無線城域網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量機(jī)制和算法研究.pdf

1、無線城域網(wǎng)IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)針對固定和移動(dòng)的城域無線網(wǎng)絡(luò)提供用戶站(SS)和基站(BS)間的寬帶無線接入(BWA)技術(shù)，具有快速部署、高靈活性、高吞吐量和支持移動(dòng)性的特點(diǎn)。為了保證無線寬帶環(huán)境下的系統(tǒng)性能和業(yè)務(wù)通信質(zhì)量，IEEE 802.16網(wǎng)絡(luò)采用TDM/TDMA時(shí)分多址接入方式和集中式的BS管理模式，同時(shí)提出了明確而詳細(xì)的針對業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求，如帶寬和時(shí)延。但是標(biāo)準(zhǔn)只提出QoS規(guī)范，并不涉及QoS的實(shí)現(xiàn)方案和具

2、體機(jī)制。因此，研究合理的整體QoS架構(gòu)模型和性能優(yōu)越的QoS機(jī)制來提供業(yè)務(wù)流的區(qū)分和公平，提高系統(tǒng)的吞吐量和時(shí)間資源的利用率就成為實(shí)現(xiàn)和推廣IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)急需解決的問題。針對這些情況，本文在全面分析國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，圍繞著保障網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流的QoS要求和提高系統(tǒng)性能，在QoS架構(gòu)模型、固定和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的BS接納控制、BS帶寬分配、BS和SS隊(duì)列管理等方面進(jìn)行深入研究，提出相應(yīng)的方案和算法。 本文首先研究了IEEE

3、 802.16標(biāo)準(zhǔn)QoS和MAC層的設(shè)計(jì)規(guī)范、性能要求，提出詳細(xì)的 QoS架構(gòu)模型，為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和進(jìn)一步的研究提供指導(dǎo)和依據(jù)；接著針對IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于固定網(wǎng)絡(luò)的QoS設(shè)定，針對其中的分類業(yè)務(wù)區(qū)分和公平性問題，提出了基于分類的權(quán)重公平自適應(yīng)接納控制算法(WFAC)；然后針對IEEE 802.16e移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分類更加復(fù)雜，SS調(diào)制速率隨信道質(zhì)量自適應(yīng)改變的特點(diǎn)，提出了基于收益率參數(shù)的自適應(yīng)接納控制算法(UAC)和簡化計(jì)算的

4、改進(jìn)算法(EUAC)；之后針對IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)中的帶寬分配機(jī)制，提出了基于對數(shù)效用函數(shù)的效用最大化帶寬分配算法和其快速解法，關(guān)注于系統(tǒng)的效率、吞吐量和公平；最后研究了網(wǎng)絡(luò)中QOS要求和時(shí)分接入方式對隊(duì)列的影響，提出了基于自適應(yīng)令牌桶的權(quán)重公平的隊(duì)列管理算法(ATQM)，公平地保障了業(yè)務(wù)流的帶寬和時(shí)延要求。 本文的主要貢獻(xiàn)包括以下幾個(gè)方面： (1)全面分析了已有的國內(nèi)外IEEE 802.16 QoS研究成果，將形

5、成一定研究構(gòu)架和體系的研究成果分為QoS整體架構(gòu)模型；BS端的業(yè)務(wù)流接納控制；多業(yè)務(wù)類型下的隊(duì)列調(diào)度；移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的切換方案等四類。隨后在分析已有的 IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)QoS架構(gòu)模型和研究標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)參數(shù)和信息設(shè)定規(guī)范的基礎(chǔ)上，提出了符合標(biāo)準(zhǔn)定義和要求的整體QoS架構(gòu)模型。該模型指出了各QoS模塊的定義、功能和實(shí)現(xiàn)方案，給出了詳細(xì)的管理信息和原語流程設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和進(jìn)一步的研究提供指導(dǎo)和依據(jù)。(2)建立了IEEE 802.16固

6、定網(wǎng)絡(luò)BS端的接納控制模型，并提出了基于分類業(yè)務(wù)的權(quán)重公平自適應(yīng)接納控制算法(WFAC)。該算法對業(yè)務(wù)流類型、優(yōu)先級區(qū)分按權(quán)重分類，其接納概率遵循權(quán)重公平原則，同時(shí)能夠自適應(yīng)地調(diào)節(jié)區(qū)分策略以保護(hù)高權(quán)重業(yè)務(wù)并充分利用系統(tǒng)時(shí)隙。仿真結(jié)果表明在不同的負(fù)載下算法對各種業(yè)務(wù)都表現(xiàn)出權(quán)重公平的接納率，且在充分利用了系統(tǒng)可分配時(shí)隙的同時(shí)保持很低的業(yè)務(wù)流降級率，保障了己接納業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。 (3)建立了IEEE 802.16e移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)BS端的接

7、納控制模型，并提出基于收益率參數(shù)的自適應(yīng)接納控制算法(UAC)和簡化計(jì)算的改進(jìn)算法(EUAC)。針對移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)SS能夠自適應(yīng)地根據(jù)信道質(zhì)量調(diào)整調(diào)制速率的機(jī)制和業(yè)務(wù)分類、優(yōu)先級進(jìn)一步細(xì)化的情況，該算法將業(yè)務(wù)流的速率和權(quán)重統(tǒng)一為收益率參數(shù)，新業(yè)務(wù)流的接納概率取決于自己的收益率和表征系統(tǒng)業(yè)務(wù)構(gòu)成情況的系統(tǒng)收益率。仿真結(jié)果表明算法與傳統(tǒng)的截止門限方式相比，具有高收益、高吞吐量、高時(shí)隙利用率和低降級率，并可以根據(jù)負(fù)載變化改變策略，對不同收益率的業(yè)務(wù)

8、流在接納率上表現(xiàn)出合理區(qū)分。 (4)根據(jù)IEEE 802.16的帶寬分配機(jī)制建立了BS端帶寬分配模型，隨后提出了基于對數(shù)效用函數(shù)效用最大化的帶寬分配算法和其快速解法。算法靈活地根據(jù)業(yè)務(wù)流權(quán)重、速率、帶寬要求等區(qū)別，有效而公平地做出分配，提高系統(tǒng)的吞吐量和效用。其快速解法給出簡化的計(jì)算方法，可實(shí)現(xiàn)性好。仿真結(jié)果表明，算法在吞吐量和效用上均較最大最小帶寬分配具有明顯的優(yōu)勢，可以靈活地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境做出高效而公平的分配。算法還可以調(diào)整效