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随着无线网络和无线移动设备的飞速发展,宽带无线接入(BWA)的需求量越来越大。移动在线支付和移动电子商务等关键应用和多媒体应用在无线移动网络中比比皆是。无线移动信道具有传播开放,接收环境复杂,用户随机移动的特性。WiMAX网络作为一种宽带无线接入技术,受到业界的普遍关注和青睐。日益增长的用户业务需求与无线资源的稀缺性之间的矛盾对无线资源管理问题提出了新的挑战;用户高速接入需求与无线信道时变特性之间的矛盾对提供QoS保证算法提出了更高的要求。在移动WiMAX网络中有效保证用户的QoS要求是亟待解决的问题。本文从跨层QoS保证框架研究入手,在验证分析了移动WiMAX网络业务流具有长相关特性的基础上,提出了自相似的接纳控制算法;为了发挥无线信道的多用户分集增益,提出了信道感知的实时业务流的调度算法和非实时业务流的调度算法,并对调度算法进行了稳定性分析,系统地解决了移动WiMAX网络中保证用户多业务QoS的关键算法有效性问题。论文的主要工作和研究成果表现在以下几个方面:(1)研究移动WiMAX系统业务流的特性。首先,研究可用于分析业务流特性的方法,认为小波估计法具有较好的分析精确度,并通过试验和理论推导,反复选择小波消失矩和优化尺度参数的范围,减小这些因素对检测结果的影响。其次,利用ON/OFF模型仿真移动WiMAX网络中五种不同类型业务流,使用小波估计法对模型产生的trace文件进行分析。实验分析结果表明,实时业务流的长相关性比较小,非实时业务流的长相关性相对较大,随着网络负载的增大,业务流的长相关性会略有变化,聚合业务流的长相关性的检测值与理论值基本吻合。业务流的长相关性建模比传统的流量建模方法能更精确描述业务流的本质特征,业务流的长相关性对设计网络的呼叫接纳控制算法、提供网络服务质量(QoS)保证、网络安全和改善网络的性能等方面具有重要意义。(2)设计跨层的提供QoS保证解决方案。为了增强提供QoS保证算法的有效性,用多用户分集增益的思想,提出一跨层的提供QoS保证的调度方案。设计出与框架相适应的接纳控制算法和机会调度算法。根据移动WiMAX业务流的长相关特性,提出了自相似的接纳控制算法来控制系统中的连接数目。为了保证实时业务流的时延要求,提出对上行实时业务采用预测的LWDF调度算法;为了满足非实时业务流调度公平性,对上行非实时业务采用预测的PF调度算法。仿真实验表明,跨层调度方案能根据无线信道的时变特性,动态调整调度算法的调度行为,发挥了无线信道的多用户分集增益优势,提高了系统的吞吐量,降低了呼叫阻塞率。(3)设计移动WiMAX系统的接纳控制算法。以移动WiMAX系统业务流长相关特性为基础,提出用M/Pareto模型来对网络业务流进行建模,通过M/Pareto模型和FBM业务流模型之间统计性质得到两个模型间参数映射关系,推导出基于M/Pareto模型参数的有效带宽计算公式,据此设计出一个自相似接纳控制算法(SS-CAC)。该算法避免了通过测量的方法来获取FBM业务流模型中参数值,又适应了移动WiMAX网络流自相似这一特性,使得计算的有效带宽更加精确和快捷,提高了系统资源利用率。仿真结果表明,该算法可提高网络的带宽利用率,降低了系统的呼叫阻塞率。(4)设计业务流的资源调度算法。为了获得多用户分集增益,更好地发挥自适应调制编码(AMC)的作用,针对系统的实时业务流,采用最大加权时延优先调度算法M-LWDF,以适应时延的要求;对非实时业务流,采用调度算法PF,以满足用户的公平性。为了减小瞬时速率的影响,采用马尔可夫预测模型对M-LWDF和PF进行改进,通过预测下一时隙的信道速率,平滑瞬时速率的影响,并据此设计了预测的M-LWDF调度算法(Pre-LWDF)和预测的PF调度算法(Pre-PF)。通过于信道无关性和Markov链的聚合性降低预测模型转换矩阵的维数,提高计算速度。仿真结果表明,该调度方案保证了实时业务流的服务质量,提高了系统的平均吞吐量和公平性,减小了系统的振荡性;保证了非实时业务流的服务质量,提高了系统的平均吞吐量和公平性,减小了系统的振荡性,防止出现"饥饿"现象。(5)分析证明预测调度算法具有稳定性。提出用Lyapunov Drift稳定性理论证明Pre-LWDF调度算法的分组级稳定性,用Markov链建模一无线时变信道,该调度算法在各个用户间调度实时业务流,这样,移动WiMAX网络在PMP模式下形成了一个M/G/1的排队系统。根据队列理论计算推导出移动WiMAX网络的信道容量域和系统的稳定域,用Lyapunov Drift稳定性理论分析证明Pre-LWDF调度算法具有分组级稳定性。进一步在NS2仿真平台上搭建一个移动WiMAX网络仿真环境,验证Pre-LWDF调度算法的稳定性。同时也验证接纳控制算法和调度算法的有效性,进而验证系统的整体性能。另一方面,在调度算法PF具有流级稳定性的基础上,利用流极限理论分析了 Pre-PF算法同样具有流级稳定性。(6)仿真实现了跨层提供QoS保证的框架。为了验证和分析本文提出的跨层提供QoS保证的框架、接纳控制算法和调度算法,在NIST移动WiMAX仿真平台上,引入包含QoS的移动WiMAX模块。在此基础之上,按照跨层提供QoS保证的框架,仿真实现了具有长相关特性的五种业务流、自相似的接纳控制算法和信道感知的预测调度算法。仿真试验分析表明,跨层的提供QoS保证框架及其相关算法不仅具有适用性,更在系统的吞吐量和时延等性能方面有所提高。