移动WiMAX网络中跨层的保证QoS解决方案研究

摘要

随着无线网络和无线移动设备的飞速发展，宽带无线接入(BWA)的需求量越来越大。移动在线支付和移动电子商务等关键应用和多媒体应用在无线移动网络中比比皆是。无线移动信道具有传播开放，接收环境复杂，用户随机移动的特性。WiMAX网络作为一种宽带无线接入技术，受到业界的普遍关注和青睐。日益增长的用户业务需求与无线资源的稀缺性之间的矛盾对无线资源管理问题提出了新的挑战;用户高速接入需求与无线信道时变特性之间的矛盾对提供QoS保证算法提出了更高的要求。在移动WiMAX网络中有效保证用户的QoS要求是亟待解决的问题。
　　本文从跨层QoS保证框架研究入手，在验证分析了移动WiMAX网络业务流具有长相关特性的基础上，提出了自相似的接纳控制算法;为了发挥无线信道的多用户分集增益，提出了信道感知的实时业务流的调度算法和非实时业务流的调度算法，并对调度算法进行了稳定性分析，系统地解决了移动WiMAX网络中保证用户多业务QoS的关键算法有效性问题。
　　论文的主要工作和研究成果表现在以下几个方面:
　　(1)研究移动WiMAX系统业务流的特性。首先，研究可用于分析业务流特性的方法，认为小波估计法具有较好的分析精确度，并通过试验和理论推导，反复选择小波消失矩和优化尺度参数的范围，减小这些因素对检测结果的影响。其次，利用ON/OFF模型仿真移动WiMAX网络中五种不同类型业务流，使用小波估计法对模型产生的trace文件进行分析。实验分析结果表明，实时业务流的长相关性比较小，非实时业务流的长相关性相对较大，随着网络负载的增大，业务流的长相关性会略有变化，聚合业务流的长相关性的检测值与理论值基本吻合。业务流的长相关性建模比传统的流量建模方法能更精确描述业务流的本质特征，业务流的长相关性对设计网络的呼叫接纳控制算法、提供网络服务质量(QoS)保证、网络安全和改善网络的性能等方面具有重要意义。
　　(2)设计跨层的提供QoS保证解决方案。为了增强提供QoS保证算法的有效性，用多用户分集增益的思想，提出一跨层的提供QoS保证的调度方案。设计出与框架相适应的接纳控制算法和机会调度算法。根据移动WiMAX业务流的长相关特性，提出了自相似的接纳控制算法来控制系统中的连接数目。为了保证实时业务流的时延要求，提出对上行实时业务采用预测的LWDF调度算法;为了满足非实时业务流调度公平性，对上行非实时业务采用预测的PF调度算法。仿真实验表明，跨层调度方案能根据无线信道的时变特性，动态调整调度算法的调度行为，发挥了无线信道的多用户分集增益优势，提高了系统的吞吐量，降低了呼叫阻塞率。
　　(3)设计移动WiMAX系统的接纳控制算法。以移动WiMAX系统业务流长相关特性为基础，提出用M/Pareto模型来对网络业务流进行建模，通过M/Pareto模型和FBM业务流模型之间统计性质得到两个模型间参数映射关系，推导出基于M/Pareto模型参数的有效带宽计算公式，据此设计出一个自相似接纳控制算法(SS-CAC)。该算法避免了通过测量的方法来获取FBM业务流模型中参数值，又适应了移动WiMAX网络流自相似这一特性，使得计算的有效带宽更加精确和快捷，提高了系统资源利用率。仿真结果表明，该算法可提高网络的带宽利用率，降低了系统的呼叫阻塞率。
　　(4)设计业务流的资源调度算法。为了获得多用户分集增益，更好地发挥自适应调制编码(AMC)的作用，针对系统的实时业务流，采用最大加权时延优先调度算法M-LWDF，以适应时延的要求;对非实时业务流，采用调度算法PF，以满足用户的公平性。为了减小瞬时速率的影响，采用马尔可夫预测模型对M-LWDF和PF进行改进，通过预测下一时隙的信道速率，平滑瞬时速率的影响，并据此设计了预测的M-LWDF调度算法(Pre-LWDF)和预测的PF调度算法(Pre-PF)。通过子信道无关性和Markov链的聚合性降低预测模型转换矩阵的维数，提高计算速度。仿真结果表明，该调度方案保证了实时业务流的服务质量，提高了系统的平均吞吐量和公平性，减小了系统的振荡性;保证了非实时业务流的服务质量，提高了系统的平均吞吐量和公平性，减小了系统的振荡性，防止出现“饥饿”现象。
　　(5)分析证明预测调度算法具有稳定性。提出用Lyapunov Drift稳定性理论证明Pre-LWDF调度算法的分组级稳定性，用Markov链建模一无线时变信道，该调度算法在各个用户间调度实时业务流，这样，移动WiMAX网络在PMP模式下形成了一个M/G/1的排队系统。根据队列理论计算推导出移动WiMAX网络的信道容量域和系统的稳定域，用Lyapunov Drift稳定性理论分析证明Pre-LWDF调度算法具有分组级稳定性。进一步在NS2仿真平台上搭建一个移动WiMAX网络仿真环境，验证Pre-LWDF调度算法的稳定性。同时也验证接纳控制算法和调度算法的有效性，进而验证系统的整体性能。另一方面，在调度算法PF具有流级稳定性的基础上，利用流极限理论分析了Pre-PF算法同样具有流级稳定性。
　　(6)仿真实现了跨层提供QoS保证的框架。为了验证和分析本文提出的跨层提供QoS保证的框架、接纳控制算法和调度算法，在NIST移动WiMAX仿真平台上，引入包含QoS的移动WiMAX模块。在此基础之上，按照跨层提供QoS保证的框架，仿真实现了具有长相关特性的五种业务流、自相似的接纳控制算法和信道感知的预测调度算法。仿真试验分析表明，跨层的提供QoS保证框架及其相关算法不仅具有适用性，更在系统的吞吐量和时延等性能方面有所提高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 移动WiMAX网络

1．1．2 移动WiMAX与WiFi的差别

1．1．3 服务质量(QoS)

1．1．4 移动WiMAX网络的服务质量

1．1．5 移动WiMAX网络中的跨层优化

1．2 研究现状及存在问题

1．2．1 移动WiMAX的QoS研究现状

1．2．2 存在的问题

1．3 研究目标与内容

1．3．1 研究目标与研究方法

1．3．2 研究工作和主要贡献

1．3．3 研究内容

1．4 组织结构

第二章 提供QoS保证解决方案研究思路

2．1 概述

2．2 WiMAX体系结构

2．3 IEEE802．16e标准中提供QoS保证的解决方案

2．3．1 移动WiMAX的CAC方案

2．3．2 移动WiMAX的调度方案

2．4 跨层的提供QoS保证的解决方案

2．5 提供QoS保证方案设计

2．5．1 提供QoS保证的CAC方案

2．5．2 提供QoS保证的调度方案

2．6．2 移动WiMAX切换过程

2．6．3 切换算法

2．7 本章小结

第三章 移动WiMAX网络业务流特性分析

3．1 概述

3．2 平稳增量二阶自相似过程的判定及性质

3．3 业务流的长相关性参数估计算法

3．4 Hurst参数的小波估计法

3．4．1 小波分析理论

3．4．2 小波估计法理论基础

3．4．3 Hurst参数的小波估计法AV

3．5 移动WiMAX业务流的仿真及特性分析

3．5．1 仿真参数设置

3．5．2 同种业务流的仿真及特性分析

3．5．3 混合的业务流仿真及特性分析

3．6 本章小结

第四章 移动WiMAX网络中自相似呼叫接纳控制算法

4．1 概述

4．2 理论基础分析

4．2．1 自相似过程分形布朗运动

4．2．2 自相似网络模型FBM流量预测

4．2．3 M／Pareto模型及其自相似性

4．3 移动WiMAX系统中的业务流模型

4．3．1 业务流的建模思想

4．3．2 系统业务流参数设置

4．3．3 聚合业务流ON／OFF模型

4．4 自相似的呼叫接纳控制(SS-CAC)算法

4．4．1 算法思想

4．4．2 算法描述

4．5 自适应的带宽预留算法

4．6 算法仿真与分析

4．6．1 仿真参数设置

4．6．2 CAC仿真结果分析

4．6．3 自适应BR算法仿真结果分析

4．7 本章小结

第五章 移动WiMAX中马尔可夫预测调度算法

5．1 概述

5．2 研究背景

5．3 WiMAX移动信道的传输速率预测

5．3．1 马尔可夫链

5．3．2 马尔可夫链的聚合性(Lumpability)

5．3．3 有限状态马尔可夫信道模型

5．3．4 马尔可夫链预测SS的传输速率

5．4 实时业务流预测的LWDF分组调度算法Pre-LWDF

5．5 Pre-LWDF算法性能分析

5．5．1 性能分析指标

5．5．2 仿真结果及分析

5．6 非实时业务流预测的PF分组调度算法Pre-PF

5．6．1 Pre-PF分组调度算法思想

5．6．2 Pre-PF分组调度算法

5．7．1 性能分析指标

5．7．2 预测的PF算法实用性分析

5．7．3 仿真结果及分析

5．8 本章小结

第六章 移动WiMAX网络预测调度算法稳定性分析

6．1 概述

6．2 调度算法的稳定性

6．2．1 调度算法稳定性的相关概念

6．2．2 调度算法稳定性分析方法

6．3 Pre-LWDF调度算法稳定性分析

6．3．1 系统建模与稳定域

6．3．2 Pre-LWDF算法稳定性分析

6．4 Pre-LWDF调度算法稳定性验证

6．4．1 参数设置

6．4．2 仿真结果分析

6．5 Pre-PF调度算法稳定性分析

6．6 本章小结

第七章 移动WiMAX中跨层提供QoS保证解决方案仿真实现

7．1 概述

7．2 NS2移动WiMAX系统

7．2．1 NS2中保留部件与NIST移动WiMAX的关系

7．2．2 在移动WiMAX仿真中提供QoS保证的五个主要模块

7．3 NIST的移动WiMAX QoS模型

7．3．2 包含QoS的移动WiMAX扩展模块

7．3．3 信道模型和链路自适应

7．4 跨层QoS保证解决方案仿真实现

7．4．1 分组分类器的扩展

7．4．2 自相似接纳控制算法实现

7．4．3 信道感知的预测调度算法实现

7．5 切换过程仿真实现

7．6 性能分析评估

7．6．1 仿真参数设置

7．6．2 仿真结果分析

7．7 本章小结

第八章 论文总结和未来工作

8．1 论文结论

8．2 未来工作

参考文献

致谢

附录