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光纤无线混合网的移动管理和包乱序处理研究

作　者: 李世梁
导　师: 许胤龙
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 移动管理无缝切换包乱序多径路由无源光网络光纤无线混合网移动WiMAX
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来,尽管光纤无线混合网(FiWi)已经展现出很好的应用前景,但在提高固定/移动用户的通信质量方面(如高带宽、低延迟和无缝切换等)依然存在着很多的设计挑战。具体而言,对于提高移动用户的通信质量,实现无缝切换是一个关键问题,它要求在切换的过程中,没有或几乎没有服务质量的降低。而对于提高固定用户的通信质量,利用多径路由协议以增加带宽则是一把双刃剑,因为多径路由通常会产生包乱序问题。本文研究移动管理和包乱序处理问题以提高FiWi网中移动和固定用户的通信质量。具体的研究问题有两点：(1)为移动用户设计移动管理协议以提高切换性能和实现无缝切换；(2)为固定用户设计包乱序处理方案以减轻包乱序和提高TCP性能。(1)FiWi网的移动管理研究作为FiWi网的一个候选无线子网,移动WiMAX(MWiMAX)是一项很有前途的技术,且是4G蜂窝网络的主要候选者之一。MWiMAX网面临的一个关键问题是无缝切换,在学术界已有广泛的研究。然而,为实现MWiMAX网的无缝切换,目前尚缺乏全面的切换解决方案,以集成MWiMAX网的设计、回程线路技术和第3层(即IP)移动管理。本文提出了新的切换框架,它集成了一个混合无源光网络(PON),以支持高效的组播、局部化的移动管理和基站之间的直接通信；可以支持MWiMAX网的硬切换和软切换两种切换模式；利用了移动IP技术的优势和IEEE802.21介质独立切换(MIH)月报务。在该框架内,我们为硬切换模式设计了新颖的MIH-FHMIPv6移动管理协议,并为软切换模式设计了高效的数据包分发算法。其中,MIH-FHMIPv6移动管理协议结合了FMIPv6和HMIPv6协议的优势并利用了IEEE802.21MIH服务,以降低切换延迟和信令开销；消除了包丢失和包乱序问题,以避免潜在的服务质量的降低。数据包分发算法则利用了混合PON回程线路的光多播能力以降低数据包复制量,并运用树形拓扑的集中式控制能力以实现完美的数据内容同步。性能分析和数值结果表明：(1)我们的移动管理协议可以显著地提高切换性能(如切换延迟、信令开销、包丢失和包乱序等方面的性能)；(2)所提出的数据包分发算法可以有效地减少数据包的复制量。(2) FiWi网的包乱序处理研究FiWi网中,多径路由协议已广泛应用于无线子网中以提高固定用户的带宽。由于各条路径之间存在延迟差异,数据包可能会乱序地到达目的节点,因而可能会导致TCP性能的降低。本文提出三种方案以尽量确保数据包正序地离开FiWi网中的OLT,并提高TCP性能。首先,本文提出了有效的、工作于OLT的SPCS包调度算法,它为可能会导致重复ACK (dupack)和降低拥塞窗口尺寸(cwnd)的数据包赋予较低的优先级。其次,在光子网(如以太无源光网络)的上行带宽分配方面,本文设计了IPACT-MPR动态带宽分配算法,它为可能会触发TCP快速重传和快速恢复算法的数据流赋予较高的优先级。最后,本文提出了集成的流分配和快速重排序算法,它们共同地确定包从数据源沿着每条路径发送的概率,并在OLT上运行延迟几乎为零的快速重排序,以降低当包离开FiWi网、进入核心网时乱序的概率。仿真结果表明,本文提出的三个算法可以有效地减轻包乱序并提高TCP性能。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
目录  10-14
表格  14-15
插图  15-17
算法  17-18
主要符号对照表  18-21
第一章绪论  21-29
  1.1 FiWi网简介  21-25
  1.2 本文的研究背景与动机  25-28
    1.2.1 FiWi网的移动管理  25-27
    1.2.2 FiWi网的包乱序处理  27-28
  1.3 本文的组织结构  28-29
第二章 MIH-FHMIPv6移动管理协议  29-55
  2.1 前言  29-30
  2.2 移动管理相关工作  30-33
    2.2.1 基于OWI架构的HHO模式  30
    2.2.2 移动IP技术  30-32
    2.2.3 IEEE 802.21  32-33
  2.3 移动WiMAX网的新切换框架  33-34
    2.3.1 系统架构  33-34
    2.3.2 扁平式架构  34
    2.3.3 集中式架构  34
  2.4 MIH-FHMIPv6移动管理协议  34-44
    2.4.1 传统移动管理协议的特征比较  35-36
    2.4.2 MIH-FHMIPv6协议的目标特征  36-37
    2.4.3 MIH-FHMIPv6协议的ONU间切换过程(主动模式)  37-39
    2.4.4 MIH-FHMIPv6协议的ONU间切换过程(被动模式)  39-40
    2.4.5 消除包乱序  40-44
  2.5 性能分析  44-48
    2.5.1 切换延迟  45-46
    2.5.2 信令开销  46-48
    2.5.3 包丢失  48
    2.5.4 包乱序  48
  2.6 数值结果  48-53
  2.7 本章结论  53-55
第三章数据包分发算法  55-65
  3.1 前言  55-56
  3.2 基于OWI架构的SHO模式相关工作  56
  3.3 软切换(MDHO和FBSS)模式的必要条件  56-57
  3.4 采用集中式架构的原因  57
  3.5 包分发与选择  57-62
    3.5.1 下行方向的包分发  57-58
    3.5.2 上行方向的包选择  58
    3.5.3 分集组更新  58-60
    3.5.4 数据内容同步  60-61
    3.5.5 数据包分发算法  61-62
  3.6 性能分析  62
  3.7 数值结果  62-63
  3.8 本章结论  63-65
第四章软优先级约束调度(SPCS)算法  65-83
  4.1 前言  65-66
  4.2 中间节点包重排序相关工作  66-67
  4.3 基础知识  67-68
  4.4 确定紧急状态  68-70
  4.5 OLT上的包调度  70-71
    4.5.1 实际吞吐量效率  70-71
    4.5.2 保证公平性  71
    4.5.3 SPCS算法  71
  4.6 性能分析  71-74
    4.6.1 伪快速重传  73
    4.6.2 包丢失  73-74
    4.6.3 简单调度器和SPCS的比较  74
  4.7 性能评价  74-82
    4.7.1 实验设计  76-77
    4.7.2 实验结果  77-82
  4.8 本章结论  82-83
第五章基于IPACT的容包乱序DBA算法(IPACT-MPR)  83-91
  5.1 前言  83-84
  5.2 EPON系统中DBA算法的相关工作  84-85
    5.2.1 IPACT DBA算法  84-85
    5.2.2 IPACT-GE DBA算法  85
  5.3 基于IPACT的容包乱序DBA算法(IPACT-MPR)  85-88
    5.3.1 可行性研究  86-87
    5.3.2 IPACT-MPR DBA算法  87-88
  5.4 性能评价  88-90
    5.4.1 实验设计  88-89
    5.4.2 实验结果  89-90
  5.5 本章结论  90-91
第六章多径路径协议的性能建模与分析  91-105
  6.1 前言  91-92
  6.2 容包乱序相关工作  92-93
  6.3 性能建模  93-94
  6.4 性能分析  94-97
    6.4.1 乱序概率  94-95
    6.4.2 平均包延迟  95-97
    6.4.3 后-OLT包乱序概率  97
  6.5 流分配优化  97-100
    6.5.1 问题描述  98-99
    6.5.2 模拟退火算法  99-100
  6.6 仿真实验  100-104
    6.6.1 实验设计  100-102
    6.6.2 仿真结果  102-104
  6.7 本章结论  104-105
第七章总结  105-107
  7.1 本文工作总结  105-106
  7.2 未来研究方向  106-107
参考文献  107-115
致谢  115-116
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  116

光纤无线混合网的移动管理和包乱序处理研究

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