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无线链路与传输层协议研究及其网络性能分析

罗锐  
【摘要】:无线通信业务的飞速发展,使得频谱资源和用户需求之间的矛盾越来越突出。巨大的无线信息容量需求推动了CDMA无线通信的迅速发展,多种业务的需求则直接导致了无线网络传输数据的分组化。本文以蜂窝分组无线网络中HARQ、RLP、TCP以及TCP/RLP协议栈为对象进行了深入的分析研究。 本文首先对基于平均分集合并的CDMA系统进行了研究,对采用平均分集合并技术系统的信噪比进行了分析,并根据CDMA干扰受限特性对通常的吞吐率指标就所分配的功率比例进行归一化,得出有效吞吐率指标,以反映在无线小区中分配单位比例功率对无线小区吞吐率的增益。研究结果表明:平均分集合并CDMA系统的吞吐率随着所分配功率比例的增加而增加,当功率比例达到临界值后,吞吐率将达到饱和。系统的有效吞吐率指标在兼顾吞吐率指标的同时,所对应的功率比例有一最优化值,超过此最优化值后功率比例的增加将导致小区对功率利用率的降低。在可变扩频增益系统中,对不同数据传输速率下系统误码率的分析表明:在可变扩频增益系统中,保持纠错编码前误码率为一确定最优值对于提高单个通信连接和整个小区功率的利用率都是必要的。 在无线链路协议(RLP)性能分析中,根据CDMA系统的干扰受限特性,针对分组数据传输CDMA系统提出一种新的系统容量定义,并就RLP中不同的ARQ方式和不同信道模型,对分组数据传输CDMA系统容量进行了比较研究。结果表明,与传统定义相比,采用本文的容量新定义可以更合理地描述信道资源利用率和频谱效率。根据新定义,在独立同分布信道模型下SR的容量特性优于GBN,但在相关信道模型下,信道的衰落特性则有利于GBN容量性能的提高,随着衰落速度的变缓,GBN的容量性能将逐步向SR逼近。 在考虑纠错编码冗余位对无线信道资源占用的条件下,引入有效系统吞吐率性能指标,分别对RLP中的SR和GBN方式在独立同分布和相关信道模型下的性能进行了研究。结果表明,在分组CDMA无线通信系统设计中,纠错编码可以在给定编、译码算法、给定分组包长以及重传方式的基础上,通过合理选择编码冗余位长度而获得最大的系统有效吞吐率,也即实现系统有效容量的最大化。 在独立同分布信道条件下对TCP和UDP协议性能就不同的回传时延(RTT) 第H页西南交通大学博士研究生学位论文 和最大拥塞控制窗口(呱ax)参数进行了比较研究。在相关信道条件下,根据 CDMA的干扰受限特点,通过引入有效因子作为传输层协议性能评价指标,对 TCP和UDP在不同RTT和环补a、参数条件下进行了比较研究。研究结果表明: 随着呱a、的减小和衰落速度的降低,TCP的有效因子性能将提高;在通常语音 和数据通信误码率工作区域内,网络时延的增加有助于有效因子性能的提高。 对于有效因子性能TCP的Reno和Tahoe版本是基本相同;对于TCP性能, 甄a、的影响相互矛盾,环钻a、的增加会导致有效因子的降低,但却有助于TCP 连接吞吐率的提高,说明实际应用中Wma、的设置应根据具体情况在无线网络容 量和单个TCP连接流量之间取得折衷。 针对无线衰落信道条件下的TCP建模,本文将RTT较大时TCP吞吐率的解析 表达式由独立同分布信道推广到衰落无线信道的离散时间二态相关信道模型, 推导出了海量数据流条件下TCP连接的稳态吞吐率关于衰落幅度、平均误包率 和回传时延的显式表达式解析模型。与已有文献结果相比,在考虑无线信道衰 落时,本模型更简单、结果更精确。 以数据吞吐率和有效因子为性能评价指标,讨论了平均分集合并技术采用 前后TCP/RLP协议栈对RLP重传次数的要求,以及可变扩频增益系统中不同数 据帧大小对TCP承比P协议栈性能的影响。研究结果表明:平均分集合并技术的 采用有助于吞吐率和有效因子性能的提高,并可降低对RLP最大重传次数的要 求。此外,将大的数据帧分解为小的数据帧也有助于系统性能的提高。


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