wimax网络层调度算法研究.pdf

摘要 摘要 随着无线通信、互联网和多媒体技术的快速发展，特别是以WiMAX／LTE为 代表的新一代移动通信网络正朝着丰富、快速、灵活、高效等方向发展，呈现出 用户业务多样化、无线技术宽带化、宽带技术无线化和IP技术综合化等特点。 为支持具有不同服务质量需求的业务，这就要求无线通信网络的无线调度必须与 业务需求相结合，在各业务之间合理动态有效地分配无线资源。同时，由于无线 信道的时变性，无线通信网络的调度算法需要在时、频、码等多维进行调度控制， 并且需要更强的自适应能力，以最优的方式动态分配无线资源，从而增加系统的 最大吞吐量和提高无线资源利用率。 传统的有线网络协议需要彼此透明，以保持各层协议设计上的的独立性，同 时减小网络协议开发和实现的难度。然而，在无线网络中，特别是移动无线网络 中，由于无线环境的不确定因素，导致无线信道容量和误比特率等的时变特性， 传统分层设计方法无法保证网络的最佳资源利用率和用户业务的服务质量需求。 为了提高无线网络的性能，物理层、媒体访问控制层、路由协议和传输协议，甚 至应用层必须与其它各层进行有效的信息交互，以适应其它层特性的变化，于是 产生了无线网络跨层设计的思想。跨层设计思想已经提出多年，过去主要用于系 统设计和软件设计，应用到通信网络协议设计，特别是无线通信网络协议设计还 只是最近几年的工作。跨层设计思想主要应用于自适应系统，目前在蜂窝通信、 WiFi、蓝牙、无线城域网、无线传感网络、无线多跳网络、自组织网络等方面取 得了一些初步的成果，很多理论与工程上的问题需要解决。本论文以无线城域网 统的调度优化等问题。 本论文在WiMAX无线通信网络架构和通信业务类型的基础上，分析了无线 通信网络中无线调度领域新的研究方向和研究现状，包括：基于OFDM／OFDMA 的时域、频域等维度的联合资源调度技术、具有服务质量保障的动态自适应无线 信道资源分配技术、分组调度控制技术等。在对无线调度算法领域的经典理论和 算法的总结和分析基础之上，针对WiMAX无线环境下的多用户OFDM／OFDMA 系统的无线调度算法，特别是基于跨层的无线调度算法进行了深入的研究。 早期的无线调度算法都是基于有线环境下的调度算法修改而来的，但是这种 算法不能适应当今的无线通信系统，特别是4G这样高带宽、高速率、服务质量 保证的无线网络。由于无线调度算法研究的主要问题是将稀缺的无线资源在给定 的时间内分配给不同的用户，无线调度算法的结果是优化一个或多个目标，如吞 吐率、低功耗、公平性等。针对这种情况国内外的研究提出了各种各样的解决无 线通信中跨层调度的办法。这些方法普遍都在对无线调度的数学模型本身进行简 北京工业犬掌工学博上．彳：￡。=论文 化的前提下，使用如凸优化，动态规划法、单纯形法、线性规划、拉格朗日松弛 法等数学规划的方法进行求解。这等于对无线调度问题本身进行了简化，如凸优 化方法将问题简化为凸优化的领域，而不考虑调度问题本身有可能是凹优化的问 题。另外一般传统的数学规划方法，只能求得一个精确解。因为调度是多目标的， 而多目标的解，即Pareto解其问题本身就是一个解集，几乎不存在唯一解的可 能性。而且数学规划的方法对于变量的条件，调度函数的可导、可微等有一定的 要求，这就限制了该类方法的应用范围。本论文提出了使用进化算法求解无线调 度问题的方法。由于无线调度问题本身的复杂性，涉及到无线通信、计算机网络、 计算机科学等多学科交叉，目前应用进化算法求解无线调度问题的研究成果和发 表的论文还是空白，所以进行该领域的研究是一件非常有意义的工作。本论文首 次提出了基于微分进化算法以及多目标优化算法的无线调度算法，通过仿真验证 了这些算法在WiMAX网络中应用的有效性和可行性。 本论文的主要创新点如下： 1．建立了WiMAX网络OFDMA模式的公平调度数学模型，本论文提出了适于进 化算法应用的简化的多载波公平调度模型以便于进化算法的使用。 特点，本论文提出了适于WiMAX网络OFDMA模式的跨层调度算法架构。 3．提出了基于微分进化的WiMAX网络OFDMA模式的跨层调度算法，微分进化 算法是进化算法产生以来在算法理论方面取得的最重大的进展。由于微分进化算 法同样应用了“优胜劣汰，适者生存”的自然进化法则，所以该算法也应当属于 进化算法的一种。微分进化算法能更快速、更稳定的收敛到问题的全局最优解。 考虑到无线信道的时变性，无线调度算法需要快速的跟踪信道的变化，所以本论 文提出了基于