无线多跳网络吞吐量优化和全双工网络时延优化

摘要

基于载波侦听多路访问(Carrier Sensing Multiple Access，CSMA)协议的无线局域网技术，因其速率高、成本低等一系列优点而被广泛的应用于人们的日常生活当中，而对CSMA网络性能的分析与优化一直是研究者们关注的重点。全双工无线通信技术是一种新兴的无线通信技术，它能达到几乎传统通信两倍的网络吞吐量，因而全双工无线通信带来的网络性能提升得到业内人士的广泛关注。本文致力于无线网络的性能分析和优化，针对无线多跳网络的吞吐量和全双工CSMA网络中的时延分析，分别建立优化模型得到优化方案，并通过实验仿真，验证所提方案的正确性和有效性。具体而言，本文研究的主要内容和创新之处在于:
　　(1)为了进一步提高无线多跳网络中端到端的吞吐量，提出了一种多径路由与CSMA协议联合优化方案(Link-access-intensities Adjustable Multi-path Routing，LAMR)。LAMR通过调整路由层多路径流量分配与MAC层协议参数设置（即链路接入强度）来最大化数据流端到端的吞吐量。具体来说，首先采用理想CSMA网络(Ideal CSMA Network，ICN)模型来分析MAC层链路吞吐量性能，进而构建路由层与MAC层联合优化的系统吞吐量最大化模型(Maximum System Throughput Model，MSTM)，用以刻画无线多跳网络中的路径选择、流量分配、以及MAC层协议参数设置对链路吞吐量的影响。进而运用最优化工具求解得到数据流在多条路径的流量分配方案以及各链路的接入强度设置。仿真结果表明，与现有方案相比，LAMR方案可以获得平均21.3％的系统吞吐量提升。
　　(2)针对全双工无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)，提出了简单而准确的模型来分析MAC层数据包排队时延。在时延分析的基础上，我们进而进行应用可行性分析，即针对给定的数据流的服务质量(Quality of Service，QoS)要求，判断网络是否可以保证该数据流的传输质量。更进一步，在可行性问题的基础之上可以通过调整竞争窗口设置，进一步优化QoS数据流的性能。我们提出了基于用户时延效用函数的优化模型，并采用内点法和梯度向量来解决该优化问题。仿真结果表明，与现有方案相比，时延优化设计可以大幅提升WLAN的时延性能。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 研究现状

1．3．1 无线CSNA网络研究现状

1．3．2 全双工技术的研究现状

1．4 主要内容和组织结构

1．4．1 研究内容以及创新点

1．4．2 组织结构

第二章 CSMA网络介绍

2．1 CSMA无线网络

2．1．1 CSMA机制

2．2 无线多跳网络中链路的吞吐量分析

2．3 WLAN网络的时延分析

2．3．1 服务时间和队列时延

2．3．2 李特尔定理

2．3．3 M/G/1排队系统

2．4 本章小结

第三章 无线多跳网络中多径路由与CSMA协议联合优化

3．1 系统模型

3．1．1 节点图模型

3．1．2 冲突图模型

3．1．3 网络模型的转化

3．1．4 ICN模型的分析

3．1．5 LAMR方案

3．2 MSTM优化模型

3．3 仿真结果分析

3．4 本章小结

第四章 全双工模式下WLAN网络中数据流时延优化

4．1 全双工模式下的时延问题

4．2．1 随机接入延迟

4．2．2 服务时间

4．2．3 队列时延

4．2．4 队列时延和服务时间的关系

4．3 不动点迭代问题的分析

4．4 可行性问题分析

4．5 时延优化问题

4．6 理论分析及仿真

4．6．1 仿真设置

4．6．2 分析模型的准确性

4．6．3 时延优化性能分析

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况