[發明專利]基于模型的無線多跳網絡服務質量指標評價方法

無效

• 申請號: 201310265017.5
• 申請日: 2013-06-27
• 公開（公告）號: CN103338471A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 董育寧;張健;杜盼盼
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02;H04W24/06
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 葉連生

技術領域

本發明屬于無線通信領域，尤其涉及一種在無線網絡環境下準確估計端到端QoS參數的場景，考慮到業務到達特征、無線信道，以及物理層和鏈路層參數建立串聯隊列模型，并且開發出基于該模型的路由算法，保證無線多條網絡多媒體業務的端到端QoS需求。

背景技術

無線多跳網絡逐漸成為未來無線通信系統的重要組成部分，包括無線寬帶城域網、無線Mesh網絡等。有線—無線通信系統中，數據的高速率和QoS的需求在大幅度增長。相對于有線網絡，無線網絡不僅資源（包括帶寬和功率）更匱乏，而且多徑衰落、多普勒頻移、無線傳播導致的時間彌散等都會導致整個系統的性能下降。因此，研究具有QoS限制的無線網絡分析和優化問題具有重要意義。

無線多跳網絡中，無線多媒體業務的QoS限制使得路由成為一個頗具挑戰性的問題。任何路由算法的一個重要部分是路由發現階段，這里要進行鏈路/路徑QoS指標度量和資源預約，使得滿足QoS需求。典型的端到端QoS度量（如端到端丟包率和端到端時延）依賴于路徑中每個節點處隊列狀態的動態變化以及鏈路的狀態，從而依賴于業務到達特征、物理層和鏈路層設計，以及無線信道的狀態。

鑒于目前無線網絡的復雜多變特性，要準確地估計鏈路/路徑質量指標是一個比較困難的問題，尤其是通用的鏈路QoS指標計算方法開發，使之適用于各種不同低層技術的網絡，更是一個難點。

針對具有QoS限制的無線網絡分析和優化問題，通過跨層分析和建模來解決，不僅能夠較全面地研究系統性能，而且適用性強。現有技術如下：

1）以鏈路中的一個時幀為單位時間，在塊衰落信道條件下，當各個時幀之間信道狀態相互獨立時，LongLe等人提出了一種基于隊列狀態的一維FSMC串聯隊列模型。該模型考慮到批量伯努力通信量的到達過程、物理層上的多速率傳輸、鏈路層上基于理想情況下無限次重傳ARQ協議的錯誤恢復。基于該模型，可以估計每跳平均丟包率和處理時延（包括排隊時延和重傳時延）。從而，將該一維FSMC串聯隊列模型應用到QoS路由發現算法中。

盡管該方法采用跨層分析的方法建立了一種串聯隊列模型，可以估計出平均丟包率和處理時延，但也存在一些問題，包括兩個方面。（1）該模型采用了鏈路層上基于理想情況下無限次重傳ARQ協議的錯誤恢復，然而實際中是采用有限重傳ARQ，因而，在估計的端到端丟包率與端到端時延方面都與實際情況有差距；（2）由于在建模方面只是以隊列狀態為考慮對象，忽略了鏈路狀態，因而在性能方面只能估算出處理時延。然而，實際中，發送時延（傳輸時延）也是不可忽略的（忽略傳播時延）。

2）無線單跳網絡中，考慮自適應調制編碼（AMC）與有限重傳ARQ建立基于隊列狀態與服務狀態聯合的二維FSMC隊列模型，并通過模型進行QoS性能跨層分析與設計；

但是此方法只適用于無線單跳網絡，不能用于無線多跳網絡。

發明內容

技術問題：本發明針對無線多跳網路中的端到端QoS問題，采用跨層分析的方法，提出了一種基于模型的無線多跳網絡服務質量指標評價方法，即將隊列狀態與服務狀態聯合的二維FSMC串聯隊列模型。基于該模型，可以估計平均丟包率和時延（包括處理時延和發送時延，這里，我們忽略傳播時延）。由于該模型具有很好的分布式特性，可以逐跳地估計出每條鏈路的典型性能。因而，可以將其應用到QoS路由算法中。

技術方案：本發明方法將無線網絡物理層中的AMC技術與數據鏈路層上的有限重傳ARQ機制聯合，并且綜合考慮無線節點處的隊列狀態與服務狀態，建立一種改進的二維FSMC串聯隊列模型，通過數學模型，得到系統的狀態轉移矩陣和矩陣的穩態分布，進而通過該穩態分布計算得出系統的端到端時延、丟包率等QoS指標，該模型在準確估計丟包率的同時，還能準確得出鏈路時延（包括處理時延和發送時延）；基于以上的模型，開發出一種路由算法，將由模型得出的動態端到端時延、丟包率以及鏈路可用帶寬綜合考慮，在多條帶寬可行鏈路中選擇具有較小加權平均QoS度量的鏈路作為最優路徑，有效地降低了尋找路由的復雜度。

該方法包括：

進程一：針對具有物理層的自適應調制編碼AMC技術與鏈路層的基于有限次重傳的自動重傳請求ARQ錯誤恢復技術的無線多跳網絡，聯合鏈路中傳輸數據的隊列狀態和系統的服務狀態建立一種基于狀態對表征的二維有限狀態馬爾科夫鏈FSMC模型，應用該模型中的信道狀態轉移概率和隊列平均到達速率得到系統狀態轉移矩陣，通過狀態轉移矩陣的穩態分布估算鏈路的丟包率和時延；