無線MESH網(wǎng)中端到端流基于價格的公平性研究.pdf

1、近年來，隨著用戶對無線網(wǎng)絡(luò)需求的不斷提高，各種無線網(wǎng)絡(luò)的大量技術(shù)得到了迅速發(fā)展，其中無線Mesh網(wǎng)(Wireless Mesh Netwok，WMN)作為“最后一英里”(Last Mjle)的無線寬帶接入的關(guān)鍵技術(shù)日益成為熱門的研究課題。WMN是一種網(wǎng)狀的“多點一多點”結(jié)構(gòu)的無線多跳網(wǎng)絡(luò)，它打破了傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)的“點一多點”的結(jié)構(gòu)，將WLAN的“熱點”(Hot Spot

2、)概念推廣到高覆蓋率的“熱區(qū)”(Hot Area)。WMN具有許多潛在的突出的優(yōu)點，如高覆蓋率、高帶寬高容量、低成本的基礎(chǔ)設(shè)施投入等，這也吸引了越來越多的研究機構(gòu)和政府部門投入大量的人力物力對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。 大量研究表明要發(fā)揮WMN的巨大潛能必須要解決很多極具挑戰(zhàn)性的問題，如有限的網(wǎng)絡(luò)容量、路由、QoS、安全等，以IEEE 802.11為例，研究表明在無線多跳環(huán)境中，802.11的MAC協(xié)議帶來的沖突和不公平性使網(wǎng)絡(luò)的容量

3、低到令人吃驚的地步，某些情況下甚至?xí)?dǎo)致個別多跳流被“餓死”(Starvation)，因而WMN中端到端流的公平性是本文集中研究的問題，著重在基于價格的流量控制的(Price-based Flow Control，PFC)的框架下研究如何改進(jìn)現(xiàn)有協(xié)議以適應(yīng)WMN的特征來提高WMN的傳輸性能，具體內(nèi)容包括：WMN中PFC框架描述，不同公平性準(zhǔn)則下的基于價格控制的分布式算法以及跨層設(shè)計方案，WMN作為無線寬帶接入的無線回程網(wǎng)(Wireles

4、s Backhaul Networks，WBN)上的公平性參考模型等。 本文在第1章首先對WMN的相關(guān)背景以及論文的研究目標(biāo)和方法進(jìn)行了綜述，在Kelly和Low等人的工作基礎(chǔ)上給出了WMN中基于價格的流量控制框架，用以研究架構(gòu)式WMN中端到端流的公平性。 第2章通過對WMN中IEEE802，11的MAC協(xié)議和TCP協(xié)議采用有線狀態(tài)的Markov鏈建模分析，指出影響公平性的幾個重要因素以及在實現(xiàn)公平性目標(biāo)時實際改進(jìn)的方面

5、；最后討論了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中幾種經(jīng)典的的公平性準(zhǔn)則下的有效性與公平性的關(guān)系。這些分析為WMN中的公平性方案設(shè)計提供了指導(dǎo)方針。 公平性問題本質(zhì)上屬于一個優(yōu)化問題，其目標(biāo)函數(shù)是各種公平性準(zhǔn)則，約束條件是有限的網(wǎng)絡(luò)資源，基于此WMN中PFC框架下的公平性問題可數(shù)學(xué)描述為含約束條件的非線性規(guī)劃問題。本文第3章介紹了關(guān)于數(shù)學(xué)優(yōu)化的一些重要理論，包括線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、目標(biāo)規(guī)劃、非線性優(yōu)化、對偶規(guī)劃、Lagrange松弛、梯度及子梯度法等，這些

6、理論為實際設(shè)計WMN中的公平性方案、算法提供了堅實的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。 PFC框架中核心的控制變量是“價格”(Price)，在經(jīng)濟(jì)學(xué)中價格是控制商品供求關(guān)系的一只無形的手，市場運行的過程是一個供求平衡向另一個供求平衡不斷變化的動態(tài)過程，類似的，WMN中的流量控制也可建模為一個市場運行過程，由于無線環(huán)境的開放性，一定范圍內(nèi)共享信道的無線鏈路不能同時工作，否則將會發(fā)生沖突，這些互相沖突的無線鏈路的集合構(gòu)成了WMN中的一個虛擬實體：集群(

7、Clique)，因此WMN中PFC框架下的“供”是集群的容量，“求”是集群內(nèi)各鏈路上流量之和，供過于求集群價格下跌，供不應(yīng)求集群價格上漲。本文在第4章中介紹了PFC框架的基本概念，并將不同的公平性準(zhǔn)則下的優(yōu)化問題歸納為社會福利最大化和最大最小公平兩類，針對WMN中的這兩類優(yōu)化問題本文提出了在PFC框架下的通過雙重SumNet和雙重MaxNet控制模式來實現(xiàn)分布式算法，給出了一種自適應(yīng)步長的雙重MaxNet分布式算法實現(xiàn)最大最小公平性速率

8、控制。 WMN中公平性問題是一個典型的跨層問題，它與物理層、MAC協(xié)議、TCP協(xié)議以及路由協(xié)議均密切相關(guān)，第5章首先介紹了WMN中的跨層設(shè)計的原則和方法，然后描述了PFC框架下非協(xié)作式和協(xié)作式兩種跨層設(shè)計方案，最后提出了MAC約束下實現(xiàn)最大最小公平性目標(biāo)的跨層設(shè)計方案，本文的跨層方案僅針對MAC層和傳輸層之間的跨層協(xié)作。 無線網(wǎng)絡(luò)中由于無線信道的時變性，追求端到端流的時間片公平性比吞吐量公平性可以更好地折中系統(tǒng)的有效性和

9、公平性的矛盾，WBN作為一種特殊的無線多跳網(wǎng)絡(luò)，其上的傳輸接入點(Transit Access Point，TAP)為無線用戶提供到有線Internet的多跳接入，各TAP上的聚集流之間須滿足公平性。本文在第6章提出WBN中一種含權(quán)支流的公平性參考模型，該模型定義了四大目標(biāo)：聚集流、時間片、空間差異、空間利用，為各TAP聚集流內(nèi)支流分配不同的權(quán)重，該模型可在PFC框架下通過分布式算法實現(xiàn)。 本文對WMN中PFC框架下的端到端流的