基于QoS保证的无线Ad hoc网络调度技术研究

【摘要】近年来,无线Adhoc网络凭借其便捷性、及时性和移动性等特点得到了广泛关注与应用。而这些特点也为Adhoc网络协议与算法的设计带来了难度。为了保证服务质量(QualityofService,QoS),需要在开放式系统互联(OpenSystemInterconnection,OSI)模型中为每一层设计适合Adhoc网络的算法和层间协议。传统的无线网络媒体接入控制机制IEEE802.11MAC协议无法提供实时业务的QoS保证,因此需要在802.11协议框架下设计基于QoS保证的分组业务调度策略以提高Adhoc网络系统整体性能。调度策略设计作为Adhoc网络及下一代无线网络通信发展的一项关键技术,有效地减少了链路干扰和冲突,控制了队列拥塞,增大了网络容量,以全局的方式实现网络资源的优化配置。因此,在无线网络中,基于优化的思想,在保证特定QoS性能指标的前提下分时隙的完成分组调度,对有效改善无线Adhoc网络性能具有重要意义。本论文以排队论和资源分配理论为基础,提出一套基于吞吐量和端到端平均时延保证的调度性能评估方法,并从理论分析和实际应用两方面对调度策略原理进行深入研究,考虑各种网络环境,针对不同实现方式提出基于不同QoS保证的调度算法。此外,在多跳多路径业务流情况下,提出了基于吞吐量保证的跨层联合方案,为下一代无线通信网络协议设计提供了一定的理论依据和技术基础。本论文的主要工作和技术创新如下：第一,针对单跳信息传输网络,根据分组调度不同的实现方式,分别就集中式与分布式调度策略进行数学建模。而后,针对多跳多路径网络环境,建立了基于吞吐量保证的跨网络层路由选择和链路层调度的跨层联合方案模型。该模型将网络层与链路层联系起来,通过层与层之间的相互合作提高系统整体性能。建立调度模型之后,以排队论、马尔科夫理论为基础,基于李雅普诺夫分析法提出了一套调度策略性能评估理论框架,通过对整个网络系统的稳定性分析考察调度算法或跨层联合方案的吞吐量和端到端平均时延这两项重要的QoS性能指标。此框架是分组调度研究的方法论,用于分析在不同网络环境和流量模型下网络系统的稳定性、调度算法的吞吐量和平均时延性能,具有重要的理论指导意义。第二,根据集中式调度模型和调度算法性能评估理论框架,在无线单跳Adhoc网络环境中,提出了基于时延改进的最大权重调度算法(Delay-enhancedMaxmumWeightScheduler,DMWS).该算法基于系统负载因子ρ优化了调度权重。通过使用李雅普诺夫分析法,证明了DMWS可以保证较之经典的最大权重调度(MaximumWeightScheduler,MWS)更紧的端到端平均时延。同时DMWS被证明可实现最大吞吐量容量区域,即吞吐量最优。第三,考虑单接口多信道网络场景和单跳流量模型,提出了基于随机接入和退避时间技术的低复杂度分布式信道分配与调度联合控制策略(Low-complexityDistributedChannel-assignmentandSchedulingAlgorithm,LDCSA)。在LDCSA中,采用速率比分配方式进行数据流量分配,将数据包合理的分配至各信道队列。在信道分配与调度阶段,采用一种基于概率的竞争接入策略,该策略需要链路之间的信息交互,这种信息交互可由RTS/CTS机制实现。使用李雅普诺夫分析法可以证明LDCSA可以保证稳定的吞吐量容量区域。同时,LDCSA的实现复杂度不随网络规模大小和可用信道个数的改变而改变,适合大规模网络系统应用。最后,在无线多信道Adhoc网络中考虑多跳多路径流量环境,即每个数据源节点到目的节点有多个备选多跳路径供数据传输。在这种环境下,需要将网络层路由选择与链路层调度策略结合起来,设计基于QoS保障的跨层联合方案,以保证系统整体性能。根据本文提出的跨层联合方案理论框架,分别针对多接口多信道网络和单接口多信道网络设计了基于吞吐量保证的跨层联合方案：改进版多路径(Multi-Path,MP)方案、分布式路由与信道分配与调度(DistributedRouting,Channel-assignmentandScheduling,DRCS)方案和多路径LDCSA方案(Milti-pathLDCSA,M-LDCSA)。其中改进版MP方案是对现有多接口多信道网络跨层MP方案的一般性改进,取消了原始MP方案中不合理的假设条件。而针对单接口多信道网络,DRCS和M-LDCSA分别是对现有的基于单跳网络的速率比最大多信道调度算法(Rate-ProportionalMaximalMulti-ChannelScheduler,RPMMC)和LDCSA调度的多跳多路径扩展。本文提出的跨层联合方案综合考虑了路由选择问题和调度问题,基于调度算法合理的设计了路由选择机制,保证了整体吞吐量性能。
【作者】张帆；
【导师】曹叶文；
【作者基本信息】山东大学，通信与信息系统，2014，博士
【关键词】Qos保证；Adhoc网络；多信道网络；吞吐量容量区域；调度算法；端到端平均时延；跨层联合方案；

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