超寬帶高速無線個域網(wǎng)的MAC協(xié)議研究.pdf

1、超寬帶高速無線個域網(wǎng)(UWB HR-WPAN)是日益增長的以個人為中心的高速互聯(lián)需求與新興的超寬帶技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，由于其獨特的技術(shù)優(yōu)勢和巨大的應(yīng)用前景而備受關(guān)注。媒體訪問控制(MAC)協(xié)議是UWB HR-WPAN研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)協(xié)議和支撐技術(shù)。MAC協(xié)議的研究對于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的整體性能，適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用需求和提升多媒體業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量具有著重要的意義。
　　 傳統(tǒng)的無線MAC協(xié)議因為在面向的網(wǎng)絡(luò)形式、針對的應(yīng)用需求以及采用的傳輸技術(shù)等方

2、面的差異，無法適應(yīng)UWB HR-WPAN的新特性，存在網(wǎng)絡(luò)信令控制不可靠、多業(yè)務(wù)QoS性能不理想、網(wǎng)絡(luò)空間資源得不到充分利用、多路視頻流業(yè)務(wù)無法得到有效支持等不足之處。因此，本文針對這些問題，在多媒體互聯(lián)與數(shù)字家庭等小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用背景下，緊緊抓住高效率和高QoS的需求，運用跨層設(shè)計的基本思路，對UWB HR-WPAN的MAC協(xié)議及其調(diào)度算法展開了深入的研究。
　　 首先，構(gòu)建高效、自組織，且具有可靠信令控制的接入控制架構(gòu)是MA

3、C協(xié)議的基礎(chǔ)。為此，論文在充分分析已有接入控制方法的基礎(chǔ)上，一方面，從超寬帶的系統(tǒng)特性出發(fā)，引入基于非相干偵聽方式的PSMA協(xié)議作為設(shè)備競爭接入的基本方式，解決了載波偵聽在超寬帶系統(tǒng)中無法應(yīng)用的問題；另一方面，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，提出基于中繼的信標(biāo)幀恢復(fù)機制，解決了信標(biāo)幀丟失而引起的信令中斷問題。
　　 其次，提供多種業(yè)務(wù)的承載能力，滿足業(yè)務(wù)的多種QoS需求是MAC協(xié)議的基本需求。為此，論文利用業(yè)務(wù)效用函數(shù)量化用戶QoS需求，并

4、充分考慮了來自業(yè)務(wù)、信道以及公平性的影響，提出了一種基于動態(tài)規(guī)劃的多業(yè)務(wù)調(diào)度算法，以靈活動態(tài)的MAC調(diào)度架構(gòu)為基礎(chǔ)，以動態(tài)規(guī)劃為基本手段，解決了多種業(yè)務(wù)QoS需求下的最優(yōu)調(diào)度問題。
　　 再次，從混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出發(fā)的空分調(diào)度為進一步提升網(wǎng)絡(luò)效率和業(yè)務(wù)QoS提供了出發(fā)點。論文針對現(xiàn)有空分調(diào)度在網(wǎng)絡(luò)沖突模型的構(gòu)建、可靠性以及QoS保證等方面的缺陷，提出了一種基于最大容忍干擾的空分調(diào)度算法MSDS，從超寬帶物理信號出發(fā)構(gòu)建沖突模型，從時

5、間和空間兩個維度出發(fā)實現(xiàn)性能優(yōu)化。
　　 最后，針對網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用形式一多路視頻流業(yè)務(wù)的調(diào)度，論文綜合考慮視頻流特征和無線信道特征，提出了基于強化學(xué)習(xí)的視頻流調(diào)度算法RLVS，以智能優(yōu)化的思路解決了模型缺失與大維度空間下的復(fù)雜的最優(yōu)視頻調(diào)度問題。
　　 本文的主要貢獻和創(chuàng)新之處在于：
　　 1.提出了一種基于中繼的信標(biāo)幀恢復(fù)機制RBLR。該機制使網(wǎng)絡(luò)具有一定的糾正信標(biāo)錯誤的能力，可以以較小的開銷保證網(wǎng)絡(luò)控制信令傳

6、輸?shù)目煽啃浴７抡孀C明，在中繼源充足的情況下，RBLR可以始終保證高于80％的信標(biāo)成功概率，并且單個超幀內(nèi)的時間開銷最大不會超過4％。
　　 2.提出了一種基于動態(tài)規(guī)劃的多業(yè)務(wù)最優(yōu)調(diào)度算法。算法明顯提高了業(yè)務(wù)QoS，并且能夠在效用和公平性之間取得較好的平衡。仿真證明，相對于傳統(tǒng)的比例分配算法，本文算法可以提升網(wǎng)絡(luò)平均效用最高達211.6％，并且公平性指數(shù)在流個數(shù)不超過20的情況下可以保持在0.9以上。
　　 3.提出了一種

7、基于MSI的空分調(diào)度算法MSDS。算法構(gòu)建了合理的沖突模型，在保證低開銷和可靠傳輸?shù)耐瑫r，提升了網(wǎng)絡(luò)整體的容量和業(yè)務(wù)QoS。仿真證明，相對于傳統(tǒng)的TDMA FIFO調(diào)度算法，MSDS可以提升網(wǎng)絡(luò)總效用達219.5％，同時整個超幀的應(yīng)答時間開銷最大不超過1.2％。
　　 4.提出了一種基于強化學(xué)習(xí)的視頻流調(diào)度算法RLVS。算法雖然在實現(xiàn)過程中需要較長的在線訓(xùn)練時間，但是顯著提高了視頻流業(yè)務(wù)的QoS。仿真證明，在視頻流個數(shù)不超過10