基于OBS的无线局域网中实时业务的性能研究

论文摘要

下一代无线网络将是异构网络,以满足终端用户在任何地点和任何时间都能获得高速廉价的无缝连接服务。无线通信和光通信领域的最新进展为这一目标的实现提供了越趋成熟的技术。无线局域网（WLANs）是近年来发展起来的宽带无线网络技术,可以用较低的成本为用户提供高的带宽和较好的移动性服务;而光突发交换（OBS）网络也是近几年提出的新技术,它具有处理时间短、网络资源利用率高的特点,很适合用来传送数据业务。因此,网络设计者可以利用两者的优势来设计下一代无线网络,为用户提供更好的服务。OBS适合于传送数据的特点使其能作为骨干网,来拓展WLAN的地理覆盖能力,基于OBS的WLAN被认为是下一代无线网络的解决方案之一。然而,这样一个系统也面临一些新问题。除了WLAN自身尚有很多问题（诸如:吞吐量、时延等重要网络性能）需要进一步研究之外,由于光突发交换层的引入给无线业务带来的特征变化也需要予以深入分析和研究,从而为提高下一代无线网络覆盖能力和实时传送能力提供参考和指导。本文研究分析支持实时业务的WLAN over OBS网络设计中的关键性能参数,如吞吐量、时延、丢包率等。将从三个方面对各种网络特性尤其是延迟特性进行分析,即单独的WLAN、单独的OBS网络和WLAN over OBS网络。本文首先深入地研究了采用不同协议下骨干网（OBS）的性能。除了单向预留协议（如JIT、JET）外,我们还研究了采用双向预留协议的波长路由光突发交换（WR-OBS）网络。这种协议具有低的丢包率,因此在本文中予以充分重视。当然它比单向预留协议需要更长的等待时间,因此我们关注它承载实时业务是的性能。在这种网络中,有两种突发包组装方式:有限突发包长（LSB）和无限突发包长（NSB）。在确定了组装方法后,网络最大承载量受限于光通道的负载能力。我们对网径分别为500公里和1000公里的两种规模网络作了仿真分析,并引入了重复使用因子来描述采用动态波长分配方案的光突发交换网络的性能。研究结果表明:提高核心节点比特率与边缘节点比特率之间的比值,能有效改善网络性能到。边缘节点的延时会严重影响网络的性能。另外,使用更快的核心路由器,能获得较低的突发包阻塞概率。接下来,针对WLAN中有限的共享带宽,研究IEEE802.11标准中两种不同的分布式协调功能（DCF, distribution coordination function）接入机制（two-way handshaking和four-way handshaking）分别在理想信道和易错信道状态下网络的吞吐量与延迟。本文提出了一个解析模型来分析WLAN的吞吐量、延时、丢包率、丢包时间等特性。该模型考虑了以下因素:1)重传次数,2)信道的误码率,3)传输机制或接入机制（access mechanism）,4)网络规模（接入点内的基站数量）。通过与其他模型的比较,验证了所提出模型的正确性。研究结果显示:使用四次握手机制的网络在有限的重传次数内,能够较好地避免出错;同时,网络的吞吐量与网络的规模基本无关。与此对应,对于使用基本接入（也即二次握手）机制的网络,在有限重传次数内,随着传输信道中误码的增加,网络的吞吐量将降低,同时它对网络的规模也很敏感。然而,当超过最大回退次数时,吞吐量并不随重传限制次数而变化。在两种机制中,丢包率是重传次数的减函数。在一个基站的队列中丢弃一个数据包的时间与以下几个参数有强烈依赖关系:重传限制次数、网络规模、信道访问策略以及信道出错情况。鉴于接入机制对系统性能的重要影响,论文对采用不同接入机制的WLAN网络性能进行了深入的比较。结果显示,信道的误码率和网络规模是预测网络的吞吐量和包延时特性的关键。当误码率超过一定程度后,能成功传送的分组很少,重传的次数也显著增加,导致网络的吞吐量和延时显著下降。根据本文取得的研究结果,网络的设计者应该在吞吐量和数据包延时之间做出权衡,根据吞吐量和延时选择最佳的包长度。我们提出了一种根据信道情况来动态改变传输包长度的新方法。研究结果显示,应用这种方案可以将信道噪声大、接入点多的无线局域网的包延时控制在相关标准能够接受的水平内。在单独研究了WLAN和OBS之后,我们对WLAN over OBS整体性能进行了研究,用NS-2对系统的吞吐量、延时等性能进行了仿真,并通过仿真和一个简单的试验平台验证了WLAN over OBS的可行性和有效性。文中给出了骨干网（OBS）分别采用单向预留和双向预留协议时,WLAN over OBS系统中端对端时延的分析模型。结果显示WLAN在时延方面是系统的瓶颈,骨干网的延时与之相比可以忽略,这也是本文的分析更多地侧重于终端网络（WLAN）的主要原因。论文对负载影响进行了测试和分析,并与采用光线路交换的WLAN over WDM系统进行了比较。结果显示在采用OBS作为骨干网时,其吞吐量比采用波长交换网络作为骨干网的系统高20%以上。最后,本文还对WLAN over WDM系统中的切换问题进行了探讨。总之,本文研究了WLAN over OBS所涉及的一些重要问题,它们有助于设计者更好设计能支持实时业务的下一代无线网络。文中对无线局域网、OBS网以及将它们融合而成的网络特性进行了分析。分析结果表明,通过选择合适的机制和参数,WLAN over OBS能较好的利用两者的优点来支持实时业务。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• List of abbreviations and symbols
• List of figures
• List of tables
• Contents
• CHAPTER 1 INTRODUCTION
• 1.1 BACKGROUND
• 1.1.1 Historical review for the switching networks
• 1.1.2 Optical burst switching （OBS） networks
• 1.1.3 Wireless local area network （WLAN）
• 1.1.4 WLAN over OBS system
• 1.2 COMPLETED WORK AND CONTRIBUTIONS
• 1.3 GOAL OF THE DISSERTATION
• 1.4 ORGANIZATION OF THE DISSERTATION
• CHAPTER 2 FRAMEWORK OF THE SYSTEM BACKBONE （OPTICAL BURST SWITCHING）.
• 2.1 INTRODUCTION
• 2.2 ARCHITECTURE OF THE SYSTEM BACKBONE （OBS）
• 2.3 OBS LAYER PROTOCOL
• 2.4 BURST RESERVATION SCHEMES
• 2.4.1 Just-in-time （JIT） scheme
• 2.4.2 Just-enough-time （JET） scheme
• 2.4.3 Wavelength-routed OBS （WR-OBS）
• CHAPTER 3 INFLUENCE OF AGGREGATION AND RESERVATION ON THE BACKBONE （OBS） PERFORMANCE
• 3.1 INTRODUCTION
• 3.2 INFLUENCE OF AGGREGATION ON BACKBONES USING ONE WAY RESERVATION SCHEME
• 3.2.1 Effect of aggregation time on the BHP
• 3.2.2 Impact of burst aggregation time on packet loss
• 3.2.3 Influence of burst aggregation on delay
• 3.3 INFLUENCE OF AGGREGATION ON BACKBONES USING WAVELENGTH-ROUTED OBS
• 3.3.1 Timing and burst aggregation
• 3.3.2 Analysis of packets aggregation
• 3.3.3 Analysis of burst blocking probability
• 3.3.4 Simulation results
• CHAPTER 4 THE CONNECTED ACCESSING TERMINAL NETWORKS （WLANS）: ARCHITECTURE AND MODEL
• 4.1 INTRODUCTION
• 4.2 ARCHITECTURE OF THE WLAN
• 4.3 THE PROTOCOL ARCHITECTURE
• 4.3.1 The 802.11 Physical Layer
• 4.3.2 IEEE 802 Medium Access Control
• 4.4 OPERATION OF THE IEEE 802.11 DCF
• 4.5 TRANSMISSION IMPAIRMENTS
• 4.5.1 Packet Loss
• 4.5.2 Delay
• 4.6 WLAN ANALYTICAL MODEL
• 4.6.1 Ideal Channel
• 4.6.2 Error-prone channel
• CHAPTER 5 ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF THROUGHPUT AND DELAY INE TERMINAL NETWORKS OF THE WLAN OVER OBS SYSTEM
• 5.1 INTRODUCTION
• 5.2 INFLUENCE OF PACKET LENGTH ON THE DELAY AND THROUGHPUT
• 5.2.1 A novel scheme for optimizing the system performance
• 5.2.2 Corroboration to use adaptive optimal packet length
• 5.3 EFFECT OF BIT RATES ON THE NETWORK CHARACTERISTICS
• 5.4 EFFECT OF LIMITED RETRANSMISSIONS
• 5.5 ANALYZING THE THROUGHPUT AND PACKET DELAY WITH THE BER AND THE ACCESSING MECHANISMS..
• 5.6 IMPACT OF PACKET LENGTH ON THE DELAY
• 5.7 INFLUENCE OF PACKET LENGTH ON THE THROUGHPUT
• CHAPTER 6 THE WLAN OVER OBS SYSTEM: ARCHITECTURE AND PERFORMANCE
• 6.1 INTRODUCTION
• 6.2 THE WLAN OVER OBS FRAMEWORK
• 6.3 SYSTEM INTERCONNECTIONS
• 6.3.1 Packets traversing from the connected terminal network to the backbone
• 6.3.2 Packets traversing from the backbone to the connected terminal network
• 6.4 SIMULATION VALIDATION
• 6.5 THE TEST-BED AND PROCESS
• 6.6 ANALYSIS OF THE PACKET DELAY
• 6.6.1 End-to-End delay for WLAN over OBS using JET or JIT protocol in the backbone
• 6.6.2 End-to-End delay for WLAN over OBS using wavelength routed protocol in the backbone
• 6.7 INFLUENCE OF LOADING ON THE BACKBONE PERFORMANCE
• 6.8 EFFECT OF MOBILITY
• 6.8.1 Mobile IP
• 6.8.2 Delay in the terminal network due to handoff process
• CHAPTER 7 SUMMARY AND SUGGESTIONS FOR FURTHER WORK
• APPENDIX- A
• APPENDIX- B
• APPENDIX- C
• APPENDIX- D
• References
• 攻读博士学位期间发表的论文
• Acknowledgement