本文關(guān)鍵詞：面向?qū)崟r(shí)業(yè)務(wù)QoS保障的IEEE 802.15.4優(yōu)化及性能分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：IEEE 802.15.4描述了無(wú)線個(gè)人域局域網(wǎng)的物理層(PHY)和媒體接入控制子層(MAC)規(guī)范,具有成本低、功耗低、組網(wǎng)簡(jiǎn)單和數(shù)據(jù)率低等特點(diǎn)�；谶@些性能特點(diǎn),802.15.4已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò),如傳感器網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、智能家居、智能農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等。然而,實(shí)踐表明802.15.4的MAC子層仍存在諸多缺陷。無(wú)論是競(jìng)爭(zhēng)接入階段(CAP)的基于沖突避免的載波偵聽多點(diǎn)接入機(jī)制(CSMA/CA),還是無(wú)競(jìng)爭(zhēng)接入階段(CFP)的基于先到先服務(wù)的保護(hù)時(shí)隙預(yù)留機(jī)制,均不提供差異化服務(wù)和優(yōu)先級(jí)保證。在機(jī)器類通信(MTC)蔚然興起的背景下,802.15.4網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)類型和Qo S需求表現(xiàn)迥異。實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)具有固定的傳輸時(shí)間限制,超過(guò)時(shí)延期限將失去時(shí)效性,如視頻流,工業(yè)控制信號(hào)和災(zāi)難預(yù)警信號(hào);非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)具有節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大,數(shù)據(jù)包短小,突發(fā)度高和接入嘗試頻繁的特點(diǎn)。因而在802.15.4網(wǎng)絡(luò)中,優(yōu)化信道接入和時(shí)隙分配機(jī)制,提供異質(zhì)業(yè)務(wù)的差異化服務(wù),并保證Qo S具有重要意義。本文以保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)在802.15.4網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)延為研究目標(biāo),提出CAP和CFP階段的優(yōu)化算法。首先,在CAP階段,實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)的GTS申請(qǐng)幀和非實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)信道資源,由于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議提出的競(jìng)爭(zhēng)接入機(jī)制并不提供優(yōu)先級(jí)保證,因而如何提升實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)的接入成功概率是本文擬解決的第一個(gè)問(wèn)題。馬爾科夫鏈理論(Markov Chain)是隨機(jī)接入過(guò)程建模中最常用的理論。本文利用馬爾科夫鏈理論建模異質(zhì)節(jié)點(diǎn)的接入狀態(tài)和信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程,分別分析不同的接入?yún)?shù),如競(jìng)爭(zhēng)窗口、退避指數(shù)范圍和退避次數(shù),對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。基于該分析結(jié)果,本文以保證GTS請(qǐng)求幀的傳輸時(shí)延為優(yōu)化目標(biāo),合理地有區(qū)別地改進(jìn)實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)和非實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)的MAC子層參數(shù),提供GTS請(qǐng)求幀和普通數(shù)據(jù)幀的差異化服務(wù),以保證GTS請(qǐng)求幀具有更高的接入優(yōu)先級(jí)。其次,在CFP階段,多個(gè)實(shí)時(shí)流同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)數(shù)量有限的保護(hù)帶寬資源,如何最大化帶寬利用效率是本文擬解決的第二個(gè)問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議提出的先到先服務(wù)的時(shí)隙分配機(jī)制是靜態(tài)的,缺乏公平性,帶寬利用率低。馬爾科夫決策過(guò)程(MDP)是時(shí)延敏感且資源有限系統(tǒng)中,研究最佳資源分配方式的最有效理論。本文以保證實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的Qo S,并且最大化CFP階段的帶寬利用效率為優(yōu)化目標(biāo),將CFP階段的時(shí)隙分配問(wèn)題構(gòu)建為MDP問(wèn)題,提出最佳保護(hù)時(shí)隙分配機(jī)制(MOS)。MOS是一個(gè)跨層優(yōu)化機(jī)制,同時(shí)考慮業(yè)務(wù)流的狀態(tài)信息(包括時(shí)延限制、到達(dá)率和突發(fā)度)、信道狀態(tài)信息和可用的帶寬數(shù)量等MAC層和PHY層信息�；贛OS的最佳時(shí)隙分配策略是當(dāng)前時(shí)刻收益和未來(lái)可能收益的權(quán)衡,它不僅考慮使當(dāng)前時(shí)刻系統(tǒng)收益最大,還考慮在未來(lái)獲得可能更大的收益。本文還討論了MOS在802.15.4協(xié)議中的實(shí)施方法,保證MOS與標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的兼容。
【關(guān)鍵詞】：IEEE 802.15.4 馬爾科夫鏈理論 馬爾科夫決策過(guò)程 實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)QoS保證 最佳資源分配 差異化服務(wù)機(jī)制
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN92
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-18
• 1.1 課題研究背景及意義10-12
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.1 隨機(jī)接入過(guò)程的優(yōu)化12-13
• 1.2.2 最佳GTS時(shí)隙分配13
• 1.2.3 基于MDP的網(wǎng)絡(luò)資源分配13-15
• 1.3 論文的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)15-18
• 第2章 基礎(chǔ)知識(shí)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目標(biāo)函數(shù)19
• 2.1.3 求解MDP19-22
• 2.1.4 MDP的擴(kuò)展22-23
• 2.1.5 維數(shù)問(wèn)題23-24
• 2.2 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議概述24-26
• 2.2.1 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)24
• 2.2.2 網(wǎng)絡(luò)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)24-25
• 2.2.3 MAC子層功能25-26
• 2.3 本章小結(jié)26-28
• 第3章 CAP階段的差異化服務(wù)及分析模型28-44
• 3.1 基于CSMA/CA的差異化服務(wù)機(jī)制28-30
• 3.1.1 時(shí)隙CSMA/CA算法基本原理28-29
• 3.1.2 差異化服務(wù)的參數(shù)設(shè)計(jì)29-30
• 3.2 馬爾科夫鏈模型30-38
• 3.2.1 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)模型30-35
• 3.2.2 信道狀態(tài)模型35-38
• 3.3 性能指標(biāo)及仿真分析38-42
• 3.3.1 性能指標(biāo)38-39
• 3.3.2 仿真分析39-42
• 3.4 本章小結(jié)42-44
• 第4章 CFP階段的MOS時(shí)隙分配機(jī)制44-54
• 4.1 系統(tǒng)假設(shè)、業(yè)務(wù)源模型和信道模型假設(shè)44-45
• 4.1.1 系統(tǒng)假設(shè)44
• 4.1.2 業(yè)務(wù)源模型44-45
• 4.1.3 信道模型45
• 4.2 MOS機(jī)制45-48
• 4.2.1 MDP狀態(tài)空間45-46
• 4.2.2 MDP動(dòng)作空間46
• 4.2.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率46-47
• 4.2.4 成本函數(shù)47-48
• 4.3 MOS在IEEE 802.15.4 中的實(shí)現(xiàn)48-50
• 4.3.1 MOS機(jī)制描述48-49
• 4.3.2 MOS機(jī)制的實(shí)現(xiàn)49-50
• 4.4 性能評(píng)估和仿真分析50-53
• 4.4.1 性能指標(biāo)及仿真參數(shù)50
• 4.4.2 仿真結(jié)果分析50-53
• 4.5 本章小結(jié)53-54
• 第5章 總結(jié)與展望54-56
• 參考文獻(xiàn)56-60
• 作者簡(jiǎn)介及在攻讀碩士期間取得的科研成果60-61
• 致謝61-62
• 附錄62-63

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前6條

1 黃玉蘭;劉健;劉子川;遲學(xué)芬;;基于MDP的群組時(shí)延約束的IEEE 802.15.4隨機(jī)接入控制算法[J];北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào);2015年04期

2 遲學(xué)芬;馬麗君;王雅輝;石文孝;;針對(duì)M2M業(yè)務(wù)的IEEE 802.11優(yōu)化及其性能評(píng)價(jià)[J];吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版);2014年05期

3 王雅輝;遲學(xué)芬;;M2M小數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的IEEE802.11WLAN分析模型[J];通信學(xué)報(bào);2011年12期

4 孫其博;劉杰;黎，

本文編號(hào)：499463