无线/移动网中带宽分配及其公平性研究

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近年来因特网的发展呈现出网络资源相对稀缺、应用多样化和商业化几大特点。无线/移动通信网与因特网的融合推动了移动环境下多媒体应用的发展,同时,移动环境下的用户要求得到与有线环境中相同的服务质量(QoS)。无线网带宽资源固有的贫乏性难以满足这种日益增长的需要,成为提供多媒体服务的QoS性能瓶颈。在商业化环境下仅仅通过超量供给来解决网络资源稀缺和满足不同类型用户的服务要求是不可行的。所以如何合理分配相对稀缺的网络资源、激励用户选择合适的服务类型,从而优化网络整体的效益,便成为一个重要的研究课题。 本论文重点研究无线多媒体蜂窝网络中,保证多业务服务质量的带宽分配及其公平性问题。分为两大部分:第一部分研究连接级的呼叫接纳控制策略,保证系统连接级的QOS性能指标和对呼叫接纳的公平性,这是粗粒度的带宽分配:第二部分研究带宽适应的公平性问题,这是细粒度的带宽分配。两者均是针对无线多业务蜂窝网络环境的QoS控制。 在第一部分中,本文侧重利用价格机制研究多业务无线蜂窝网络的呼叫接纳控制问题。这部分主要工作如下: 首先,提出了面向多业务的基于效用的参数合并方法。将应用以其效用特征曲线进行分类,将多业务转化为有限的几个效用类,从效用类这一更“粗”的层次上考虑问题,而不是精确对每个业务进行控制,从而大大简化了问题。提出了标准呼叫到达率的概念,将同一效用类内的多维流量统一到一维流量,使最优呼叫到达率的求解变得容易。利用该参数合并方法,能够将J.K.Hou等人提出的与价格机制相结合的接纳控制模型由单业务推广到对多业务的支持。该参数合并的思想同样可用于对多维Markov模型进行简化。 其次,提出了面向多业务的混合呼叫接纳控制策略(MMCAC)。以面向多业务的参数合并方法为基础,提出了面向多业务的混合呼叫接纳控制策略MMCAC,将价格机制与以概率接纳的思想融合在一起,既利用了价格机制的整流特征,又为不同偏好的用户提供了选择的余地,综合考虑了系统性能和用户的满意度。所用价格机制充分考虑了有效性与易用性两个方面,资源在两类不同偏好用户间的划分方式具有简单、有效和方便的特点。与守卫信道策略(GC)和自适应的接纳控制策略(ACAC)相比,MMCAC更能适应未来无线多业务网络流量模式的变化,使系统性能更稳定。 第三,在公平性方面对MMCAC进行了改进(EMMCAC)。引入双重价格机制的思想,对切换呼叫也实施动态价格进行适当的限制,不过,为其设置比较高的启动阈值,用于应对极端情况下新呼叫和切换呼叫间流量的不平衡性,加速其恢复到正常状态,并为不同偏好的切换用户提供了选择的余地。EMMCAC策略与MMCAC策略相比,能够有效调节极端情况下切换呼叫与新呼叫之间流量的不平衡性,使系统的各QoS指标得到更好地满足,并能使系统的资源利用率略微提高。另外,在一定条件下窄带业务对宽带业务具有阻塞作用,传统的接纳控制原则(一般是先到先接纳)会造成对宽带业务接纳的不公平现象,针对该问题,对EMMCAC策略中CAC模块的接纳原则进行了修改,引入有效的接入平衡机制,用来缓解这种不公平现象。分析结果表明,这种接入平衡机制具有公平合理的特点,且对系统资源利用率的影响比较小,资源预留期也比较短。 在第二部分中,侧重对已接纳呼叫的带宽适应算法及其公平性进行研究,提出了基于效用加权公平的带宽分配和适应方案。由于应用的多样性,不同应用具有不同的效用特性,所以从速率适应的公平性来看待带宽适应的公平性问题是不合适的,因此本文从效用公平的角度研究带宽分配和带宽适应问题。为了对所提算法从带宽分配和带宽适应两方面作公平性评价,首先将效用公平性指数扩展到分别针对分配公平和降级公平的两种效用加权公平指数UWFI_Ⅰ和UWFI_Ⅱ。然后针对多业务、多优先级的自适应多媒体应用,提出了基于效用加权公平的带宽分配方案(UWF_BA)和基于效用加权公平的带宽适应方案(UWF_BD),并给出了基于量子遗传算法的求解方法,量子遗传算法具有搜索能力强和收敛速度快的特点,可在线使用;接着将UWF_BD与UWF_BA方案从两类公平性指数UWFI_Ⅰ和UWFI_Ⅱ的角度进行了对比,得出公平的带宽分配方案不能保证公平的带宽适应。本文认为,对于自适应多媒体应用来说,从带宽适应的公平性角度研究其QoS降级的公平性更具有合理性。 论文的两部分分别从粗粒度和细粒度两方面对无线多业务蜂窝网的带宽分配问题进行研究,两者相辅相成,为无线多业务蜂窝网络环境的QoS控制问题提供相应的解决方案。
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