无线网络性能分析及服务质量保障技术研究

发布时间：2017-10-12 09:47

  本文关键词：无线网络性能分析及服务质量保障技术研究

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【摘要】：随着无线网络的发展和人们日益增长的通信需求,无线网络需要承载的用户越来越多,并且用户业务对网络的要求越来越严格。如何在有限的无线资源下,为越来越多的用户业务提供服务质量(QoS, Quality of Service)保障,是当前无线网络发展面临的一个重要挑战。为网络中的用户业务提供QoS保障的基础是充分了解网络参数及所采用的协议如何影响网络的性能指标,进而才能设计出更有效的QoS保障算法,因此无线网络的性能分析是无线网络的重要研究内容。在无线网络中,由于无线信道易受到噪声、干扰和其他环境因素的影响,且这些影响因素还随时间变化,因此无线信道是不可靠的且时变的；同时,由于无线频谱资源的有限性,以及用户对资源共享方式的多样性使得网络为用户提供的服务过程越来越复杂,用户的服务速率难以建模和计算。另一方面,随着无线网络中业务类型的增多,除具有突发性,业务的到达还具有自相似性和长时相关性。服务过程的复杂性及业务到达的自相似性使得分析无线网络性能变得非常困难。针对现有无线网络性能分析方法的不足,本文结合概率论和网络演算理论,研究了适用于无线网络的性能分析方法,并基于所得分析结果提出了为用户业务提供QoS保障的方法。本文的具体内容如下：1、提出了基于剩余有效容量的无线网络性能分析方法。针对现有分析方法无法同时对具有长时相关性的业务到达过程和复杂、不可靠的节点服务过程进行建模的不足,提出一种分析无线网络性能的理论框架一基于剩余有效容量的网络性能分析模型,该理论框架结合了有效带宽理论和有效容量理论,将用户性能指标的计算转化成对业务到达过程的有效带宽和节点服务过程的有效容量的计算。通过证明有效容量函数的线性性质,提出了剩余有效容量的概念,说明了该理论框架的可行性。针对无线网络中用户共享资源的特性,将多址接入协议对用户性能的影响建模成二元组,便于节点服务过程的有效容量的计算,实现了对用户缓存内的排队情况的刻画。应用所提出的方法,计算出了采用TDMA、FDMA、CSMA/CA和ALOHA协议的网络的时延性能。仿真结果和分析结果的比较说明所提出的分析方法可以对多种无线网络的平均端到端时延性能进行很好地估算。2、提出了一种分析多跳网络端到端时延分布的方法,并设计了一种为用户业务提供统计QoS保障的接纳控制算法。针对无线信号传播特性导致的分布式多跳网络隐藏终端问题和业务自相似性对多址接入协议性能的影响,提出一种改进的IEEE 802.11多址接入协议分析模型。结合该模型的分析结果和剩余有效容量分析模型,给出了计算多跳无线网络端到端时延分布的方法。仿真结果和分析结果的对比证明了所提分析方法的准确性。对比不同网络配置下的结果,发现无线信道的不可靠性和隐藏终端问题会恶化端到端时延性能,忽略这两个因素的影响会导致分析结果过好地估计网络的实际性能。基于所得分析结果,设计了一种接纳控制算法,将其性能与基于其他准则的接纳控制算法的性能比较,结果表明所提出的接纳控制算法不仅可以有效地为用户业务提供QoS保障,还可以提高网络资源的使用效率。3、提出了一种基于有效容量的认知用户性能分析方法。针对现有分析方法的不足,即当授权用户的状态不满足马尔科夫性时,现有分析方法无法刻画授权用户的参数对认知用户性能的影响,提出了一种认知用户性能分析方法。首先,针对授权用户状态的非马尔科夫性,借助辅助变量法,提出了一个新马尔科夫链模型,该模型可以描述授权用户对无线信道的占用情况。随后,通过对该模型的分析发现,可以把认知用户服务过程建模成马尔科夫调制过程,并提出了认知用户的有效容量的计算方法,得到了授权用户参数与认知用户的有效容量的关系。最后,通过将所得结果代入剩余有效容量分析模型,得到了认知用户的队列长度、丢包率、吞吐量等性能。仿真结果和分析结果的对比表明,所提的分析方法可以很好地估计认知用户性能。而且,基于所得分析结果,可以设计出有效地接纳控制算法和信道选择算法来保障认知用户业务的QoS需求。仿真结果表明基于分析结果的接纳控制策略可以有效地保证认知用户业务的服务质量。
【关键词】：无线网络性能分析 服务质量保障 有效容量 多址接入协议 分布式多跳无线网络 认知无线网络
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN92
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 符号对照表13-14
• 缩略语对照表14-18
• 第一章 绪论18-42
• 1.1 无线网络简介18-23
• 1.1.1 分布式无线网络20-21
• 1.1.2 认知无线电网络21-22
• 1.1.3 无线网络中QoS保障问题22-23
• 1.2 无线网络性能分析23-32
• 1.2.1 无线网络性能分析的重要性24-27
• 1.2.2 影响无线网络性能的主要因素27-29
• 1.2.3 无线网络性能分析方法29-32
• 1.3 本论文的研究现状及难点32-38
• 1.3.1 无线网络性能分析方法研究32-34
• 1.3.2 分布式多跳无线网络的性能分析34-36
• 1.3.3 认知无线电网络的性能分析36-38
• 1.4 本文的主要贡献及章节安排38-42
• 第二章 基于剩余有效容量的无线网络性能分析方法42-68
• 2.1 引言42-43
• 2.2 有效容量理论简介43-48
• 2.3 无线网络模型48-49
• 2.4 时延性能分析49-58
• 2.4.1 性能分析模型50-52
• 2.4.2 剩余有效容量52-54
• 2.4.3 节点服务过程分析54-57
• 2.4.4 端到端时延计算57-58
• 2.5 仿真验证58-66
• 2.6 应用66-67
• 2.7 本章小结67-68
• 第三章 分布式多跳网络端到端时延分布及统计QoS保障技术研究68-96
• 3.1 引言68-70
• 3.2 网络模型70-74
• 3.2.1 业务到达过程71-72
• 3.2.2 多址接入协议72-73
• 3.2.3 物理层传输技术73-74
• 3.3 接入时延分析74-80
• 3.3.1 多址接入协议分析74-77
• 3.3.2 接入时延分布计算77-80
• 3.4 节点时延分析80-81
• 3.5 端到端时延分布81-82
• 3.6 仿真结果与分析结果82-88
• 3.7 统计接纳控制算法及性能88-95
• 3.7.1 保障统计QoS需求的接纳控制算法88-89
• 3.7.2 接纳控制算法的性能89-95
• 3.8 本章小结95-96
• 第四章 基于有效容量的认知用户性能分析方法96-116
• 4.1 引言96-98
• 4.2 系统模型98-100
• 4.3 认知用户排队性能分析100-107
• 4.3.1 信道的马尔科夫链模型100-103
• 4.3.2 信道的有效容量103-105
• 4.3.3 排队性能分析105-106
• 4.3.4 分析结果的应用106-107
• 4.4 分析和仿真结果107-114
• 4.5 本章小结114-116
• 第五章 结论和展望116-118
• 5.1 研究结论116-117
• 5.2 研究展望117-118
• 参考文献118-128
• 致谢128-130
• 作者简介130-132

【共引文献】

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本文编号：1018048