面向实时业务QoS保障的IEEE 802.15.4优化及性能分析

发布时间：2017-06-29 22:04

  本文关键词：面向实时业务QoS保障的IEEE 802.15.4优化及性能分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：IEEE 802.15.4描述了无线个人域局域网的物理层(PHY)和媒体接入控制子层(MAC)规范,具有成本低、功耗低、组网简单和数据率低等特点。基于这些性能特点,802.15.4已经被广泛应用于多种无线网络,如传感器网络、工业控制网络、智能家居、智能农业和环境监测等。然而,实践表明802.15.4的MAC子层仍存在诸多缺陷。无论是竞争接入阶段(CAP)的基于冲突避免的载波侦听多点接入机制(CSMA/CA),还是无竞争接入阶段(CFP)的基于先到先服务的保护时隙预留机制,均不提供差异化服务和优先级保证。在机器类通信(MTC)蔚然兴起的背景下,802.15.4网络中业务类型和Qo S需求表现迥异。实时业务具有固定的传输时间限制,超过时延期限将失去时效性,如视频流,工业控制信号和灾难预警信号;非实时业务具有节点数量庞大,数据包短小,突发度高和接入尝试频繁的特点。因而在802.15.4网络中,优化信道接入和时隙分配机制,提供异质业务的差异化服务,并保证Qo S具有重要意义。本文以保证实时业务在802.15.4网络中的传输时延为研究目标,提出CAP和CFP阶段的优化算法。首先,在CAP阶段,实时节点的GTS申请帧和非实时节点的数据帧同时竞争信道资源,由于标准协议提出的竞争接入机制并不提供优先级保证,因而如何提升实时节点的接入成功概率是本文拟解决的第一个问题。马尔科夫链理论(Markov Chain)是随机接入过程建模中最常用的理论。本文利用马尔科夫链理论建模异质节点的接入状态和信道状态转移过程,分别分析不同的接入参数,如竞争窗口、退避指数范围和退避次数,对网络性能的影响。基于该分析结果,本文以保证GTS请求帧的传输时延为优化目标,合理地有区别地改进实时节点和非实时节点的MAC子层参数,提供GTS请求帧和普通数据帧的差异化服务,以保证GTS请求帧具有更高的接入优先级。其次,在CFP阶段,多个实时流同时竞争数量有限的保护带宽资源,如何最大化带宽利用效率是本文拟解决的第二个问题。标准协议提出的先到先服务的时隙分配机制是静态的,缺乏公平性,带宽利用率低。马尔科夫决策过程(MDP)是时延敏感且资源有限系统中,研究最佳资源分配方式的最有效理论。本文以保证实时业务的Qo S,并且最大化CFP阶段的带宽利用效率为优化目标,将CFP阶段的时隙分配问题构建为MDP问题,提出最佳保护时隙分配机制(MOS)。MOS是一个跨层优化机制,同时考虑业务流的状态信息(包括时延限制、到达率和突发度)、信道状态信息和可用的带宽数量等MAC层和PHY层信息。基于MOS的最佳时隙分配策略是当前时刻收益和未来可能收益的权衡,它不仅考虑使当前时刻系统收益最大,还考虑在未来获得可能更大的收益。本文还讨论了MOS在802.15.4协议中的实施方法,保证MOS与标准协议的兼容。
【关键词】：IEEE 802.15.4 马尔科夫链理论 马尔科夫决策过程 实时业务QoS保证 最佳资源分配 差异化服务机制
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN92
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题研究背景及意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 随机接入过程的优化12-13
• 1.2.2 最佳GTS时隙分配13
• 1.2.3 基于MDP的网络资源分配13-15
• 1.3 论文的主要内容及结构15-18
• 第2章 基础知识18-28
• 2.1 MDP基本原理18-24
• 2.1.1 MDP的基本要素18-19
• 2.1.2 MDP目标函数19
• 2.1.3 求解MDP19-22
• 2.1.4 MDP的扩展22-23
• 2.1.5 维数问题23-24
• 2.2 IEEE 802.15.4 标准协议概述24-26
• 2.2.1 网络特点24
• 2.2.2 网络组成和拓扑结构24-25
• 2.2.3 MAC子层功能25-26
• 2.3 本章小结26-28
• 第3章 CAP阶段的差异化服务及分析模型28-44
• 3.1 基于CSMA/CA的差异化服务机制28-30
• 3.1.1 时隙CSMA/CA算法基本原理28-29
• 3.1.2 差异化服务的参数设计29-30
• 3.2 马尔科夫链模型30-38
• 3.2.1 节点状态模型30-35
• 3.2.2 信道状态模型35-38
• 3.3 性能指标及仿真分析38-42
• 3.3.1 性能指标38-39
• 3.3.2 仿真分析39-42
• 3.4 本章小结42-44
• 第4章 CFP阶段的MOS时隙分配机制44-54
• 4.1 系统假设、业务源模型和信道模型假设44-45
• 4.1.1 系统假设44
• 4.1.2 业务源模型44-45
• 4.1.3 信道模型45
• 4.2 MOS机制45-48
• 4.2.1 MDP状态空间45-46
• 4.2.2 MDP动作空间46
• 4.2.3 状态转移概率46-47
• 4.2.4 成本函数47-48
• 4.3 MOS在IEEE 802.15.4 中的实现48-50
• 4.3.1 MOS机制描述48-49
• 4.3.2 MOS机制的实现49-50
• 4.4 性能评估和仿真分析50-53
• 4.4.1 性能指标及仿真参数50
• 4.4.2 仿真结果分析50-53
• 4.5 本章小结53-54
• 第5章 总结与展望54-56
• 参考文献56-60
• 作者简介及在攻读硕士期间取得的科研成果60-61
• 致谢61-62
• 附录62-63

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 黄玉兰;刘健;刘子川;迟学芬;;基于MDP的群组时延约束的IEEE 802.15.4随机接入控制算法[J];北京邮电大学学报;2015年04期

2 迟学芬;马丽君;王雅辉;石文孝;;针对M2M业务的IEEE 802.11优化及其性能评价[J];吉林大学学报(工学版);2014年05期

3 王雅辉;迟学芬;;M2M小数据业务的IEEE802.11WLAN分析模型[J];通信学报;2011年12期

4 孙其博;刘杰;黎，

本文编号：499463