超寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能分析和優(yōu)化研究.pdf

1、自從美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)在2002年給超寬帶(Ultra Wide-Band，UWB)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分配了從3.1 GHz到10.6 GHz的頻譜后，UWB技術(shù)就一直受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界等多方面的關(guān)注。UWB技術(shù)提供了數(shù)百兆比特每秒的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以用來(lái)連接各類多媒體和娛樂(lè)設(shè)備，從而在個(gè)人或家庭范圍內(nèi)構(gòu)造一個(gè)全方位的無(wú)線影音和娛樂(lè)環(huán)境。作為一個(gè)新興技術(shù)，UWB帶來(lái)了許多新的特性，如基于皮克網(wǎng)(piconet)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，混合了時(shí)分復(fù)用(TDMA

2、)和載波監(jiān)聽(tīng)復(fù)用/沖突避免(CSMA/CA)的信道訪問(wèn)方式等。由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多層之間的相關(guān)性非常大，介質(zhì)訪問(wèn)子層發(fā)生的本質(zhì)變化將會(huì)對(duì)其它層產(chǎn)生重大的影響，因此，目前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的許多性能分析和優(yōu)化技術(shù)難以在UWB網(wǎng)絡(luò)中使用。在上述背景下，本論文著眼于UWB技術(shù)所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，并試圖提出相應(yīng)的解決方案。為此，論文從跨層設(shè)計(jì)(Cross-Layer Design)角度對(duì)UWB網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)當(dāng)前草案中的信標(biāo)時(shí)期(Beacon Perio

3、d，BP)縮短算法進(jìn)行了模型化和性能評(píng)估。本論文的創(chuàng)新性工作如下： 1．通過(guò)聯(lián)合考慮拓?fù)湫纬珊吐酚蛇x擇的方式，給出了形式化描述的UWB網(wǎng)絡(luò)模型UNM。 在對(duì)UWB技術(shù)深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出并使用例子說(shuō)明了在UWB網(wǎng)絡(luò)中必須要聯(lián)合考慮介質(zhì)訪問(wèn)子層和網(wǎng)絡(luò)層才能達(dá)到較好的性能。本文中，UWB網(wǎng)絡(luò)的跨層優(yōu)化問(wèn)題被定義為：給定設(shè)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(duì)跨層優(yōu)化問(wèn)題提出了形式化描述的UWB

4、網(wǎng)絡(luò)模型UNM，使得求解跨層優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解等價(jià)于求解UNM模型的最優(yōu)解。UNM模型使用布爾矩陣來(lái)描述UWB網(wǎng)絡(luò)中的角色分配，它涵蓋了UWB網(wǎng)絡(luò)的許多關(guān)鍵特性，如相關(guān)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(gè)簡(jiǎn)化的UWB模型SUM作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)由于SUM模型沒(méi)有考慮這些特性，因此基于SUM模型對(duì)UWB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行跨層優(yōu)化所得到的吞吐量遠(yuǎn)低于基于UNM模型所得到的吞吐量。最后，通過(guò)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(wèn)題是NP-難的。本模型是UWB網(wǎng)絡(luò)中第一份聯(lián)合考慮拓?fù)湫纬珊吐酚蛇x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(guò)最優(yōu)解的3倍。同時(shí)數(shù)值結(jié)果表明上界和下界非常接近。 論文通過(guò)對(duì)約束進(jìn)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(gè)上界，并證明了上界的解不超過(guò)最優(yōu)解的三倍?；谇蠼馍辖缢玫降?/p>

6、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌o出了下界的形式化描述，并使用列生成的方法對(duì)下界進(jìn)行了求解?；谒玫降纳辖绾拖陆?，將UNM模型、簡(jiǎn)化的UWB模型SUM和只考慮拓?fù)湫纬傻乃惴≒FA加最優(yōu)路由(即對(duì)網(wǎng)絡(luò)和拓?fù)溥M(jìn)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(duì)UWB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(duì)UWB介質(zhì)訪閫子層的信標(biāo)時(shí)期縮短算法進(jìn)行7模型化和性能評(píng)估。模擬試驗(yàn)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(biāo)時(shí)期是UWB介質(zhì)訪問(wèn)子層的一大開(kāi)銷。為了了解當(dāng)前的UWB規(guī)范中定義的信標(biāo)時(shí)期縮短算法能否勝任減小開(kāi)銷的工作，對(duì)該算法進(jìn)行了深入的研究。首先，把信標(biāo)時(shí)期縮短算法模型化為圖的首次適應(yīng)(First-Fil)著色算法，并通過(guò)定理證明了該模型的正確性；接著，給出了評(píng)價(jià)信標(biāo)時(shí)期縮短算法的兩個(gè)指標(biāo)，并把以這兩個(gè)指標(biāo)為基準(zhǔn)的理論最優(yōu)信標(biāo)時(shí)期縮短問(wèn)題形式化為0-1規(guī)劃。數(shù)值結(jié)果表明，該算法