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超宽带高速无线个域网的MAC协议研究

徐升  
【摘要】: 超宽带高速无线个域网(UWB HR-WPAN)是日益增长的以个人为中心的高速互联需求与新兴的超宽带技术相结合的产物,由于其独特的技术优势和巨大的应用前景而备受关注。媒体访问控制(MAC)协议是UWB HR-WPAN研究领域的基础协议和支撑技术。MAC协议的研究对于优化网络的整体性能,适应复杂的应用需求和提升多媒体业务的服务质量具有着重要的意义。 传统的无线MAC协议因为在面向的网络形式、针对的应用需求以及采用的传输技术等方面的差异,无法适应UWB HR-WPAN的新特性,存在网络信令控制不可靠、多业务QoS性能不理想、网络空间资源得不到充分利用、多路视频流业务无法得到有效支持等不足之处。因此,本文针对这些问题,在多媒体互联与数字家庭等小规模网络的应用背景下,紧紧抓住高效率和高QoS的需求,运用跨层设计的基本思路,对UWB HR-WPAN的MAC协议及其调度算法展开了深入的研究。 首先,构建高效、自组织,且具有可靠信令控制的接入控制架构是MAC协议的基础。为此,论文在充分分析已有接入控制方法的基础上,一方面,从超宽带的系统特性出发,引入基于非相干侦听方式的PSMA协议作为设备竞争接入的基本方式,解决了载波侦听在超宽带系统中无法应用的问题;另一方面,从网络结构特性出发,提出基于中继的信标帧恢复机制,解决了信标帧丢失而引起的信令中断问题。 其次,提供多种业务的承载能力,满足业务的多种QoS需求是MAC协议的基本需求。为此,论文利用业务效用函数量化用户QoS需求,并充分考虑了来自业务、信道以及公平性的影响,提出了一种基于动态规划的多业务调度算法,以灵活动态的MAC调度架构为基础,以动态规划为基本手段,解决了多种业务QoS需求下的最优调度问题。 再次,从混合网络结构出发的空分调度为进一步提升网络效率和业务QoS提供了出发点。论文针对现有空分调度在网络冲突模型的构建、可靠性以及QoS保证等方面的缺陷,提出了一种基于最大容忍干扰的空分调度算法MSDS,从超宽带物理信号出发构建冲突模型,从时间和空间两个维度出发实现性能优化。 最后,针对网络的主要应用形式一多路视频流业务的调度,论文综合考虑视频流特征和无线信道特征,提出了基于强化学习的视频流调度算法RLVS,以智能优化的思路解决了模型缺失与大维度空间下的复杂的最优视频调度问题。 本文的主要贡献和创新之处在于 1.提出了一种基于中继的信标帧恢复机制RBLR。该机制使网络具有一定的纠正信标错误的能力,可以以较小的开销保证网络控制信令传输的可靠性。仿真证明,在中继源充足的情况下,RBLR可以始终保证高于80%的信标成功概率,并且单个超帧内的时间开销最大不会超过4%。 2.提出了一种基于动态规划的多业务最优调度算法。算法明显提高了业务QoS,并且能够在效用和公平性之间取得较好的平衡。仿真证明,相对于传统的比例分配算法,本文算法可以提升网络平均效用最高达211.6%,并且公平性指数在流个数不超过20的情况下可以保持在0.9以上。 3.提出了一种基于MSI的空分调度算法MSDS。算法构建了合理的冲突模型,在保证低开销和可靠传输的同时,提升了网络整体的容量和业务QoS。仿真证明,相对于传统的TDMA FIFO调度算法,MSDS可以提升网络总效用达219.5%,同时整个超帧的应答时间开销最大不超过1.2%。 4.提出了一种基于强化学习的视频流调度算法RLVS。算法虽然在实现过程中需要较长的在线训练时间,但是显著提高了视频流业务的QoS。仿真证明,在视频流个数不超过10个的情况下,RLVS的带权失败概率(WJFR)分别比传统的SRPT与EDF降低了最多达23.5%和22.8%,是一种现代智能优化算法与复杂调度问题相结合的有益尝试。


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