無線Mesh網(wǎng)絡高效公平接入控制技術研究.pdf

1、隨著無線通信新業(yè)務的不斷涌現(xiàn)，對無線局域網(wǎng)(WLAN)、無線Mesh網(wǎng)絡(WMN)和蜂窩無線網(wǎng)的性能要求不斷提高，如傳輸速率、頻譜效率和服務質(zhì)量等。由于無線、移動和多跳等特性，在設計WMN時，傳統(tǒng)的基于單跳網(wǎng)絡的協(xié)議機制已無法滿足網(wǎng)絡的性能要求。IEEE802.11s作為WMN的標準，其主要特征之一是WMN的主要功能在鏈路層實現(xiàn)，更依賴MAC地址而不是IP地址。因此，MAC層技術是否有效是能否改善網(wǎng)絡傳輸性能的重要因素。IEEE802.

2、11s以IEEE802.11e的EDCA作為接入控制基礎，在面臨實時流媒體等業(yè)務的高QoS需求時，現(xiàn)有的接入控制機制面臨著一系列的問題，例如公平性差、未考慮業(yè)務分集、帶寬利用率低等問題。本文在WMN環(huán)境下，針對話音、流媒體及數(shù)據(jù)業(yè)務等各種業(yè)務類型的不同服務質(zhì)量(QoS)需求，結合價格激勵機制、博弈論及排隊論等相關理論，對接入控制策略、擁塞策略、幀聚合策略、接入允許控制策略等MAC層的相關增強技術問題進行了深入研究，以改善MAC層效率低下

3、問題，實現(xiàn)WMN在信道資源利用率、QoS保證和公平性間達到一種良好的平衡。
　　首先，針對WMN的特性及相關限制條件對擁塞控制策略進行了研究。主要解決兩個核心問題，一是如何設計有效緩解本地擁塞的擁塞控制策略，避免轉發(fā)節(jié)點因本地擁塞造成的網(wǎng)絡性能惡化的現(xiàn)象。二是如何在QoS保證與業(yè)務公平性之間找到合適的平衡點。基于價格機制，提出了兩種針對單信道WMN的逐跳擁塞控制策略。第1種以IEEE802.11s標準草案提出的擁塞控制框架為基礎，

4、在監(jiān)測擁塞和本地速率控制過程中引入動態(tài)價格函數(shù)和新的速率控制模型，以改進擁塞控制的有效性和改善網(wǎng)絡吞吐量等性能。第2種擁塞控制策略同時考慮MAC層時間限制和二進制干擾模型限制，使系統(tǒng)中總的流效用之和達到比例公平。將傳輸失敗比率作為網(wǎng)絡擁塞控制的準則之一，引入到擁塞價格函數(shù)中。通過改變物理層不同的調(diào)制方式實現(xiàn)傳輸速率控制。此外，還考慮了節(jié)點內(nèi)部各個流的調(diào)度策略以保證各個流的QoS需求和公平性。與傳統(tǒng)鏈路層考慮的單跳流量控制策略與傳統(tǒng)傳輸層

5、端到端的擁塞控制策略不同，本文提出的兩種擁塞控制策略涉及了各個流路徑上各跳節(jié)點的聯(lián)合速率調(diào)節(jié)，是廣義擁塞控制問題。仿真分析結果表明，本文提出的這兩種擁塞控制策略是有效的，能夠顯著緩解擁塞及低優(yōu)先級業(yè)務流的饑餓狀態(tài)，同時改善系統(tǒng)平均時延和平均吞吐率等性能指標。
　　其次，本文在MAC層接入控制方面進行了研究。分析了現(xiàn)有IEEE802.11e MAC機制中高優(yōu)先級流媒體業(yè)務在競爭資源時對低優(yōu)先級業(yè)務的“捕獲效應”導致的不公平問題。采用

6、業(yè)務分集和動態(tài)優(yōu)先級思路重點研究在網(wǎng)絡帶寬飽和，且有多種媒體業(yè)務競爭接入時，如何平衡各種業(yè)務的QoS與公平性之間的矛盾，防止高優(yōu)先級業(yè)務過度占用信道資源。提出了基于帶寬占用時間比的單準則公平接入控制算法和多準則動態(tài)優(yōu)先級公平接入控制算法。通過打破802.11e EDCA中定義的固定優(yōu)先級限制，動態(tài)調(diào)整各業(yè)務類型優(yōu)先級的思路來提高不同業(yè)務流對信道帶寬資源訪問的公平性。仿真分析結果表明，兩種算法均能在保證不同業(yè)務的QoS需求基礎上有效改善低

7、優(yōu)先級業(yè)務對信道訪問的不公平現(xiàn)象，并改善吞吐量率、丟包率等其他指標。
　　近年來，幀聚合技術在以太網(wǎng)、光網(wǎng)絡，3G網(wǎng)絡和WMN等多個領域都得到了廣泛的應用。以提升傳輸速率為目標的IEEE802.11n標準在MAC層采用了幀聚合策略，被認為是在保持現(xiàn)有協(xié)議改動最小的前提下，提高MAC層吞吐率和帶寬利用率一種最行之有效的方法。本文針對現(xiàn)有研究成果很少關注對區(qū)分業(yè)務下的幀聚合策略的現(xiàn)狀，從區(qū)分不同業(yè)務類型QoS需求及有效提高系統(tǒng)性能的角

8、度出發(fā)，對幀聚合技術進行了研究。基于排隊論模型提出了兩種幀聚合策略。第1種策略采用比例公平和兩級緩沖區(qū)調(diào)度思想，根據(jù)各個隊列的包超時緊迫因子來動態(tài)調(diào)整各個隊列的聚合權重值，以滿足各個QoS等級業(yè)務的最大時延需求。建立了區(qū)分業(yè)務場景下系統(tǒng)的數(shù)學分析模型，采用集中參數(shù)替代和逼近的方法進行求解，定量分析了隊列平均長度、包平均逗留時間等主要性能參數(shù)與系統(tǒng)負載的關系。第2種是基于靜態(tài)定價和效用的幀聚合策略策略，以平均時延作為主要的QoS約束指標，

9、同時從用戶效用和網(wǎng)絡效用兩個方面研究了價格及網(wǎng)絡效用的優(yōu)化問題，分析了包平均到達率與平均時延的關系。數(shù)值分析和仿真比較結果表明本文所提出的兩種幀聚合策略可以有效提高系統(tǒng)平均吞吐量，降低端到端平均時延。
　　最后，本文對WMN環(huán)境下用戶站(STA)與Mesh接入點(MAP)之間的接入允許控制策略的博弈問題進行了探討。WMN和WLAN中接入允許控制機制是實現(xiàn)公平資源調(diào)度和負載均衡的關鍵點。STA與MAP在接入控制過程中將面臨選擇合適接

10、入點的問題，雙方均追求各自利益的最大化，通過目標約束和決策函數(shù)達到資源分配和優(yōu)化的目的。該問題可看作一個最優(yōu)接入允許控制策略選擇的博弈過程，是否接入將取決于所依據(jù)的決策因子。本文基于價格策略和博弈論，從用戶和網(wǎng)絡兩方面著手，將該接入過程建模為STA和MAP之間的非零和、非合作、混合策略博弈模型。為MAP和STA分別設計了三個因子作為決策的依據(jù)，給出了STA和MAP端的混合策略概率函數(shù)的定義，并采用層次分析法(AHP)分析了各個因子的權值