超寬帶無線網(wǎng)絡性能分析和優(yōu)化研究.pdf

1、自從美國聯(lián)邦通信委員會在2002年給超寬帶(Ultra Wide-Band，UWB)無線網(wǎng)絡分配了從3.1 GHz到10.6 GHz的頻譜后，UWB技術就一直受到工業(yè)界和學術界等多方面的關注。UWB技術提供了數(shù)百兆比特每秒的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以用來連接各類多媒體和娛樂設備，從而在個人或家庭范圍內(nèi)構造一個全方位的無線影音和娛樂環(huán)境。作為一個新興技術，UWB帶來了許多新的特性，如基于皮克網(wǎng)(piconet)的網(wǎng)絡拓撲，混合了時分復用(TDMA

2、)和載波監(jiān)聽復用/沖突避免(CSMA/CA)的信道訪問方式等。由于無線網(wǎng)絡多層之間的相關性非常大，介質(zhì)訪問子層發(fā)生的本質(zhì)變化將會對其它層產(chǎn)生重大的影響，因此，目前無線網(wǎng)絡中的許多性能分析和優(yōu)化技術難以在UWB網(wǎng)絡中使用。在上述背景下，本論文著眼于UWB技術所帶來的挑戰(zhàn)，并試圖提出相應的解決方案。為此，論文從跨層設計(Cross-Layer Design)角度對UWB網(wǎng)絡的性能進行了優(yōu)化，并對當前草案中的信標時期(Beacon Perio

3、d，BP)縮短算法進行了模型化和性能評估。本論文的創(chuàng)新性工作如下： 1．通過聯(lián)合考慮拓撲形成和路由選擇的方式，給出了形式化描述的UWB網(wǎng)絡模型UNM。 在對UWB技術深入調(diào)研的基礎上，提出并使用例子說明了在UWB網(wǎng)絡中必須要聯(lián)合考慮介質(zhì)訪問子層和網(wǎng)絡層才能達到較好的性能。本文中，UWB網(wǎng)絡的跨層優(yōu)化問題被定義為：給定設備的分布狀況和流量需求，生成皮克網(wǎng)并決定路由，使得吞吐量最大化。針對跨層優(yōu)化問題提出了形式化描述的UWB

4、網(wǎng)絡模型UNM，使得求解跨層優(yōu)化問題的最優(yōu)解等價于求解UNM模型的最優(yōu)解。UNM模型使用布爾矩陣來描述UWB網(wǎng)絡中的角色分配，它涵蓋了UWB網(wǎng)絡的許多關鍵特性，如相關皮克網(wǎng)(Dependent PicoNet，DPN)和皮克網(wǎng)加入策略等。本文把UNM模型和一個簡化的UWB模型SUM作對比，發(fā)現(xiàn)由于SUM模型沒有考慮這些特性，因此基于SUM模型對UWB網(wǎng)絡進行跨層優(yōu)化所得到的吞吐量遠低于基于UNM模型所得到的吞吐量。最后，通過把求解UNM

5、模型的最優(yōu)解歸約為尋找任意單位碟子圖(Unit Disk Graph，UDG)色數(shù)的方法證明了該問題是NP-難的。本模型是UWB網(wǎng)絡中第一份聯(lián)合考慮拓撲形成和路由選擇的工作。 2．給出了UNM模型最優(yōu)解的上界和下界,并證明了上界的解不超過最優(yōu)解的3倍。同時數(shù)值結(jié)果表明上界和下界非常接近。 論文通過對約束進行放松和使用偽布爾優(yōu)化的方法給出了UNM模型最優(yōu)解的一個上界，并證明了上界的解不超過最優(yōu)解的三倍?；谇蠼馍辖缢玫降?/p>

6、網(wǎng)絡拓撲，給出了下界的形式化描述，并使用列生成的方法對下界進行了求解?；谒玫降纳辖绾拖陆?，將UNM模型、簡化的UWB模型SUM和只考慮拓撲形成的算法PFA加最優(yōu)路由(即對網(wǎng)絡和拓撲進行分立優(yōu)化的模型)iIHgTx~比。數(shù)值結(jié)果顯示：上界和下界非常接近；使用跨層優(yōu)化模型對UWB網(wǎng)絡進行優(yōu)化所得到的吞吐量總是比分立優(yōu)化模型所得到的吞吐量要好的多。 3. 對UWB介質(zhì)訪閫子層的信標時期縮短算法進行7模型化和性能評估。模擬試驗和數(shù)

7、值結(jié)果表明．該算法的性能E經(jīng)不存在太顯著的提升空間。 信標時期是UWB介質(zhì)訪問子層的一大開銷。為了了解當前的UWB規(guī)范中定義的信標時期縮短算法能否勝任減小開銷的工作，對該算法進行了深入的研究。首先，把信標時期縮短算法模型化為圖的首次適應(First-Fil)著色算法，并通過定理證明了該模型的正確性；接著，給出了評價信標時期縮短算法的兩個指標，并把以這兩個指標為基準的理論最優(yōu)信標時期縮短問題形式化為0-1規(guī)劃。數(shù)值結(jié)果表明，該算法