超宽带无线网络性能分析和优化研究

摘要

自从美国联邦通信委员会在2002年给超宽带(Ultra Wide-Band，UWB)无线网络分配了从3.1 GHz到10.6 GHz的频谱后，UWB技术就一直受到工业界和学术界等多方面的关注。UWB技术提供了数百兆比特每秒的数据传输速率，可以用来连接各类多媒体和娱乐设备，从而在个人或家庭范围内构造一个全方位的无线影音和娱乐环境。作为一个新兴技术，UWB带来了许多新的特性，如基于皮克网(piconet)的网络拓扑，混合了时分复用(TDMA)和载波监听复用/冲突避免(CSMA/CA)的信道访问方式等。由于无线网络多层之间的相关性非常大，介质访问子层发生的本质变化将会对其它层产生重大的影响，因此，目前无线网络中的许多性能分析和优化技术难以在UWB网络中使用。在上述背景下，本论文着眼于UWB技术所带来的挑战，并试图提出相应的解决方案。为此，论文从跨层设计(Cross-Layer Design)角度对UWB网络的性能进行了优化，并对当前草案中的信标时期(Beacon Period，BP)缩短算法进行了模型化和性能评估。本论文的创新性工作如下： 1．通过联合考虑拓扑形成和路由选择的方式，给出了形式化描述的UWB网络模型UNM。 在对UWB技术深入调研的基础上，提出并使用例子说明了在UWB网络中必须要联合考虑介质访问子层和网络层才能达到较好的性能。本文中，UWB网络的跨层优化问题被定义为：给定设备的分布状况和流量需求，生成皮克网并决定路由，使得吞吐量最大化。针对跨层优化问题提出了形式化描述的UWB网络模型UNM，使得求解跨层优化问题的最优解等价于求解UNM模型的最优解。UNM模型使用布尔矩阵来描述UWB网络中的角色分配，它涵盖了UWB网络的许多关键特性，如相关皮克网(Dependent PicoNet，DPN)和皮克网加入策略等。本文把UNM模型和一个简化的UWB模型SUM作对比，发现由于SUM模型没有考虑这些特性，因此基于SUM模型对UWB网络进行跨层优化所得到的吞吐量远低于基于UNM模型所得到的吞吐量。最后，通过把求解UNM模型的最优解归约为寻找任意单位碟子图(Unit Disk Graph，UDG)色数的方法证明了该问题是NP-难的。本模型是UWB网络中第一份联合考虑拓扑形成和路由选择的工作。 2．给出了UNM模型最优解的上界和下界,并证明了上界的解不超过最优解的3倍。同时数值结果表明上界和下界非常接近。 论文通过对约束进行放松和使用伪布尔优化的方法给出了UNM模型最优解的一个上界，并证明了上界的解不超过最优解的三倍。基于求解上界所得到的网络拓扑，给出了下界的形式化描述，并使用列生成的方法对下界进行了求解。基于所得到的上界和下界，将UNM模型、简化的UWB模型SUM和只考虑拓扑形成的算法PFA加最优路由(即对网络和拓扑进行分立优化的模型)iIHgTx~比。数值结果显示：上界和下界非常接近；使用跨层优化模型对UWB网络进行优化所得到的吞吐量总是比分立优化模型所得到的吞吐量要好的多。 3. 对UWB介质访阃子层的信标时期缩短算法进行7模型化和性能评估。模拟试验和数值结果表明．该算法的性能E经不存在太显著的提升空间。 信标时期是UWB介质访问子层的一大开销。为了了解当前的UWB规范中定义的信标时期缩短算法能否胜任减小开销的工作，对该算法进行了深入的研究。首先，把信标时期缩短算法模型化为图的首次适应(First-Fil)着色算法，并通过定理证明了该模型的正确性；接着，给出了评价信标时期缩短算法的两个指标，并把以这两个指标为基准的理论最优信标时期缩短问题形式化为0-1规划。数值结果表明，该算法的平均性能和理论上能够得到的最优或最好结果非常接近；同时，模拟结果表明该算法的性能受设备加入／离开次序的影响较小，即该算法的稳定性较好。因此得到结论：该算法的性能已经不存在太显著的提升空间。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：插图目录、表格目录

声明及关于论文使用授权的说明

第1章引言

第2章UWB技术概述及带来的挑战

第3章UWB跨层优化问题的模型

第4章UWB跨层优化问题最优解的理论边界

第5章UWB信标时期缩短算法的模型化和性能评估

第6章结束语

参考文献

术语表

作者简历

致谢