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基于差分队列服务（DQS）的融合网络服务质量保障研究

作　者: 郭棉
导　师: 姜胜明
学　校: 华南理工大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 服务质量 有线 -无线融合网络 差分队列服务
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


宽带无线网络的移动化和移动通信网络的宽带化进程推动了基于IP的融合网络的演进。支持多种接入技术、提供多样化业务、无时无处不在等已成为下一代宽带融合网络的重要特征。然而服务质量(QoS)保障在融合网络里面临更新更大的挑战。例如，各种接入技术并存使端到端QoS保障更加复杂，多样化业务的发展要求融合网络提供混合QoS流的支持和宽泛的时延保障，实时业务所占比重的增大及其时延敏感性使数据包时延超时概率成为融合网络QoS性能的一个重要指标。此外，无线网络资源的有限性使通过提供超额服务实现QoS保障的方案不再适用于融合网络。因此，围绕融合网络的网络特性和业务特性研究QoS保障具有重要的意义。传统的QoS模型包括综合服务(IntServ)和区分服务(DiffServ)以及它们的变体。这些模型除了很难在可扩展性和QoS服务粒度两个方面达到均衡外，在融合网络的QoS保障方面也面临一系列的问题。近年来出现的一种基于数据包粒度的差分队列服务(DQS)用于解决有线网络的可扩展性和QoS服务粒度均衡问题，后来被扩展到无线网络。其主要服务规则包括：DQS要求每个数据包明确携带其QoS要求，如时延要求、丢包优选标志等。DQS路由器根据数据包的QoS要求决定其在缓存队列里的位置，也即决定了数据包调度的顺序和丢弃优先级。DQS可以根据端到端路径提供区分的QoS和支持混合QoS流和范围广泛的时延要求。所以DQS是一种适用于融合网络的QoS模型。由于DQS作为一种端到端QoS模型仍处于初始研究阶段，如何利用DQS实现融合网络的QoS保障仍有待进一步研究。其中包括基于DQS的资源分配、QoS保障的接纳控制以及如何实现端到端自适应QoS保障等。本文首先介绍了DQS的基本原理、关键技术和实现QoS保障尚需研究的问题，在此基础上研究了DQS基于QoS保障的资源分配、基于网络容量动态变化的接纳控制和建立端到端QoS性能模型，最后提出了一种基于DQS的自适应端到端QoS保障方案。本文的具体研究成果和创新如下：1)根据时延要求建立业务流模型和用服务能力曲线表示动态的网络容量。传统的网络分析方法一般按流或类的粒度建立数据流的业务模型。本文首次按数据包的时延要求建立业务流模型。按数据包的时延要求将到达的业务划分为有限个数据流，具有相同时延要求的业务看作一个数据流并用一个独立的业务模型表示。此方法可灵活描述混合QoS流以及支持宽泛的时延要求。此外，基于中心极限定理建立了链路容量动态变化的无线链路随机服务能力曲线。此方法将无线链路的信道容量、信噪比、移动速率等网络下层的参数映射为平均带宽、带宽变量和时间段这三个网络层服务能力参数，既降低了网络分析过程的复杂性又反映了无线链路的带宽时变特性。2)研究了基于DQS的融合网络单个节点实现QoS保障的问题，包括：a) QoS保障的带宽和缓存资源分配：针对多个分形布朗运动(FBM)业务模型、对应的时延要求研究了网络容量不变时的独立分配资源和全局资源共享这两种方式的带宽和缓存需求以及混合业务时的带宽和缓存需求。b)网络容量动态变化的QoS保障接纳控制:建立了网络容量动态变化的QoS性能模型，提出了以时延超时概率为阈值的QoS保障接纳控制算法，并利用半马尔可夫决策过程(SMDP)优化此接纳控制算法。3)研究了基于DQS的融合网络多个节点实现QoS保障的问题，包括：a)以网络演算为基础分析了基于DQS的融合网络端到端QoS性能。首先分析了端到端确定服务的QoS性能。基于此提出一种根据数据流的业务包络率来预留端到端带宽从而控制数据流的端到端时延超时概率的方法，来实现融合网络的端到端QoS保障，接下来推导了基于随机服务的端到端时延超时概率上界。该概率上界既可用于端到端随机QoS保障的性能评估又可用于端到端QoS保障的流量控制，具有重要的理论价值。b)提出了一种基于DQS的自适应端到端QoS保障方案。根据节点在融合网络中的网络属性，依次提出了动态确定数据包在网关节点、无线网络节点和有线网络节点的时延界的算法。以上所提方案和模型均通过计算机模拟仿真来检验和验证，仿真结果表明，它们均能达到预期的效果。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-14
英文缩略词  14-16
第一章 绪论  16-30
  1.1 研究背景与意义  16-18
  1.2 融合网络的 QoS 研究现状  18-23
    1.2.1 融合网络的 QoS 结构  18-19
    1.2.2 融合网络的 QoS 模型  19-23
  1.3 DQS 及其研究现状  23-26
    1.3.1 关键技术  23-24
    1.3.2 尚待研究的问题  24-26
  1.4 研究目标和内容  26-30
第二章 基于 DQS 的融合网络的业务和服务模型  30-39
  2.1 业务模型  30-33
    2.1.1 累积到达业务量  30
    2.1.2 按时延要求分类的业务流  30-31
    2.1.3 FBM 业务包络曲线特性分析  31-33
  2.2 服务模型  33-38
    2.2.1 服务曲线  34
    2.2.2 时延界与服务曲线的关系  34-35
    2.2.3 融合网络的链路模型  35-36
    2.2.4 无线链路随机模型特性分析  36-38
  2.3 本章小结  38-39
第三章 基于 FBM 业务模型的 DQS 资源分配研究  39-60
  3.1 引言  39
  3.2 系统模型  39
  3.3 基于每流的独立资源分配方式  39-44
    3.3.1 时延超时概率  40-42
    3.3.2 带宽需求  42
    3.3.3 缓存需求  42-44
  3.4 全局共享的资源分配方式  44-46
    3.4.1 时延超时概率  44-45
    3.4.2 带宽需求  45
    3.4.3 缓存需求  45-46
  3.5 实时业务和非实时业务混合的资源分配  46-50
    3.5.1 DQS 调度和严格优先级调度相结合的调度机制  46-47
    3.5.2 实时业务时延超时概率  47-48
    3.5.3 非实时业务服务速率低于下限的概率  48-49
    3.5.4 带宽需求  49
    3.5.5 缓存需求  49-50
  3.6 数值结果讨论  50-59
    3.6.1 资源需求比较  50-53
    3.6.2 模型验证  53-59
  3.7 本章小结  59-60
第四章 基于网络容量动态变化的 DQS 接纳控制研究  60-77
  4.1 引言  60
  4.2 无线网络的动态容量  60-61
  4.3 基于移动无线环境的 DQS 系统 QoS 性能模型  61-67
    4.3.1 时延超时概率  61-62
    4.3.2 每流等效带宽  62-63
    4.3.3 丢包率  63-65
    4.3.4 模型验证  65-67
  4.4 接纳控制策略  67-76
    4.4.1 系统模型  68
    4.4.2 QoS 保障接纳控制策略  68
    4.4.3 基于 SMDP 的优化 QoS 保障接纳控制策略  68-73
    4.4.4 实验验证  73-76
  4.5 本章小结  76-77
第五章 DQS 的端到端 QoS 性能研究  77-100
  5.1 引言  77
  5.2 系统模型  77-78
  5.3 端到端 QoS 性能研究  78-92
    5.3.1 确定服务的 DQS 网络最小服务曲线研究  78-87
    5.3.2 随机服务的端到端时延超时概率界  87-92
  5.4 仿真结果  92-99
    5.4.1 确定服务仿真结果  93-98
    5.4.2 随机服务仿真结果  98-99
  5.5 本章小结  99-100
第六章 一种基于 DQS 的自适应端到端 QoS 保障方案  100-116
  6.1 引言  100
  6.2 融合网络对自适应端到端 QoS 保障的需求  100-101
    6.2.1 移动性  100
    6.2.2 实时业务的突发性  100-101
  6.3 基于 DQS 的自适应端到端 QoS 保障方案  101-104
    6.3.1 动态确定数据包在网关节点的时延界的算法  101-103
    6.3.2 动态确定数据包在无线网络域内节点的时延界的算法  103-104
    6.3.3 动态确定数据包在有线网络域内节点的延时延界的算法  104
    6.3.4 小结  104
  6.4 性能分析  104-109
    6.4.1 QoS 性能分析  104-107
    6.4.2 开销分析  107-108
    6.4.3 动态延时估计误差分析  108-109
  6.5 仿真结果  109-115
    6.5.1 对移动环境的 QoS 适应性  110-112
    6.5.2 对突发业务的 QoS 适应性  112-113
    6.5.3 开销比较  113-114
    6.5.4 估计误差  114-115
  6.6 本章小结  115-116
结论  116-119
  1 研究工作总结  116-117
  2 后续研究工作展望  117-119
参考文献  119-126
附录  126-129
  1 随机网络演算基础理论  126
  2 概率论和随机过程基础理论  126-129
    2.1 累积分布函数  126-127
    2.2 矩母函数  127-128
    2.3 中心极限定理  128
    2.4 切尔诺夫界定理  128-129
攻读博士学位期间取得的研究成果  129-131
致谢  131-132
附件  132

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信 > 移动通信
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