论文题目: 超宽带无线网络性能分析和优化研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 计算机系统结构
作者: 吴起
导师: 李忠诚
关键词: 超宽带,跨层设计,无线网络,无线自组网络,无线个人区域网,皮克网,拓扑形成,路由,流量模式,整数规划,网络优化,多波段正交频分复用联盟,信标,信标时期,性能评估
文献来源: 中国科学院研究生院（计算技术研究所）
发表年度: 2005
论文摘要: 自从美国联邦通信委员会在2002年给超宽带(Ultra Wide-Band, UWB)无线网络分配了从3.l GHz到10.6 GHz的频谱后,UWB技术就一直受到工业界和学术界等多方面的关注。UWB技术提供了数百兆比特每秒的数据传输速率,可以用来连接各类多媒体和娱乐设备,从而在个人或家庭范围内构造一个全方位的无线影音和娱乐环境。作为一个新兴技术,UWB带来了许多新的特性,如基于皮克网(piconet)的网络拓扑,混合了时分复用(TDMA)和载波监听复用/冲突避免(CSMA/CA)的信道访问方式等。由于无线网络多层之间的相关性非常大,介质访问子层发生的本质变化将会对其它层产生重大的影响,因此,目前无线网络中的许多性能分析和优化技术难以在UWB网络中使用。在上述背景下,本论文着眼于UWB技术所带来的挑战,并试图提出相应的解决方案。为此,论文从跨层设计(Cross-Layer Design)角度对UWB网络的性能进行了优化,并对当前草案中的信标时期(Beacon Period,BP)缩短算法进行了模型化和性能评估。本论文的创新性工作如下:1.通过联合考虑拓扑形成和路由选择的方式,给出了形式化描述的UWB网络模型UNM。在对UWB技术深入调研的基础上,提出并使用例子说明了在UWB网络中必须要联合考虑介质访问子层和网络层才能达到较好的性能。本文中,UWB网络的跨层优化问题被定义为:给定设备的分布状况和流量需求,生成皮克网并决定路由,使得吞吐量最大化。针对跨层优化问题提出了形式化描述的UWB网络模型UNM,使得求解跨层优化问题的最优解等价于求解UNM模型的最优解。UNM模型使用布尔矩阵来描述UWB网络中的角色分配,它涵盖了UWB网络的许多关键特性,如相关皮克网(Dependent PicoNet, DPN)和皮克网加入策略等。本文把UNM模型和一个简化的UWB模型SUM作对比,发现由于SUM模型没有考虑这些特性,因此基于SUM模型对UWB网络进行跨层优化所得到的吞吐量远低于基于UNM模型所得到的吞吐量。最后,通过把求解UNM模型的最优解归约为寻找任意单位碟子图(Unit Disk Graph, UDG)色数的方法证明了该问题是NP-难的。本模型是UWB网络中第一份联合考虑拓扑形成和路由选择的工作。2.给出了UNM模型最优解的上界和下界,并证明了上界的解不超过最优解的3倍,同时数值结果表明上界和下界非常接近。论文通过对约束进行放松和使用伪布尔优化的方法给出了UNM模型最优解
论文目录:
摘要
Abstract
插图目录
表格目录
第1章 引言
1.1 开展超宽带无线网络性能分析和优化研究的意义
1.2 本论文主要工作概述
1.3 论文的整体结构和章节安排
第2章 UWB技术概述及带来的挑战
2.1 超宽带无线网络概述
2.1.1 横向背景介绍——无线个人区域网概述
2.1.2 纵向背景介绍——超宽带无线技术的发展历史
2.1.3 超宽带无线技术和相应的推进组织
2.2 超宽带无线网络的两个竞争草案对比分析
2.2.1 物理层(PHY)
2.2.2 介质访问子层(MAC)
2.3 超宽带无线网络所带来的挑战
2.3.1 网络性能优化和拓扑形成
2.3.2 全网同步
2.3.3 信道访问方式
2.4 小结
第3章 UWB跨层优化问题的模型
3.1 引言
3.2 相关工作
3.3 UWB网络的抽象
3.3.1 物理层抽象
3.3.2 介质访问子层抽象
3.4 跨层优化问题的形式化描述
3.4.1 跨层优化问题的定义
3.4.2 单网络流的形式化描述
3.4.3 多网络流的形式化描述
3.5 跨层优化问题是NP-难问题的证明
3.6 小结
第4章 UWB跨层优化问题最优解的理论边界
4.1 引言
4.2 求解上界
4.3 求解下界
4.4 数值结果
4.4.1 规则拓扑
4.4.2 随机拓扑
4.4.3 计算性问题
4.5 小结
第5章 UWB信标时期缩短算法的模型化和性能评估
5.1 MBOA信标时期简介
5.2 算法模型
5.2.1 MBOA信标时期缩短算法
5.2.2 算法的模型化
5.3 最优信标缩短问题的形式化描述
5.3.1 最小化最大信标时期长度问题的形式化描述
5.3.2 最小化平均信标时期长度问题的形式化描述
5.4 模拟实验
5.5 数值结果
5.6 本章小结
第6章 结束语
6.1 论文的主要贡献和创新
6.2 下一步研究工作
参考文献
术语表
致谢
发布时间: 2006-12-27
参考文献
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标签：超宽带论文; 跨层设计论文; 无线网络论文; 无线自组网络论文; 无线个人区域网论文; 皮克网论文; 拓扑形成论文; 路由论文; 流量模式论文; 整数规划论文; 网络优化论文; 多波段正交频分复用联盟论文; 信标论文; 信标时期论文; 性能评估论文;