无线网络分组调度算法研究

论文摘要

移动通信和互联网的高速发展,使人们对宽带无线接入的需求越来越迫切。人们期望未来移动通信系统在支持更高传输速率的基础上,能够容纳更多用户并且满足不同业务的服务质量（QoS）要求,而有效的无线分组调度算法正是实现这一目标的关键。在很多应用环境下,无线信道具有明显的资源受限和时变衰落特性,基于有线网络或无线静态信道的分组调度算法无法保证无线网络用户获得很好的QoS。针对无线时变环境下无线信道的传输特性,设计能够在保证用户QoS的同时提高无线网络容量的分组调度算法是当前无线通信领域的一个热点。在多用户共享的无线网络中,利用不同用户独立的时变信道条件进行机会调度（Opportunistic Scheduling）可以显著提高无线信道的利用率。尽管每次调度总选择信道条件（通常以接收信噪比表示）最好的用户进行传输可以使系统吞吐量达到最大,但由于无线网络中不同用户的信道条件往往具有很大差别,为了使系统中每个用户均获得较好的QoS,在调度过程中必须选择合理的公平准则。在无线刚络中,调度的有效性和公平性通常是两个相互矛盾的性能指标,而有效的机会调度算法必须根据用户的QoS要求,在这两个指标之间获得最佳的折中性能。论文主要针对时变信道环境下时分复用（TDM）的无线网络分组调度机制展开了深入研究。首先,对无线网络非实时业务分组调度算法进行了研究。论文在对现有Max-rSNR算法进行改进的基础上,提出了一种具有小尺度服务时间保证的无线非实时业务分组调度算法（M-Max-rSNR）。M-Max-rSNR算法在很好的继承了Max-rSNR算法的大尺度服务时间公平性质的同时,能够使每个用户在预先规定的较短时间内获得服务,从而满足了一些非实时用户对访问时延上限的特殊要求。在此基础上,通过充分利用多用户分集（Multiuser Diversity）的机会调度策略,M-Max-rSNR能够获得较比例公平（PF）算法更好的吞吐量性能。同时,论文还针对现有机会调度算法无法为用户提供加权服务时间公平性的缺陷,提出了一种具有小尺度加权服务时间公平性的无线非实时业务分组调度算法（SFOS）。该算法同时利用虚拟时间机制和Max-rSNR准则,能够在进行有效机会调度的同时,使每个用户在任意短的时间内获得与其权重成正比的服务时间。其次,对无线网络实时业务分组调度算法进行了研究。实时业务具有非常严格的端到端传输时延要求,为了提高实时用户的QoS,实时业务分组调度算法应该通过机会调度策略尽量减小实时业务分组在基站发送队列中的等待时间,为此,论文提出了一种机会的实时业务分组调度算法（ORS）。在ORS算法中,每个用户的优先函数同时包含该用户的相对信噪比和一个随该用户发送队列的队首（Head-Of-Line,HOL）分组等待时间递增的凹函数。在此情况下,当所有用户的等待时间均较小时,具有最大相对信噪比的用户将得到调度;而当某个用户的等待时间逐渐接近其超时期限时,迅速增加的等待时间函数值将使其获得调度。与目前在HDR、HSDPA网络中得到广泛应用的EXP和M-LWDF算法相比,ORS算法能够显著降低系统中所有实时用户的平均等待时间和分组超时率。第三,对实时和非实时业务共存的无线网络混合业务分组调度算法进行了研究。由于实时业务和非实时业务具有不同的QoS要求,如何设计合理的资源调度策略,使不同类型用户获得较高的QoS,是未来无线网络调度算法需要解决的关键问题。论文提出了一种基于PFQ策略的分级调度算法（PFQ-HS）,该算法具有独立、分级的调度结构:在第一级调度器中可以使用任何两种调度算法分别对实时和非实时用户进行独立的调度判决;而在第二级调度器中则采用一种基于PFQ策略的机会调度算法（PFQ-OS）保证服务的公平性。与目前两种主要的针对混合业务的分组调度算法MPF和VTQ相比,PFQ-HS能够在保证服务时间公平性的基础上,为不同类型用户提供较好的QoS。第四,对具有功率节省性能的无线网络实时业务分组调度算法进行了研究。无线网络中很多用户都是依靠电池供电的移动终端,节省移动终端的功率损耗、延长其使用时间是未来无线网络需要解决的关键问题。一种有效的功率节省方法是当移动终端的无线网络接口（WNI）处于空闲状态时将其切换至睡眠模式。基于此方法,论文提出了一种针对流媒体业务的、同时使用缓存策略和调度机制的功率节省算法（JBS）。JBS算法首先在基站一侧引入分组整型缓存,对到达基站发送队列的流媒体分组进行整型;然后,使用ORS策略对流媒体分组进行调度判决,其目标是使每个流的多个分组同时存在于发送队列中,并能在较短时间内使移动终端累积得到足够多的睡眠时间。与目前两种主要的功率节省算法BKS和RBS相比,JBS算法能够在保证流媒体用户QoS的同时,有效降低WNI的功率损耗。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 无线网络非实时业务分组调度算法
• 1.2.2 无线网络实时业务分组调度算法
• 1.2.3 无线网络混合的实时/非实时业务分组调度算法
• 1.2.4 无线网络功率节省的分组调度算法
• 1.3 论文的研究思路和组织结构
• 1.4 论文的主要贡献
• 第二章 无线网络非实时业务分组调度算法
• 2.1 引言
• 2.2 系统模型
• 2.3 无线网络非实时业务分组调度算法概述
• 2.3.1 基于服务时间/吞吐量公平的简单调度算法
• 2.3.2 基于多用户分集的机会调度算法
• 2.4 M-Max-rSNR:一种具有小尺度服务时间保证的分组调度算法
• 2.4.1 算法描述
• 2.4.2 平均信噪比的测量
• 2.4.3 仿真验证
• 2.5 SFOS:一种具有加权服务时间公平性的机会调度算法
• 2.5.1 资源分配目标
• 2.5.2 算法描述
• 2.5.3 性能分析
• 2.5.4 仿真验证
• 2.6 本章小结
• 第三章 无线网络实时业务分组调度算法
• 3.1 引言
• 3.2 无线网络实时应用系统结构
• 3.3 无线网络实时业务分组调度算法概述
• 3.4 ORS:一种机会的实时业务分组调度算法
• 3.4.1 算法描述
• 3.4.2 算法分析
• 3.4.3 仿真验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 无线网络混合的实时/非实时业务分组调度算法
• 4.1 引言
• 4.2 无线网络混合业务分组调度算法概述
• 4.3 PFQ-HS:一种具有服务时间公平性的混合分组调度算法
• 4.3.1 资源分配目标
• 4.3.2 PFQ-HS调度器的结构
• 4.3.3 第一级调度器
• 4.3.4 第二级调度器
• 4.3.5 对算法的理论分析
• 4.3.6 对算法的仿真分析
• 4.3.7 算法描述
• 4.3.8 仿真验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 无线网络功率节省的实时业务分组调度算法
• 5.1 引言
• 5.2 无线网络流媒体技术概述
• 5.2.1 视频流的编码与传输
• 5.2.2 流媒体分组的传输协议
• 5.3 无线网络功率节省算法概述
• 5.3.1 基于分组间隔的功率节省算法
• 5.3.2 基于块调度的功率节省算法
• 5.3.3 基于速率的块调度功率节省算法
• 5.4 JBS:一种同时使用缓存策略和调度机制的功率节省算法
• 5.4.1 JBS的缓存策略
• 5.4.2 JBS的调度机制
• 5.4.3 算法描述
• 5.4.4 仿真验证
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 论文主要工作总结
• 6.2 未来的工作展望
• 缩略词
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的主要论文
• 攻读博士学位期间参加的主要科研项目