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无线局域网无线资源管理及跨层设计研究

作　者: 李志杰
导　师: 方旭明
学　校: 西南交通大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: WLAN 跨层设计自适应调制编码 MMO 速率控制帧聚合
分类号: TN925.93
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

无线网络物理层数据速率随OFDM、自适应调制编码(AMC)和MIMO等技术的使用而不断提高,介质接入层(MAC)必须适应并充分利用物理层技术的进步,才能达到提升网络整体性能的目标。本文以IEEE802.11为基础,以跨层设计为基本手段,结合无线信道,深入研究了无线局域网无线资源管理和跨层设计与优化问题。首先,根据信道、节点、网络和业务特性等特点,基于OFDM物理层,以排队论为基础理论,分析了业务的丢包率、延迟和吞吐率性能。研究表明,在拓扑相对稳定的网络中,性能与业务到达模型密切相关,必须采用不同的方法分析变速率(VBR)和固定速率(CBR)业务的性能；而动态网络中,采用泊松到达可以准确地分析不同业务的性能。再针对具有多种数据速率的系统,给出了一种保证业务平均误包率的AMC性能优化控制算法,改变各速率对应的信噪比(SNR)门限而调节误包率,算法可得到优化的吞吐率和延迟性能；通过丢包率和延迟的简单加权,算法还可以满足业务的不同性能要求。接着,结合信道条件、AMC技术和业务特性等,提出了具有服务质量(QoS)保证的业务接入控制和调度优化算法。引入资源系数描述了接入控制下调度策略对业务性能的影响；再分析了业务性能和所需资源的关系,给出了基于OFDM符号数目、具有平均性能保证的业务接入控制方法,保证了业务长期公平性,并使用AMC技术完成了资源的优化分配。基于业务量滑动平均的调度算法,在维持长期公平性的同时,可根据需要调节业务的延迟,克服了由于传输不均衡造成的性能不公平,降低了延迟抖动,有效地实现了短期公平性；利用业务在信道传输上的差异,根据系统当前SNR,及时切换调度业务,减少了信道等待时间,降低了QoS业务的延迟,提高了系统吞吐率。随后,研究了速率控制下MAC层性能优化的方法。首先,针对DCF传输效率低下的问题,提出了一种适用于AMC控制的停等DCF信道接入方法：设置暂停DCF信道接入的最小SNR门限,减少了不必要的传输错误并降低了MAC层的接入冲突；调节最小SNR门限,可在帧信道占用时间、冲突概率和误帧率间达到优化折中,使系统吞吐率最大。算法还克服了MAC层缺乏丢包区分机制、SNR估计误差和低速率节点对系统性能的影响。其次,提出了提高能量效率的方案。通过能量效率和吞吐率的关联分析,确定了发射功率的优化选择方式。研究表明在具有恒定误码率的速率控制下,优化完成了发射功率和数据速率的两维选择,不仅提高了系统能量效率,而且保证了吞吐率,还克服了动态改变发射功率可能引起隐藏终端改变而降低能量效率的问题。再次,研究了非饱和业务、有限缓冲区条件下帧聚合的性能分析方法。将信道竞争接入模型、MAC层平均服务时间分析模型、节点帧聚合的排队论模型结合在一起,通过递归算法求得系统收敛的稳定结果,从而得到系统的稳态性能。分析模型充分考虑了网络冲突、节点缓冲区数目、业务到达率和帧长、帧聚合的子帧数目(聚合长度)等参数及其相互作用对帧聚合性能的影响,全面、准确地描述了帧聚合的吞吐率和延迟性能。使用该模型可得到与系统和业务相关的、优化的帧聚合等待时间和缓冲区数目。最后,研究了MIMO系统的MAC层优化问题。首先,针对单纯的物理层传输速率最大的速率控制算法难以有效提高MAC层吞吐率的问题,提出了一种基于信道预测的、MAC层吞吐率最大的跨层速率控制算法。算法实现了空间分集和空间复用的自适应选择,充分利用了MIMO工作模式的分集性,其基于预测和MAC层性能优化的机制还带来了业务吞吐率的提高,不仅适用于闭环速率控制,也可用于帧重传和多业务调度等信道状态暂时不可用的情况。其次,提出了MIMO系统帧聚合的一种优化算法。算法根据系统和网络状态,综合选择空间流数目、调制编码方式和聚合长度等参数得到了性能优化；再基于LQM (Link Quality Metric)映射输出的SNR,给出了基于SNR门限和简化查找表的简单、高效、准确的算法实现方式。算法不仅根据信道选择了最优的控制参数,还充分利用了MIMO模式的分集性,最大程度地提高了帧聚合的吞吐率,降低了业务误码率。算法还可用于单天线系统的帧聚合优化。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-11
目录  11-14
图表索引  14-16
符号和缩略词  16-18
第一章绪论  18-30
  1.1 无线局域网的应用与发展  18-19
  1.2 相关的理论与技术研究现状  19-28
    1.2.1 跨层设计的必要性与基本要求  19-20
    1.2.2 相关技术及研究现状  20-28
  1.3 论文的研究思路、内容及结构  28-30
第二章业务性能分析AMC优化控制  30-46
  2.1 系统性能分析模型  30
  2.2 节点业务性能分析  30-37
    2.2.1 排队模型分析  31-32
    2.2.2 性能分析  32-33
    2.2.3 确定性到达业务的性能分析  33
    2.2.4 数值和仿真结果分析  33-37
  2.3 AMC相关的物理层模型  37-38
  2.4 AMC的实现算法  38-39
    2.4.1 调制模式与信道占用时间  38
    2.4.2 信道误码率/误帧率估计  38-39
    2.4.3 调制门限的选择  39
  2.5 AMC的性能分析与优化设计  39-44
    2.5.1 务性能分析  39-43
    2.5.2 优化分析与设计  43-44
  2.6 本章小结  44-46
第三章具有QoS保证的接入控制和调度优化算法  46-55
  3.1 接入控制与优化资源分配  46-48
    3.1.1 单业务接入性能分析  46
    3.1.2 多业务接入控制算法  46-47
    3.1.3 QoS保证的资源优化分配  47-48
  3.2 QoS保证的调度优化算法  48-50
    3.2.1 优化系统吞吐率的调度策略  48-49
    3.2.2 QoS保证的调度策略  49-50
  3.3 仿真与分析  50-54
  3.4 本章小结  54-55
第四章基于速率控制的性能优化设计  55-72
  4.1 关联SNR的停等DCF优化方案  55-63
    4.1.1 停等DCF方案  55-56
    4.1.2 保证BER的速率控制方法  56
    4.1.3 饱和吞吐率性能分析  56-60
    4.1.4 模型验证与性能评估  60-63
  4.2 速率控制下的能量效率优化  63-71
    4.2.1 系统假设  63-64
    4.2.2 速率控制算法  64-65
    4.2.3 能量效率和吞吐率性能分析  65-67
    4.2.4 分析结果与优化设计  67-71
  4.3 本章小结  71-72
第五章非饱和业务下帧聚合性能分析  72-82
  5.1 帧聚合性能分析模型  72-76
    5.1.1 非饱和业务聚合帧接入分析  72-73
    5.1.2 聚合帧MAC层平均服务时间分析  73-74
    5.1.3 聚合帧排队模型及分析  74-76
  5.2 模型计算与性能分析  76-77
    5.2.1 模型计算  76
    5.2.2 系统性能分析  76-77
  5.3 模型验证与性能评估  77-81
  5.4 本章小结  81-82
第六章 MIMO信道下MAC跨层设计方法  82-99
  6.1 MIMO系统模型  82-83
  6.2 MIMO系统BER分析  83-84
  6.3 跨层速率控制算法  84-87
    6.3.1 物理层速率最优的控制算法  85
    6.3.2 MAC层预测的速率控制  85-87
  6.4 MIMO信道参数估计  87-88
    6.4.1 信道参数估计  87
    6.4.2 信道转移概率  87-88
  6.5 速率控制的仿真与数值分析  88-91
    6.5.1 物理层速率最优化分析  88-90
    6.5.2 MIMO参数估计的分析  90
    6.5.3 预测辅助的速率控制分析  90-91
  6.6 MIMO帧聚合优化算法  91-94
    6.6.1 MAC层帧聚合吞吐率分析  92
    6.6.2 吞吐率最大的优化控制方法  92-94
  6.7 帧聚合优化的简化方法  94-97
    6.7.1 简化算法的实现  94-96
    6.7.2 仿真结果分析  96-97
  6.8 本章小结  97-99
结语  99-102
  7.1 本文工作总结  99-100
  7.2 今后工作展望  100-102
致谢  102-103
参考文献  103-111
攻读博士学位期间发表的论文及科研成果  111

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