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《中国科学院研究生院(计算技术研究所)》 2005年
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超宽带无线网络性能分析和优化研究

吴起  
【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
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(计算技术研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TN925

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