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无线城域网格网（WiMAX Mesh）QoS联合优化关键技术研究

作　者: 李亚军
导　师: 杨宇航
学　校: 上海交通大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 无线网格网 QoS 联合优化跨层设计 WiMAX IEEE802.16 MAC 凸优化
分类号: TN925.93
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

作为一种新兴的无线通信技术，无线网格网（Mesh）已经被越来越多的人认可为下一代网络通信的关键技术之一。近些年来，由于其高速率和广覆盖等传输性能，无线城域网格网（WiMAX Mesh）在商界和学术界备受关注。与传统的无线Ad-hoc不同，WiMAX无线Mesh路由器通常安放在固定位置而且由可靠电力线电源供电，并不受能量约束限制；同时，其网内的业务主要是来往于因特网的业务。因此，无线Ad-hoc网中两个主要的问题，即能量约束和节点移动性，对WiMAX无线Mesh网已经不再重要。相反，提供服务质量保障（QoS）成为提高WiMAX无线Mesh网性能的关键。本文针对WiMAX无线Mesh网中提供QoS保障的联合优化关键技术展开研究，其目的是结合WiMAX无线Mesh网MAC层不同调度机制的特点，提出集中模式下的最大效用优化和分布模式下的融合化MAC层方法，系统地研究联合MAC层调度的优化解决方案来实现QoS保障。具体地说，在集中模式下，通常有一个节点（一般为网关节点）来负责协调和管理整体网络的调度，这样的方式在某种程度上提供了一个全局优化的可能，因此集中调度模式下以受MAC层链路调度约束的最大效用函数的联合优化为主；而在分布式模式下，由于标准定义了一个伪随机竞选算法来解决无线链路的竞争问题，优化方法转而为合理高效地使用MAC调度机制来成功实现QoS保障。基于这两种方法，本文的主要研究内容有：1，提出了一个集中调度模式下QoS多路径路由分配的联合优化算法。算法把无线Mesh网中的多路径路由分配问题归结为一个网络效用最大化问题。利用网络效用最大化的优化方法，同时结合无线Mesh下的链路竞争矩阵模型，建立了基于多业务流类的多路径路由分配联合优化问题模型。针对该问题的求解，本文先引入最近优化算法解决了原问题目标函数的非严格凹函数性，然后又用原始对偶解法对优化问题进行了求解。本文证明了联合优化问题的收敛性。仿真实验表明，问题的优化解能够探测和感知到具有最大干扰的链路，准确地降低该链路的使用率，从而使网络的整体优化目标得以实现；同时，与其它算法相比，该优化算法能获得更好的网络总体收益。基于效用函数凸优化框架的算法为解决QoS多路由分配问题提供了一个新的思路。2，提出了一个集中调度模式下联合MAC层调度的速率控制优化算法。该算法的目的是在无线干扰环境下，通过控制无线Mesh网节点的数据速率使其都在承载容量范围之内从而避免网络过载所带来的性能损失。利用-干扰模型下的激活集概念，提出了以MAC层链路调度为约束的联合速率控制凸优化问题模型。本文从理论上证明了该凸优化算法的强对偶性，从而保证了原问题的优化解和对偶问题优化解的一致性。通过理论分析和证明，联合MAC层调度的速率控制问题被原始对偶解法完美地分拆为链路调度和速率控制子问题从而能应用到传统的分层网络系统中。为了降低链路调度控制子问题的算法复杂度问题，该算法还使用了生成列算法。仿真结果表明：该算法不仅降低了算法复杂度，而且具有良好的收敛性，可以达到满意的次优解。3，提出了一个实现在WiMax无线Mesh网MAC层上的分布式路由算法。考虑到无线Mesh中路由层需要依靠MAC层链路调度来提供足够的带宽保证，该路由算法实现在MAC层上。利用WiMax无线Mesh标准中的伪随机竞选算法，该算法利用各个节点当前MAC层的调度信息分布式地决定下一跳的路由，从而达到为实时业务流提供具有最短端到端时延路由的目的。仿真结果表明，该算法可以明显降低实时业务的端到端时延，能提供分布式的动态路由。4，实现了WiMAX无线Mesh网中异构QoS保障的公平分组调度算法。基于WiMAX的无线Mesh分布式调度标准，本文构建了一个实现在MAC层的区分服务框架并提出了适合异构流业务的公平模型。同时，利用了WiMAX标准的分布式调度机制，本文实现了联合调度的异构QoS感知的公平分组调度算法。算法首先实现链路调度以完成带宽分配，并实现了一个层次分组调度子算法。分组调度算法在异构QoS需求类之间实现严格的优先级服务策略，而在同优先级业务之间则实现了公平分组调度。仿真结果表明，算法可以保证区分服务从而满足不同业务的QoS需要。同时，与其它算法相比，该算法还可以提高系统的吞吐量。

全文目录

中文摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
主要符号对照表  13-15
第一章绪论  15-34
  1.1 无线Mesh网  15-21
    1.1.1 无线Mesh网的起源  15-16
    1.1.2 无线Mesh网的定义与特点  16-17
    1.1.3 无线Mesh网的网络架构  17-20
      1.1.3.1 自组织平面架构  18-19
      1.1.3.2 基础设施架构  19
      1.1.3.3 混合架构  19-20
    1.1.4 无线Mesh网的发展以及标准  20-21
  1.2 IEEE 802.16/WiMAX无线Mesh网  21-24
    1.2.1 IEEE 802.16/WiMAX标准  21
    1.2.2 IEEE 802.16标准对Mesh的支持  21-24
      1.2.2.1 物理层Mesh支持  22-23
      1.2.2.2 MAC层Mesh支持  23-24
  1.3 无线Mesh网的QoS保障与联合优化  24-29
    1.3.1 无线Mesh网的QoS保障  24-26
    1.3.2 联合（跨层）优化  26-27
    1.3.3 WiMAX无线Mesh网QoS研究现状以及本文动机  27-29
  1.4 本文的主要内容以及贡献  29-34
    1.4.1 论文的主要内容  29-31
    1.4.2 论文的主要贡献  31-32
    1.4.3 论文的组织结构  32-34
第二章联合调度的QoS多路径路由分配优化算法  34-60
  2.1 引言  34-37
  2.2 系统模型  37
  2.3 MAC层链路约束以及竞争矩阵  37-41
    2.3.1 无线链路干扰模型  37-38
    2.3.2 竞争图与竞争矩阵  38-41
  2.4 问题定义  41-44
  2.5 基于优化框架的QoS多路径路由分配算法  44-51
    2.5.1 最近优化算法  44-49
    2.5.2 链路调度算法  49-51
  2.6 仿真实验与结果分析  51-59
  2.7 本章小结  59-60
第三章联合调度的速率控制优化算法  60-78
  3.1 引言  60-61
  3.2 相关工作  61-63
  3.3 系统模型和问题定义  63-65
    3.3.1 系统模型  63
    3.3.2 链路激活集  63-64
    3.3.3 问题定义  64-65
  3.4 内嵌生成列的原始对偶算法  65-72
    3.4.1 原始对偶算法框架  66-69
    3.4.2 生成列链路调度算法  69-72
  3.5 仿真实验与结果分析  72-76
    3.5.1 收敛性验证  72-74
    3.5.2 性能分析  74-76
  3.6 本章小结  76-78
第四章基于分布式调度的QoS路由算法  78-88
  4.1 引言  78-80
  4.2 WiMAX Mesh标准MAC层分布式调度机制  80-81
  4.3 系统模型  81-82
  4.4 基于MAC层分布式机制的路由算法  82-84
  4.5 仿真实验与结果分析  84-87
  4.6 本章小结  87-88
第五章基于分布式调度的QoS分组公平调度算法  88-112
  5.1 引言  88-90
  5.2 IEEE 802.16标准对异构QoS的支持  90-92
  5.3 系统模型  92
  5.4 区分服务框架和公平调度算法  92-102
    5.4.1 区分服务框架  92-95
      5.4.1.1 业务类映射  93-95
    5.4.2 公平调度算法  95-100
      5.4.2.1 优先级调度  95-96
      5.4.2.2 公平模型  96-97
      5.4.2.3 调度框架  97-100
    5.4.3 实现中考虑的问题  100-102
  5.5 仿真实验与结果分析  102-110
    5.5.1 网络模型和参数  102-103
    5.5.2 仿真结果  103-110
  5.6 本章小结  110-112
第六章结论  112-115
  6.1 本文总结  112-113
  6.2 未来工作展望  113-115
参考文献  115-124
致谢  124-125
在学期间的研究成果及发表的论文  125-126

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