无线网络跨层设计及其在802.16Mesh网分布式调度算法中的应用研究

论文摘要

跨层设计指利用OSI模型的层间相互影响、相互依赖的关系设计网络协议。在下一代（后3G）无线通信系统中,无线信道的时变特性和动态服务质量（QoS）需求使得层间的联系更加紧密,因此迫切需要跨层设计的参与,在移动终端中实现系统级的性能优化。近年来,跨层设计相关研究不断涌现,但其仍存在某些缺陷,特别在软件实现架构方面：首先,现有研究多数关注跨层设计所带来的性能改善,却很少考虑跨层交互（cross-layer interaction）的实现方式和标准化；其次,随着越来越多的跨层设计在单个终端里使用,各种跨层方案的可管理性和兼容性逐渐成为影响无线网络和无线终端发展的紧迫问题。IEEE 802.16d定义了Mesh模式的宽带无线接入,它采用多跳技术来扩展网络的覆盖范围,省去了网络建设初期昂贵的基础设施建设投资。以往的研究将跨层设计应用于802.16 Mesh网协同分布式调度时,只考虑应用层的QoS需求、网络层的发送队列长度,忽略了结点间无线信道质量的差异,无法动态地自适应物理层特性以提高系统性能。本论文首先探讨了如何对利用软件工程等方法,对跨层设计的实现模型进行优化；然后将跨层设计应用于802.16 Mesh网协同分布式调度算法中,在MAC层时隙分配时考虑物理层的信道质量差异,从而提高整个系统的吞吐量。本文的主要成果和创新点如下：（1）首次明确提出可利用软件工程方法来研究跨层设计,并提出了三种改善层间独立性的方法。软件工程是一门研究如何构建高质量、易维护软件的学科,而通信协议也属于软件的范畴。本文引入软件工程方法,分析了跨层设计功能与原有的网络协议栈层之间的接口特性,评估了跨层设计的模块独立性程度,并提出了一种降低跨层设计实现复杂度的方法,有利于跨层设计的长期稳定发展。（2）在（1）的基础上,通过考虑网络协议栈的模块化现象,提出名为CLIM（cross-layer interaction management）的跨层设计架构。与经典模型相比,CLIM具有以下优点：首先,CLIM使跨层设计的实现具有灵活性,每种跨层设计能根据其所关心的层的特点,选取最低开销的方式来实现对该层内部参数的访问；其次,它使加入跨层设计后的网络协议栈每个层仍具有高内聚、低耦合的特征,从而保持了网络协议栈良好的软件架构。CLIM的关键技术是依赖与提供抽象（DSA）、消息队列。本文仿真了CLIM中两类跨层交互的性能,证明CLIM与传统模型相比,具有可忽略的额外时间开销（1.35×10-4秒）,但大大增强了模块间的独立性,从而将跨层设计对OSI层次模型优秀架构的影响最小化。（3）对802.16 Mesh网协同分布式调度研究进行归类,并介绍Min Cao等人提出的数学模型。当前国内外对802.16 Mesh网协同分布式的研究非常有限,也缺乏比较全面的总结和分类,本文是一个有益的补充。据调研,国内还没有文章详尽地介绍过协同分布式调度的数学模型,因此,本文相关工作有利于对分布式调度进行更为深入的研究,也为DCLASA（distributed cross-layer adaptive scheduling algorithm）的提出奠定了理论基础。（4）提出一种基于跨层设计的802.16 Mesh网协同分布式调度算法DCLASA.以往的802.16 Mesh网分布式调度算法研究,没有和物理层的信道状态相结合,因此无法更好地适应无线传输环境。而DCLASA解决了这个问题,它考虑802.16 Mesh网构建的回程网中所有链路都有大量数据收发的的特点,在物理层和MAC层之间使用跨层设计,利用多用户分集思想和自适应编码调制技术,提高系统的性能。本文使用NS2进行的仿真证明,DCLASA算法可以有效提高系统的吞吐量,降低传输时延,并兼顾链路间的公平性。DCLASA的有关的思想和结论,还可以推广应用到其他无线Mesh网的场合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及课题来源
• 1.2 无线网络的跨层设计概述
• 1.2.1 无线网络需要跨层设计的原因
• 1.2.2 跨层设计存在的问题
• 1.3 IEEE802.16 Mesh网调度与跨层设计
• 1.4 论文创新点及内容安排
• 第二章 无线网络跨层设计研究综述
• 2.1 跨层设计研究现状
• 2.2 跨层设计的研究方法分类
• 2.2.1 按各层参与优化程度分类
• 2.2.2 按数据流分类
• 2.2.3 按交互方式分类
• 2.2.4 按是否进行层合并分类
• 2.2.5 按自适应角度分类
• 2.2.6 按是否保留传统层次结构分类
• 2.3 跨层设计注意事项
• 2.3.1 好的设计架构导致未来的成功
• 2.3.2 忽视架构可能导致冲突
• 2.4 跨层设计面临的挑战
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于软件工程优化的跨层设计实现方式
• 3.1 前言
• 3.2 跨层设计的实现方式分类
• 3.2.1 跨层信令法
• 3.2.2 数据共享法
• 3.3 软件工程相关概念简介
• 3.3.1 软件工程与模块化设计简介
• 3.3.2 耦合与内聚
• 3.4 使用软件工程来优化跨层设计的实现
• 3.4.1 使用软件工程分析跨层设计的模块独立性
• 3.4.2 提高跨层设计的模块独立性
• 3.5 本章小结
• 第四章 考虑网络协议栈模块化现象的跨层设计模型
• 4.1 前言
• 4.2 现有跨层设计实现模型的缺点
• 4.3 网络协议栈的模块化现象
• 4.4 CLIM
• 4.4.1 CLIM概述
• 4.4.2 CLIM的关键技术
• 4.4.3 CLIM模型的优点
• 4.4.4 CLIM的运行
• 4.5 CLIM仿真及其在802.16的应用
• 4.5.1 CLIM跨层交互的性能仿真
• 4.5.2 使用CLIM管理802.16的跨层设计
• 4.5.3 CLIM的移植性
• 4.6 总结
• 第五章 802.16 Mesh网的协同分布式调度算法综述
• 5.1 引言
• 5.2 802.16 Mesh网基本概念
• 5.2.1 Mesh模式的特点
• 5.2.2 Mesh调度分类和帧结构
• 5.2.3 Mesh网络接入
• 5.2.4 Mesh网的干扰模型
• 5.3 Mesh网调度简介
• 5.3.1 集中式调度
• 5.3.2 协同分布式调度
• 5.4 Mesh网协同分布式调度的研究现状与数学模型
• 5.4.1 研究现状
• 5.4.2 数学模型
• 5.5 本章小结
• 第六章 802.16 Mesh网分布式调度与跨层设计的结合
• 6.1 引言
• 6.2 AMC
• 6.2.1 原理
• 6.2.2 802.16 Mesh网的AMC系统框图
• 6.2.3 AMC技术的分类
• 6.2.4 AMC传输模式转换门限
• 6.2.5 AMC实现的关键问题
• 6.3 多用户分集
• 6.3.1 原理
• 6.3.2 多用户分集在宽带无线网络中的使用范例
• 6.4 AMC、多用户分集与802.16 Mesh网时隙分配的结合
• 6.4.1 AMC与802.16 Mesh网时隙分配
• 6.4.2 多用户分集与802.16 Mesh网时隙分配
• 6.5 本章小结
• 第七章 一种新的基于802.16 Mesh网的跨层分布式调度算法
• 7.1 引言
• 7.1.1 算法简介
• 7.1.2 算法解决的问题
• 7.1.3 算法难点
• 7.2 算法实现
• 7.2.1 算法框图
• 7.2.2 算法各模块实现
• 7.3 算法性能仿真
• 7.3.1 吞吐量和时延仿真
• 7.3.2 补偿机制仿真
• 7.4 算法优点与复杂度分析
• 7.4.1 算法优点
• 7.4.2 算法复杂度
• 7.4.3 算法的应用前景
• 7.5 本章小结
• 总结与展望
• 1.全文总结
• 2.进一步研究展望
• 参考文献
• 附录
• 英文缩略词
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• Ⅳ-2 答辩委员会对论文的评定意见