无线网络控制系统跨层设计初探——基于链路层、MAC子层和应用层

摘要

随着无线网络的快速发展，无线网络控制系统逐渐成为控制界的热点研究方向。无线网络具有便利性、易于维护性和强拓宽性等特点，无线网络在控制领域的应用变得越来越广泛。但与有线网络相比，无线网络更容易受到外界环境的影响，数据包的传输具有更长的时延和更频繁的网络丢包特性，同时严格的网络层次划分使得有限的网络资源得不到充分的利用，这都使得对有线网络控制系统的设计方法难以直接应用到无线网络控制系统中。无线网络控制系统的跨层设计就是在这种情况下提出的一种创新性理论。
　　本文针对传统无线网络分层设计中存在的非最优和不灵活等缺点，将控制器和无线网络进行联合设计，使控制系统性能达到最优。主要工作如下:
　　首先，介绍了无线网络的基本特性和无线网络控制系统的中存在的一些问题，并分别从控制角度、通信角度、控制和通信联合的角度介绍了无线网络控制系统的研究现状。
　　其次，介绍了跨层设计的基本概念及应用。分析无线网络协议栈中各层次与控制系统相关参数，确定跨层设计的层次为——链路层、MAC子层和应用层。
　　最后，将控制系统建模成Markov模型，利用分离原理将带有随机延时和丢包的最优状态反馈控制器和状态估计器相结合，得到带网络参数的最优输出反馈控制器。根据给出的性能指标，通过调节参数，得到最优链路设计为:帧长32-bit，QPSK调制，(15，11)BCH码;MAC子层参数设计为:信道接入概率p=0.28;应用层参数设计为:采样周期h=6ms，此时控制系统性能达到最优，从而实现控制器和网络的联合设计。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 无线网络控制系统的基本特性

1．2 无线网络控制系统的研究现状

1．3 论文主要内容及结构

2 跨层设计介绍

2．1 跨层设计的概念

2．2 跨层设计原理及各网络层次介绍

2．2．1 物理层

2．2．2 数据链路层

2．2．3 网络层

2．2．4 传输层

2．2．5 应用层

2．3 跨层设计的方法分类

2．3．1 按消息传递方向分类

2．3．2 按问题求解方法分类

2．4 跨层设计的应用

2．4．1 基于博弈理论的跨层设计

2．4．2 无线网络中基于反馈优化的设计

2．4．3 基于链路自适应的跨层设计

2．4．4 基于跨层设计的传输层拥塞控制机制

2．4．5 无线传感器网络中的跨层设计

2．5 小结

3 网络层次参数设计及性能分析

3．1 无线网络跨层设计层次的确定

3．1．1 链路参数选择

3．1．2 MAC子层参数设计

3．1．3 应用层参数选择

3．2 系统模型

3．2．1 无线信道模型

3．2．2 无线通信链路模型

3．2．3 控制系统模型

3．2．4 控制系统无线通信模型

3．3 小结

4 无线网络控制系统跨层设计方法研究

4．1 网络延时的划分

4．2 带延时和丢包的最优状态反馈控制器设计

4．2．1 带随机网络诱导延时的最优状态反馈控制器

4．2．2 带丢包的最优状态反馈控制器

4．3 最优状态估计

4．3．1 观测信息完全丢失时的Kalman滤波器

4．3．2 部分观测信息丢失时的Kalman滤波器

4．3．3 误差协方差迭代矩阵的统计特性

4．3．4 误差协方差迭代矩阵的收敛性

4．4 控制器的设计

4．5 控制系统性能分析

4．6 小结

5 无线网络跨层设计的实现

5．1 被控对象模型

5．2 链路设计

5．3 MAC子层设计

5．4 联合设计链路参数、MAC协议和采样周期

5．5 小结

6 结论

6．1 研究工作总结

6．2 研究工作展望

参考文献

附录A

图索引

表索引

作者简历

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