行为，导致网络队列机制变得异常复杂，使得对这些网络系统进行性能分析非常困难。因此，设计一个新的、系统的方法用于分析网络端到端通信信道的性能是当前网络性能优化与管理的核心内容。
　　 本文以网络端到端通信信道与通信瓶颈区域为研究内容，基于QBD随机结构设计、建立了概率丢包网络端到端通信信道丢包性能、无线通信信道状态可达性、无线多跳端到端通信性能及大规模无线网络通信瓶颈区域性能的分析模型，提出了系统的分析方法。主要内容包括：
　　 (1)概率丢包网络(PLCN)端到端通信系统丢包性能分析；通信系统丢包行为精确描述和预测是设计丢包模型的首要目标，已有的丢包分析模型由于状态空间的限制，无法描述通信信道状态之间的相关性。本研究基于QBD结构分析了概率丢包网络端到端通信信道处于平衡状态下的随机特性，建立了PLCN端到端通信信道性能分析模型。基于该分析模型，首次讨论了PLCN端到端通信信道系统的稳定性、丢包概率等性能的定量分析技术。这些研究成果有助于网络端到端通信协议根据信道状态信息，自适应地调整其控制行为，提高通信协议性能。
　　 (2)无线丢包信道系统(WLCS)状态可达性的概率分析；基于PLCN，利用连续时间QBD结构讨论了WLCS状态可达性概率分析模型的建模过程。在PLCN模型的基础之上，WLCS模型进一步考虑了报文丢失方式及状态转移规则对状态转移概率的影响。为计算WLCS模型的状态可达性概率，证明了WLCS模型状态集S0是其QBD结构的一个吸引子(attractor)。WLCS模型的主要优点是可以进行有关稳态和瞬时状态概率的定量描述与分析，为研究无线端到端通信系统的通信性能奠定了基础。
　　 (3)无线多跳网络中端到端丢包信道(E2E-CSLC)性能建模与分析；基于QBD结构提出了E2E-CSLC性能定量分析模型，与WLCS模型的主要区别在于，E2E-CSLC模型考虑了中间转发节点的状态对通信信道性能的影响。基于E2E-CSLC系统模型，分析了E2E-CSLC系统的丢包率、报文时延及吞吐量等性能，这些研究成果有利于设计及优化端到端通信协议。
　　 (4)大规模无线网络通信瓶颈区域(即(x，S)-bottleneck区域)性能分析；由于通信流之间复杂的网络交互行为，使得对(x，S)-bottleneck区域进行性能分析非常困难。基于两层QBD结构，提出了一个(x，S)-bottleneck区域性能分析模型，并分析了大规模无线网络中(x，S)-bottleneck区域性能特征。模型主要创新点在于同时考虑了(x，S)-bottleneck区域及其中通信流的特征，(x，S)-bottleneck区域的特征通过第一层QBD模型描述，而经过(x，S)-bottleneck区域每条流的特征由第二层QBD模型描述。基于该性能分析模型，对(x，S)-bottleneck区域的性能进行了一些概率分析，如经过(x，S)-bottleneck区域通信流的成功转发概率和吞吐量等，确定了上述概率及吞吐量的理论取值范围。
　　 论文对网络端到端通信信道建模与分析技术进行了深入研究，提出了端到端通信信道及通信瓶颈区域基于连续时间、无穷状态空间QBD结构建模与分析的系统方法，这些研究成果克服了目前信道建模技术存在的局限，有助于网络端到端通信系统及通信瓶颈区域性能的分析与优化，为自适应端到端通信协议的设计及其性能改进提供了重要的理论分析基础和依据。