基于跨层优化的高速WPAN调度算法的研究与设计

论文摘要

新兴的高速WPAN具有比蓝牙更高的数据速率、更全面的业务及QoS支持、更短的连接时间等特点，得到了业界的广泛关注。于2003年6月，IEEE 802．15．3完成了高速WPAN的MAC层／物理层标准定制工作，并随后定制了基于UWB物理层传输技术的IEEE 802．15．3a，将数据传输速率提高到480Mbps（MBOA方案）或1320Mbit／s（DS-UWB方案）。然而，数据速率的提高并不意味着网络性能的提高，优化的网络性能需要有一套完善的无线资源管理方式来有效的使用无线链路，有效的协调网络内各个设备之间的通信，因此，可以说优化的调度算法是提高网络性能的必要条件。但是，至今标准中始终没有给出一套完备的调度机制来有效的使用可利用的有限资源。现有的调度算法，无论是集中式的还是分布式的，均无法适用于802．15．3网络传输环境。因此，我们基于提高网络容量、有效利用有限的资源、节省能量、保障公平性等方面的考虑，提出了一个基于跨层优化的调度算法。通过仿真，我们发现设备使用的传输速率越高，其消耗的能量越高。然而，在传送相等长度数据的前提下，传输速率越高，所需的信道时间越少，因此也就越节省系统资源。通过调整链路状态好的信道的传输速率来节省信道时间，节省的信道时间又可以分配给更多的接入设备，直至接入数量达到最大。此外，通过选择改变链路速率引起的最小能量差值，节省的信道时间以最小能量消耗为代价。作为802．15．3a物理层传输技术的直接扩频UWB或多带UWB所能提供的速度均为离散速率，这样，我们根据所采用物理层技术所能提供的传输速率数量，将物理层划分为几个等级。根据设备当前传送信道的质量来判断其所处的链路等级。设备所处的信道状态越好，其所能支持的速率数量越多。使用越低的速率传输数据，设备所消耗的能量就越少，然而，使用低的数据传输速率，所需的信道时间就越多，即要求Piconet分配的系统资源就越多，这样，当有新的设备有接入请求时，系统就可能由于资源不足而拒绝设备的接入，整个系统的容量就会下降。我们就调整链路状态好的设备，使其调整到更高的速率进行数据的传输来节省系统资源，节省的系统资源分配给有接入请求的设备，直到所有的设备均已采用最高的传输速率，即系统容量达到最大值。我们给出信道时间、功率调整等的计算公式，并依据此设计兼顾公平、减少能量消

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 MAGNET项目背景简介
• 1.2 802.15.3产生背景及其特点
• 1.3 研究现状
• 1.4 设计思想
• 第二章 超宽带无线通信（UWB）
• 2.1 UWB概述
• 2.1.1 UWB的产生背景及其发展现状
• 2.1.2 UWB优点
• 2.1.3 UWB规范
• 2.1.3.1 UWB规范
• 2.1.3.2 欧洲UWB规范
• 2.2 UWB信道模型
• 2.2.1 无线信道特征
• 2.2.1.1 反射
• 2.2.1.2 绕射
• 2.2.1.3 散射
• 2.2.2 信道测量技术
• 2.2.3 UWB信道模型
• 2.2.3.1 改进的S-V模型
• 2.2.3.2 路径损耗模型
• 2.3 802.15.3A所采用的两种UWB物理层技术
• 2.3.1 直接扩频UWB（DS-UWB）
• 2.3.2 多带UWB（MBOA）
• 第三章 WPAN原理简介
• 3.1 实时应用的QoS基础
• 3.2 802.15.3 PICONET的结构组成
• 3.3 802.15.3超帧结构
• 3.3.1 帧内间隔IFS（Interframe Space）
• 3.3.2 基于竞争的信道接入
• 3.3.3 信道时间分配周期的信道接入
• 3.3.3.1 信道时间分（CTA）
• 3.3.3.2 信道时间分配和信道时间的使用
• 3：3.3.3 管理信道时间分配（MCTA）
• 3.3.3.4 保护间隔
• 3.3.3.5 信道时间请求的计算
• 3.4 信道时间管理
• 3.4.1 同步流管理
• 3.4.1.1 同步流的创建
• 3.4.1.2 同步流的调整
• 3.4.1.3 同步流的结束
• 3.4.2 异步流信道时间的预留与结束
• 3.4.2.1 异步流信道时间的预留
• 3.4.2.2 异步信道时间的结束
• 3.5 同步
• 3.6 对等体发现（PEER DISCOVERY）
• 3.6.1 PNC信息请求（PNC information requeset）
• 3.6.2 探测请求和响应（Probe request and response）
• 3.6.3 信道状态请求（channel status request）
• 3.6.4 远程搜索（remote scan）
• 3.6.5 PNC信道搜索（PNC channel scan）
• 3.7 动态信道选择（DYNAMIC CHANNEL SELECTION）
• 第四章 基于跨层优化的调度算法设计
• 4.1 调度算法的物理层基础
• 4.1.1 传输速率和能量消耗的关系
• 4.1.2 状态等级的划分
• 4.1.3 相关计算
• 4.2 优化的调度算法
• 4.2.1 与调度相关的模块设计
• 4.2.2 优化的调度算法
• 4.2.2.1 相关参数定义
• 4.2.2.2 准入判决算法
• 4.2.2.3 调度算法
• 第五章 性能分析
• 5.1 速率能量关系仿真（R-E）
• 5.2 调度算法性能仿真
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢