平流层通信平台MAC层带宽分配分组调度算法研究

论文摘要

平流层通信平台简称升空平台是天基信息系统网的一个组成部分,多个平流层通信平台自行组网或与地面移动网共同组网。它可作为我国空基信息系统的重要组成部分,并且有可能作为地面移动通信系统和卫星通信系统的重要辅助无线通信系统,是地面信息高速公路向空间、固定终端向移动终端的延伸。目前我国尚未全方位开展高空平台通信系统的研制,处于技术跟踪阶段,尚未提出基于平流层的军用和民用通信技术规范。升空平台在接入层需要支持不同优先级的用户,根据其优先级的区别来划分上行带宽,此外还需支持不同类别业务的带宽划分。本文首先在体系架构和接入层功能上对升空平台进行了分析和介绍,然后对无线队列调度算法做了深入研究和讨论,最后根据升空平台的接入层需求设计了一种全新的调度方案。此调度方案可以满足介质访问控制(MAC)层服务质量(QoS)需求和动态带宽分配,其中包括移动中心站(MCS)根据业务优先级对移动站(MS)的带宽加权分配,还包括移动站内上行业务的二级带宽分配架构,此二级调度架构包括用户站对四类业务带宽的总体分配和同类业务内部的不同分组的QoS需求的带宽分配。在对不同业务的带宽总体分配上本文引入了两种调度算法,并对各自的优缺点通过仿真结构作了详细分析。由于不同类业务的QoS需求不同,因此在不同的业务的内部还需要采用不同的调度算法来保证QoS需求。例如有些业务需要恒定的带宽资源,有些业务有很高的时延要求。根据平台网络的特点,规定了其基于TDMA的动态时隙分配带宽过程及TDD帧结构,包括带宽请求分配信令交互过程、请求授予机制、授权机制、竞争解决算法。本文中在提出设计方案的同时采用OPNET系统仿真工具建立系统仿真模型,在此模型的基础上,实现了平流层通信平台带宽资源的动态分态,并对仿真数据进行了收集和分析,比较了几种调度算法的优劣,分析了各类业务的服务到达时间、平均排队时延、带宽不足时的时延、丢报数的数据,验证了该调度的可行性,为实际系统的设计与规划提供参考算法、参考模型和参考数据。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 升空平台简介
• 1.1.1 系统协议体系结构
• 1.1.2 用户容量与系统带宽估算
• 1.1.3 协议接入模型
• 1.1.4 接入子系统结构
• 1.1.5 MAC 层基本描述
• 1.2 研究目的和任务
• 1.3 论文内容安排
• 第二章 升空平台无线接入系统 MAC 层的 QoS 策略研究
• 2.1 服务质量概述
• 2.2 调度概述
• 2.2.1 调度的概念
• 2.2.2 衡量调度算法的标准
• 2.3 常用调度算法研究
• 2.4 无线公平队列调度的统一结构
• 2.5 升空平台的架构
• 2.6 升空平台业务分类
• 2.7 MS 的带宽请求和分配
• 2.8 MS 中业务的上下行调度机制方案
• 2.8.1 一级调度中的 DFPQ 算法
• 2.8.2 一级调度中采用的 PWFQ 算法
• 2.8.3 二级调度中 UGS 业务的带宽分配
• 2.8.4 二级调度中 RTPS 业务的带宽分配
• 2.8.5 二级调度中 NRTPS 业务的带宽分配
• 2.8.6 二级调度中 BE 业务的带宽分配
• 第三章 升空平台动态时隙分配的实现过程
• 3.1 MAC 层带宽请求与分配的实现
• 3.1.1 请求/授予机制
• 3.1.2 授权机制
• 3.1.3 GPC 和GPMS
• 3.1.4 轮询机制
• 3.1.5 竞争解决算法
• 3.2 物理层时隙分析及带宽分配实现
• 3.2.1 TDD 帧结构
• 3.2.2 带宽动态分配实现过程
• 第四章 升空平台的带宽分配调度算法的仿真设计与实现
• 4.1 OPNET 仿真平台介绍
• 4.2 仿真系统设计
• 4.2.1 仿真系统模型
• 4.2.2 节点模型建立
• 4.2.3 仿真主要进程模型建立
• 4.2.4 仿真参数设置
• 4.2.5 仿真结果分析
• 第五章 结束语
• 5.1 本论文完成的主要工作
• 5.2 未来改进和展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻硕期间取得的成果