無線Mesh網(wǎng)絡(luò)高效公平接入控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著無線通信新業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，對(duì)無線局域網(wǎng)(WLAN)、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(WMN)和蜂窩無線網(wǎng)的性能要求不斷提高，如傳輸速率、頻譜效率和服務(wù)質(zhì)量等。由于無線、移動(dòng)和多跳等特性，在設(shè)計(jì)WMN時(shí)，傳統(tǒng)的基于單跳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議機(jī)制已無法滿足網(wǎng)絡(luò)的性能要求。IEEE802.11s作為WMN的標(biāo)準(zhǔn)，其主要特征之一是WMN的主要功能在鏈路層實(shí)現(xiàn)，更依賴MAC地址而不是IP地址。因此，MAC層技術(shù)是否有效是能否改善網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的重要因素。IEEE802.

2、11s以IEEE802.11e的EDCA作為接入控制基礎(chǔ)，在面臨實(shí)時(shí)流媒體等業(yè)務(wù)的高QoS需求時(shí)，現(xiàn)有的接入控制機(jī)制面臨著一系列的問題，例如公平性差、未考慮業(yè)務(wù)分集、帶寬利用率低等問題。本文在WMN環(huán)境下，針對(duì)話音、流媒體及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等各種業(yè)務(wù)類型的不同服務(wù)質(zhì)量(QoS)需求，結(jié)合價(jià)格激勵(lì)機(jī)制、博弈論及排隊(duì)論等相關(guān)理論，對(duì)接入控制策略、擁塞策略、幀聚合策略、接入允許控制策略等MAC層的相關(guān)增強(qiáng)技術(shù)問題進(jìn)行了深入研究，以改善MAC層效率低下

3、問題，實(shí)現(xiàn)WMN在信道資源利用率、QoS保證和公平性間達(dá)到一種良好的平衡。
　　首先，針對(duì)WMN的特性及相關(guān)限制條件對(duì)擁塞控制策略進(jìn)行了研究。主要解決兩個(gè)核心問題，一是如何設(shè)計(jì)有效緩解本地?fù)砣膿砣刂撇呗裕苊廪D(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)因本地?fù)砣斐傻木W(wǎng)絡(luò)性能惡化的現(xiàn)象。二是如何在QoS保證與業(yè)務(wù)公平性之間找到合適的平衡點(diǎn)。基于價(jià)格機(jī)制，提出了兩種針對(duì)單信道WMN的逐跳擁塞控制策略。第1種以IEEE802.11s標(biāo)準(zhǔn)草案提出的擁塞控制框架為基礎(chǔ)，

4、在監(jiān)測(cè)擁塞和本地速率控制過程中引入動(dòng)態(tài)價(jià)格函數(shù)和新的速率控制模型，以改進(jìn)擁塞控制的有效性和改善網(wǎng)絡(luò)吞吐量等性能。第2種擁塞控制策略同時(shí)考慮MAC層時(shí)間限制和二進(jìn)制干擾模型限制，使系統(tǒng)中總的流效用之和達(dá)到比例公平。將傳輸失敗比率作為網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的準(zhǔn)則之一，引入到擁塞價(jià)格函數(shù)中。通過改變物理層不同的調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)傳輸速率控制。此外，還考慮了節(jié)點(diǎn)內(nèi)部各個(gè)流的調(diào)度策略以保證各個(gè)流的QoS需求和公平性。與傳統(tǒng)鏈路層考慮的單跳流量控制策略與傳統(tǒng)傳輸層

5、端到端的擁塞控制策略不同，本文提出的兩種擁塞控制策略涉及了各個(gè)流路徑上各跳節(jié)點(diǎn)的聯(lián)合速率調(diào)節(jié)，是廣義擁塞控制問題。仿真分析結(jié)果表明，本文提出的這兩種擁塞控制策略是有效的，能夠顯著緩解擁塞及低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流的饑餓狀態(tài)，同時(shí)改善系統(tǒng)平均時(shí)延和平均吞吐率等性能指標(biāo)。
　　其次，本文在MAC層接入控制方面進(jìn)行了研究。分析了現(xiàn)有IEEE802.11e MAC機(jī)制中高優(yōu)先級(jí)流媒體業(yè)務(wù)在競爭資源時(shí)對(duì)低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的“捕獲效應(yīng)”導(dǎo)致的不公平問題。采用

6、業(yè)務(wù)分集和動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)思路重點(diǎn)研究在網(wǎng)絡(luò)帶寬飽和，且有多種媒體業(yè)務(wù)競爭接入時(shí)，如何平衡各種業(yè)務(wù)的QoS與公平性之間的矛盾，防止高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)過度占用信道資源。提出了基于帶寬占用時(shí)間比的單準(zhǔn)則公平接入控制算法和多準(zhǔn)則動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)公平接入控制算法。通過打破802.11e EDCA中定義的固定優(yōu)先級(jí)限制，動(dòng)態(tài)調(diào)整各業(yè)務(wù)類型優(yōu)先級(jí)的思路來提高不同業(yè)務(wù)流對(duì)信道帶寬資源訪問的公平性。仿真分析結(jié)果表明，兩種算法均能在保證不同業(yè)務(wù)的QoS需求基礎(chǔ)上有效改善低

7、優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)對(duì)信道訪問的不公平現(xiàn)象，并改善吞吐量率、丟包率等其他指標(biāo)。
　　近年來，幀聚合技術(shù)在以太網(wǎng)、光網(wǎng)絡(luò)，3G網(wǎng)絡(luò)和WMN等多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。以提升傳輸速率為目標(biāo)的IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)在MAC層采用了幀聚合策略，被認(rèn)為是在保持現(xiàn)有協(xié)議改動(dòng)最小的前提下，提高M(jìn)AC層吞吐率和帶寬利用率一種最行之有效的方法。本文針對(duì)現(xiàn)有研究成果很少關(guān)注對(duì)區(qū)分業(yè)務(wù)下的幀聚合策略的現(xiàn)狀，從區(qū)分不同業(yè)務(wù)類型QoS需求及有效提高系統(tǒng)性能的角

8、度出發(fā)，對(duì)幀聚合技術(shù)進(jìn)行了研究?；谂抨?duì)論模型提出了兩種幀聚合策略。第1種策略采用比例公平和兩級(jí)緩沖區(qū)調(diào)度思想，根據(jù)各個(gè)隊(duì)列的包超時(shí)緊迫因子來動(dòng)態(tài)調(diào)整各個(gè)隊(duì)列的聚合權(quán)重值，以滿足各個(gè)QoS等級(jí)業(yè)務(wù)的最大時(shí)延需求。建立了區(qū)分業(yè)務(wù)場景下系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析模型，采用集中參數(shù)替代和逼近的方法進(jìn)行求解，定量分析了隊(duì)列平均長度、包平均逗留時(shí)間等主要性能參數(shù)與系統(tǒng)負(fù)載的關(guān)系。第2種是基于靜態(tài)定價(jià)和效用的幀聚合策略策略，以平均時(shí)延作為主要的QoS約束指標(biāo)，

9、同時(shí)從用戶效用和網(wǎng)絡(luò)效用兩個(gè)方面研究了價(jià)格及網(wǎng)絡(luò)效用的優(yōu)化問題，分析了包平均到達(dá)率與平均時(shí)延的關(guān)系。數(shù)值分析和仿真比較結(jié)果表明本文所提出的兩種幀聚合策略可以有效提高系統(tǒng)平均吞吐量，降低端到端平均時(shí)延。
　　最后，本文對(duì)WMN環(huán)境下用戶站(STA)與Mesh接入點(diǎn)(MAP)之間的接入允許控制策略的博弈問題進(jìn)行了探討。WMN和WLAN中接入允許控制機(jī)制是實(shí)現(xiàn)公平資源調(diào)度和負(fù)載均衡的關(guān)鍵點(diǎn)。STA與MAP在接入控制過程中將面臨選擇合適接

10、入點(diǎn)的問題，雙方均追求各自利益的最大化，通過目標(biāo)約束和決策函數(shù)達(dá)到資源分配和優(yōu)化的目的。該問題可看作一個(gè)最優(yōu)接入允許控制策略選擇的博弈過程，是否接入將取決于所依據(jù)的決策因子。本文基于價(jià)格策略和博弈論，從用戶和網(wǎng)絡(luò)兩方面著手，將該接入過程建模為STA和MAP之間的非零和、非合作、混合策略博弈模型。為MAP和STA分別設(shè)計(jì)了三個(gè)因子作為決策的依據(jù)，給出了STA和MAP端的混合策略概率函數(shù)的定義，并采用層次分析法(AHP)分析了各個(gè)因子的權(quán)值