论文摘要
近年来,随着正交频分复用（OFDM:Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing）和多入多出（MIMO:Multiple Input MultipleOutput）等新一代物理层技术日益广泛的应用,无线信道的带宽大幅度增加。采用这些物理层技术的各种宽带无线网络在不断改进其数据链路层协议,以便充分利用物理层传输能力。IEEE802.11/15/16/20等宽带无线网络的飞速发展,是上述技术背景的充分体现。随着带宽的增大,移动性和服务质量（QoS:Quality ofService）支持能力的增强,这些宽带无线网络相对于3GPP和3GPP2蜂窝移动网络的优越性越来越突出。3GPP和3GPP2不得不启动长期演进（LTE:Long Term Evolution）和空口演进（AIE:AirInterface Evolution）计划来应对这种冲击。作为已经得到广泛应用的无线局域网（WLAN:Wireless Local Area Network）协议,IEEE802.11在接入速率、QoS、网状（Mesh）支持等方面不断得到增强;而IEEE 802.16协议以多方面的性能优势,被视为无线城域网（WMAN:Wireless Metropolitan Area Network）的主流协议。因此,现有的移动无线网络正在进入一个向4G演进过程中的一个特殊形态——即蜂窝移动网络与IEEE 802系列的宽带无线网络相互竞争、互为补充并走向融合的一种形态。本文将处于这一形态的网络称为下一代宽带移动因特网（NGBMI:Next GenerationBroadband Mobile Internet）。NGBMI并非4G网络,而是现有无线网络朝着4G目标演进过程中的一个过渡阶段。为用户提供随时随地通过多种方式接入的具有QoS保障的移动多媒体业务,是NGBMI的设计目标。本文认为,要实现NGBMI的这一目标,需要从三个方面入手。第一,NGBMI需要提供高性能的移动性管理来满足移动多媒体业务在切换方面的QoS需求。移动IP协议是4G网络中IP层移动性管理的自然选择,但是仅适用于宏观移动管理,在微观移动管理方面效率不高。因此,需要对移动IP协议的微观移动扩展进行增强。第二,NGBMI必须增强其无线MAC层协议来满足移动多媒体业务传输方面的QoS需求,主要是传输时延和时延抖动。由于无线链路的带宽有限性、高误码率和时变特性,在无线网络中解决QoS问题不像有线网络中那样,从IP层及其以上层次采取措施就可以达到目的。近年来,通过MAC层机制来保证无线网络中多媒体业务的QoS一直是学术界关注的焦点。在无线网络MAC层提供QoS保证,是为提供移动多媒体业务QoS保证的必然选择和重要契机。IEEE 802.11e和IEEE 802.16协议是MAC层支持QoS保证的两个典型协议,也是NGBMI中本文特别关注的两个协议。这两个协议的MAC层OoS机制并不完善,需要进一步优化。第三,NGBMI需要整合包括3GPP/3GPP2蜂窝移动网络和IEEE 802系列宽带无线网络的多种异构网络,以便为异构无线环境下移动多媒体业务提供QoS保证。IEEE 802.21工作组提出的媒质无关切换（MIH:MediaIndependent Handover）代表了目前异构网络整合的发展方向,但MIH仍然处于标准制定阶段,尚且存在许多空白之处。因此,需要研究MIH在NGBMI中的应用方案,借助MIH来提高NGBMI中异构网络间的切换性能。上述三个方面问题的研究,具有很强的学术价值和应用价值。本文结合教育部博士点专项基金“无线互联网关键技术研究”（编号20040013010）的研究实践,对NGBMI的微观移动管理机制、MAC层QoS机制以及异构无线网络整合机制进行了深入系统的研究,并取得以下三方面的成果:（1）NGBMI微观移动管理论述了微观移动管理的现状和发展趋势,分析在NGBMI中采用多级层次化移动IPv6协议（M-HMIPv6:Multi-level HierarchicalMobile IPv6）的意义以及M-HMIPv6协议中MAP选择的研究现状。针对现有MAP选择机制缺乏QoS保证的问题,通过建模来表征M-HMIPv6协议中MAP选择对移动多媒体业务切换性能的影响,并推导出一个平均切换时延（AHD:Average Handover Delay）估算公式。在此基础上提出了一种QoS感知的MAP选择（QMS:QoS-aware MAP Selection）机制。基于NS-2模拟对AHD估算公式和QMS机制分别进行了有效性验证和性能评估。结果表明,所设计的QMS机制能够有效减少NGBMI中移动多媒体业务的AHD。（2）NGBMI MAC层OoS保证机制论述了NGBMI中MAC层QoS机制对NGBMI支持移动多媒体业务的重要性,并着重对IEEE 802.16e和IEEE 802.11e的MAC协议进行了研究。在IEEE 802.16e MAC协议的研究方面,提出了一个QoS调度算法,并通过NS-2模拟进行了性能评估,证明了该QoS调度算法的有效性,并提出了进一步优化IEEE 802.16e MAC层QoS的方案。在IEEE 802.11e MAC协议的研究方面,通过NS-2模拟,对IEEE 802.11e在单跳有基础架构模式和多跳ad hoc模式中的多媒体业务QoS进行了评估,分析了IEEE 802.11e EDCA在多跳ad hoc模式中端到端传输性能的缺陷。提出了一种用于IEEE802.11e EDCA模式的支持主动丢弃的自适应优先（ADAP:ActiveDrop enabled Adaptive Priority）机制,并通过NS-2模拟证明了ADAP机制对EDCA的性能改善。（3）NGBMI异构无线网络整合论述了异构无线网络整合的现状和发展趋势。提出了基于链路层触发的F-HMIPv6切换机制,并对其在IEEE 802.16e网络中的应用进行了NS-2模拟评估。提出了基于MIH的F-HMIPv6协议,并以WiMAX-WiFi异构无线网络为背景进行了NS-2模拟。模拟结果表明,基于MIH的F-HMIPv6协议能够在WiMAX-WiFi异构网络中带来显著的性能提升。本文以满足NGBMI中移动多媒体业务的需求为出发点,对NGBMI中微观移动管理、MAC层QoS机制和异构网络整合等三个关键技术进行了系统深入的研究并取得了一系列成果。本文的研究结果,对于NGBMI的优化和移动无线网络的演进具有一定的参考意义。
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