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《华中科技大学》 2004年
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数据包在无线网络中调度策略的研究

蒋纲  
【摘要】:作为二十一世纪全球信息技术发展重要标志的无线通信技术,目前已进入以数据、视频和多媒体业务为主的第三代宽带多媒体网络阶段。第三代无线通信的目的是使移动用户在任何时间地点都能无缝地获取视频、音频、数据的服务。然而,移动用户日益增多,无线网络介质的特殊局限性使网络提供的服务质量成为瓶颈。在诸多影响QoS的因素中,数据包调度是最细致的,能直接影响数据流上行、下行的因素,因此是无线网络系统兑现服务质量承诺的核心构件。数据包调度的目标是在保证信道带宽资源的公平性的同时满足带宽资源最大限度的分配。目前,研究适合于信道出错、通道容量可变的无线网络理想流调度系统及其数据包调度算法是无线领域研究的一个热点问题。 数据包调度算法最先是从有线网络发展起来的,虽然在有线网络领域其应用已很成熟,但有线网络的理想流调度系统并不完全适用于无线网络,这是由无线网络的几个关键特性决定的:(1)无线信道出错是突发性的;(2)无线通道的容量和出错是位置相关的。因此,一般情况下只有部分数据流在通道上可以调度,这与有线网络中数据流要么都能调度要么都不能调度的情况不同。所以,在无线网络环境下,由于用户移动(小区切换)和无线网络信道出错的因素,使资源预定和数据包调度比有线网络更加复杂。 无线网络的公平排队是无线数据包调度算法的基础。无线公平排队的目标,是尽量逼近理想的无差错信道状态下的流体公平排队。这就要求对每个数据流提供有界的延迟和分离。在有线网络中,流体公平排队一直是为数据流间提供界定延迟的信道接入和分离的通用范例,能提供对积压数据流的长期公平和短期公平。然而,无线网络的特殊性要求其公平性的概念需要重新精确定义。本文在研究无线信道数据流特征的基础上,定义了适合于无线网络的公平服务模型,并对该模型的吞吐量,延迟,公平性及其补偿性能进行了理论分析。通过探讨无线公平排队中的关键问题,提出了设计无线公平排队算法的通用模型框架。 针对无线网络信道和数据流的特点,本文深入研究了无线公平排队模型中的补偿和惩罚机制,根据在实际中出现的突发性和位置相关的信道情况,将不同信道状态的数据流进行分离(超前/滞后/同步),通过延迟及交换不同数据流(有差错流和无差错流)对信道的使用权,对超前流进行惩罚和对滞后流实现补偿,从而使信道出错能对用户透明。其目的是使先前由于信道出错而滞后的数据流能够收回失去的服务,使超前流放弃曾获得的多余服务,从而获得满意的信道利用率和长期公平。付出的代价是获得不如理想公平排队的延迟、短期公平以及吞吐量保证。本文在理论分析和实验的基础上,定性和定量地分析了不同数据包调度算法的特点。 WP=5 提出了一种改进的独立于信道状态的无线公平算法。该算法充分利用了WGPS(无线通用处理器共享)模型中提高短期公平性的思想,对每个数据流都有一个随时间变化的共享服务。当信道状态变差时,该会话的共享服务随之增加。这种变化是有范围界定的,算法采用开始时间公平队列(STFQ)法来提供严格的延迟边界,用赋予每个数据流的动态的时变公平共享因子来适应不同数据流的QoS需要,在系统输出和公平性方面得到了良好的折中。针对算法中变长数据包对补偿过程带来的问题,引入了服务补偿系数和补偿计数器的概念,通过在信道出错时为数据流提供补偿计数器来存储一定量服务给补偿过程使用,从而有效提高了补偿的平缓度,并且通过增加有差错数据流的共享服务到某个预定值 来实现,使补偿服务的增加与数据包长度无关,避免了由于数据包长度不同带来的补偿问题。 本文研究了基础结构网络模式下的数据包调度策略,同时也对自组网(Adhoc)模式下,具有代表性的蓝牙个人网络的包调度策略进行了研究。目前,研究在Adhoc网络中的数据包调度是一个热点。两种结构下的调度都以无线公平调度模型为基础。在Adhoc网络中,数据流存在位置相关的信道争用问题,调度要考虑周围相邻节点以及拓扑关系的变化,因此,需要在信道共享与公平调度的基础上,进一步考虑节点在不同服务区域内的切换对数据流争用的影响。对于部分未争用的数据流,调度可以采用基础结构网络的调度模型和算法,而对空间争用的数据流的调度还需采用新的策略。为此,本文以典型的Adhoc网络-- 蓝牙个人网络为研究对象,通过对蓝牙匹克网和散网的数据包调度算法的研究,探讨了在无线信道争用和拓扑关系发生变化的情况下,如何实现调度的公平和信道的最大利用率。目前,大多数蓝牙网络调度算法研究的是如何从主节点轮询从节点,并尽可能协调不同节点以保证公平性和信道带宽利用率。而本文将研究重点放在网络拓扑变化和其它未预知情况下Adhoc网络内部固有的约束关系,通过建立约束状态模型,利用约束传播和约束耦合的特性,灵活有效地提高了蓝牙网络的数据包调度的效率,优化了吞吐量和公平性保证。并从仿真实验的角度验证了算法的有效性。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TN925

【引证文献】
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