无线MESH网络资源调度算法与QoS保障机制研究

【摘要】： Wireless Mesh Network (WMN)是无线Ad Hoc网络在组网结构、通信机制等方面的扩展。以往对Ad Hoc网络及IP网络的研究成果可以作为参考,但不能完全适用于WMN。WMN在网络结构、网络容量、物理层、MAC层、资源调度、路由协议、QoS(Quality of Service)保障等方面出现了许多新课题,而这些课题是WMN实现大规模应用的关键环节。 WiMAX Mesh网络作为主流WMN网络,在资源调度与QoS保障方面仍存在一些问题需要解决。IEEE 802.16为WiMAX Mesh模式定义了三种网络资源调度机制,即协同集中式调度、协同分布式调度、非协同分布式调度,但是规范中对各种调度机制并没有给出完整的实现方案,对于实际组网所关心的网络稳定性、容灾性问题,以及对网络新技术如OFDMA等的引入等都没有给出明确的定义。在QoS保障方面,虽然IEEE 802.16标准为点到多点PMP模式在MAC层定义了若干QoS级别和保障方案,但是对WiMAX Mesh模式,在规范中却没有定义类似于PMP模式的QoS级别和保障机制。由于Mesh网络固有的多跳属性给相关机制的设计和实现造成一定困难,使得WiMAX Mesh难以支持端到端的QoS,从而对WiMAX Mesh技术投入实际应用造成了障碍。 本文以WiMAX Mesh为研究重点,分析了业界在WMN资源调度和QoS保障方面的研究现状,结合WiMAX Mesh网络技术特点,以提高资源利用率,实现端到端QoS保障为目标,提出了一系列优化算法和保障机制,并通过理论分析和实验仿真进行了验证。本论文的主要成果和创新点包括以下6点: (1)系统分析主要WMN网络(包括WiFi Mesh和WiMAX Mesh)的技术原理,总结网络容量、资源调度和QoS保障的研究现状和存在问题。本文对WMN网络的物理层、MAC层、组网方案、网络接入、拓扑控制、调度算法、QoS保障机制等方面的工作原理进行了深入调研,这是开展WMN网络资源调度和QoS保障研究工作的理论基础。 (2)根据WiMAX Mesh网络流量特性,首次提出一种网络流量预测新方法(WARPA)。在对WiMAX Mesh网络流量特性进行分析的基础上,本文提出了一种基于小波变换和AAR模型的WiMAX Mesh网络流量预测新方法。仿真实验的结果表明,本方法的预测精度较高,运算量适中,适合于对网络流量进行准确预测。 (3)在(1)的基础上,提出一种多出口WiMAX Mesh组网方案和资源调度算法(MEMSA)。本文分析了WiMAX Mesh网络的调度机制和单出口WiMAX Mesh网络在吞吐量和容灾性方面存在的问题,提出了一种多出口组网方案,并在该方案基础上提出了一种全局最优的资源调度算法,以及把该算法在WiMAX Mesh网络实施的详细步骤。本文在具有20和50个SS节点的Mesh网络中对该算法进行仿真,本算法可以把调度效率提高53%以上。 (4)提出基于OFDMA的WiMAX Mesh系统模型,并提出一种基于蚁群算法的资源调度算法(AWRAA)。为了实现基于OFDMA的WiMAX Mesh网络资源的最优化调度,需要综合考虑网络节点和信道的数量、调制方式、误比特率、调度模式、QoS需求等多种因素,同时使网络吞吐量达到最大化,所以问题的求解难度极高。为此,本文建立了基于OFDMA的WiMAX Mesh网络系统优化模型。模型的优化目标是在充分考虑功率、调度和吞吐量约束条件下最大化网络吞吐量。为了对系统模型进行求解,本文结合WMN网络特点,提出了一种较为完善的基于蚁群算法的求解算法。该算法具有容易实现并且灵活支持不同的需求和约束的特点。这些特点使得本方法可方便地应用于实际网络环境。仿真结果表明,本算法有效解决了OFDMA WiMAX Mesh的资源调度难题。 (5)首次提出一种基于全局优化的WiMAX Mesh网络QoS保障算法(WMNQGA)。本文在分析现有WiMAX Mesh QoS保障机制的基础上,提出了一种有效、动态的QoS保障算法。该算法把WiMAX Mesh网络视为一个整体,定义了各节点在进行数据包处理时应该遵循的约束条件,并给出了各节点对网络流量的处理方式。此算法是在WiMAX Mesh网络的QoS保障方面一个新的探索。仿真结果表明,本算法既提高了全网吞吐量,同时在不同的拓扑结构下仍能确保各节点对带宽使用的比例公平性。 (6)首次在WiMAX Mesh网络中提出智能标签技术,并提出一种基于智能标签的WiMAX Mesh网络QoS保障算法(ITBQoS)。本文在分析WiMAX Mesh网络QoS保障机制研究现状的基础上,首次提出了一种称之为“智能标签”的概念和算法,接着定义了与数据流相关的智能标签的结构和属性,各网络节点对智能标签及数据流的约束条件和处理算法,制定了不同优化目标下的系统模型,并给出了相应启发式算法。仿真结果表明,智能标签技术在不同带宽和故障概率下均取得较好性能,既可提升WiMAX Mesh网络吞吐量,也可满足各节点的QoS需求,具有良好的应用前景。