（物理电子学专业论文）无线网络资源管理的跨层研究.pdf

摘要 摘要 在无线网络中，有效地提高网络资源利用率一直是研究的热点问题。 如何使用无线资源管理的各种方法对复杂的无线物理信道、网络资源进 行合理配置，完善网络协议兼容性及保障不同特性业务的传输质量等方 面的研究，都是无线网络资源管理的重要内容。本文基于无线网络资源 管理的跨层设计方法，研究了无线传感网络的分簇算法和介质接入机制， 研究了无线城域网的准入控制机制。本论文的主要研究工作如下： 无线传感网络的分簇算法。分簇算法利用跨层设计，使得低层协议可 以感知应用层的需求，同时满足传感网络资源管理分布式、能量高效利 用的要求。在经过对已有分簇算法的仔细研究后发现，单跳通信是无线 传感网络能量消耗不均衡和缺乏可扩展性的主要原因。无线传感网络中， l e a c h ( l o we n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r c h y ) 是最具代表性的分 簇算法。本文在l e a c h 的基础上进行改进，使用多跳通信来交换信息， 提出了基于l e a c h 的增强型多跳分簇算法e m c a ( e n h a n c e dm u l t i h o p c l u s t e r i n ga l g o r i t h m ) 。对该算法的性能进行理论分析，证明与l e a c h 相比较，e m c a 可以有效地节约能量，延长网络生存时间，具有更好的 可扩展性。 多跳分簇传感网络的介质接入机制。m a c 协议对无线传感网络的性 能有较大影响，时分复用( t d m a ) 机制的一些特点使其成为最适合用 于传感分簇网络簇内通信的介质接入机制。本文在提出的e m c a 算法基 础上，对簇内的m a c 机制进行研究，结合路由信息，提出一种适用于 簇内多跳拓扑结构的跨层设计的t d m a 调度算法，并对其进行了分析。 算法先为簇内路由树的关键路径上各节点分配时隙，按照一定的原则安 排尽可能多的节点同时发送。与已有的几种分簇网络t d m a 调度机制相 比较，本文提出的调度算法可以建立非常紧凑的时隙帧，有效利用无线 介质资源，大大降低网络中数据发送的总延迟时间，同时能够平衡簇内 浙江大学博士学位论文 的能量消耗。 无线城域网的准入控制机制。i e e e8 0 2 16 协议中，连接为系统的带 宽请求、q o s 支持提供最基本的机制，准入控制是网络保证业务q o s 的 基础。本文提出一种跨层设计的连接准入控制算法，并对其进行了分析。 算法结合确定的和统计的方式，分别为实时业务和非实时业务计算预留 带宽；根据不同的业务类别和物理层带宽的变化作出自适应的准入判决。 目前国内外对于无线城域网q o s 的跨层研究大都在调度算法，本文首次 结合i e e e8 0 2 1 6 物理层的自适应调制编码技术来设计准入控制。分析 结果证明，利用跨层信息算法可以更加有效地保证业务q o s 需求，高效 利用带宽，同时防止网络拥塞。 关键词：跨层设计，无线传感网络，分簇，时分复用，i e e e8 0 2 16 ，服 务质量，自适应调制编码，准入控制 i l a b s t r a c t u t i l i z i n gs c a r er e s o u r c ee f f i c i e n t l y i sv e r y i m p o r t a n ti nw i r e l e s s n e t w o r k r e s o u r c em a n a g e m e n ti nw i r e l e s sn e t w o r ki n c l u d e sr e a s o n a b l e d e p l o y m e n t o fc o m p l i c a t ew i r e l e s sc h a n n e la n dh a r d w a r e r e s o u r c e ， p r o v i d i n gq o sg u a r a n t e ef o rd i f f e r e n tt r a f f i cr e q u i r e m e n t s ，a n ds oo n b a s e d o nc r o s s - l a y e rd e s i g n ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sas t u d yo fc l u s t e r i n g a l g o r i t h ma n dm e d i u ma c c e s ss c h e m ei nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，a sw e l la s c o n n e c t i o na d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m ei nw i r e l e s sm e t r o p o l i t a nn e t w o r k t h e c o n t e n t so ft h i sw o r ka r el i s t e da sf o l l o w s ： r e s o u r c em a n a g e m e n ti nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) d e m a n d s ： a p p l i c a t i o ns p e c i f i c ，d i s t r i b u t e d ，e n e r g ys a v i n g c l u s t e r i n gt o p o l o g yc a n s a t i s f yt h e s er e q u i r e m e n t s h o w e v e r , s i n g l e - h o pc o m m u n i c a t i o ni st h e p r i m a r yr e a s o no fu n b a l a n c e de n e r g yc o n s u m p t i o na n dl a c k i n go fs c a l a b i l i t y l e a c h ( l o we n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r c h y ) i s t h em o s t r e p r e s e n t a t i v ec l u s t e r i n ga l g o r i t h mi nw s n m a k i n ga ni m p r o v e m e n to n l e a c h ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e s a ne n h a n c e d m u l t i h o pc l u s t e r i n g a l g o r i t h m ( e m c a ) w h i c hu s e sm u l t i h o pc o m m u n i c a t i o nf o ri n t e r & i n t r a c l u s t e r t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a t ，e m c ac a nm a k ea ne f f i c i e n tu s e o fe n e r g yt op r o l o n gt h en e t w o r kl i f e t i m e c o m p a r e dw i t hl e a c h ，e m c a i sm o r es c a l a b l e m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o lh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h e p e r f o r m a n c eo fw s n m a n yc h a r a c t e r i s t i c so ft d m as c h e m em a k ei t s e l f b e c o m et h em o s ts u i t a b l em a cs c h e m ef o rc l u s t e r i n gw s n b a s e do n e m c a ，t h i sd i s s e r t a t i o nk e e p s0 nr e s e a r c h i n go fm e d i u ma c c e s si n t h e c l u s t e r c o n s i d e r i n gr o u t i n gi n f o r m a t i o n ，ac r o s s l a y e rd e s i g n e dt d m a s c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o rm u l t i h o pt o p o l o g yi sp r o p o s e d a l g o r i t h mf i n d s 1 h 浙江大学博士学位论文 t h ec r i t i c a lp a t hi nt h ec l u s t e rf i r s t w h e na l l o c a t i n gt i m es l o t s ，a r r a n g ea s m a n yn o d e sa sp o s s i b l et ot r a n s m i ta tt h es a m et i m e c o m p a r e dw i t ho t h e r t d m as c h e d u l i n gs c h e m e si nc l u s t e r i n gn e t w o r k ，t h eh e wa l g o r i t h mc a n r e d u c ed a t ad e l a yr e m a r k a b l ya n db a l a n c ee n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h e c l u s t e r a na d m i s s i o nc o n t r o la l g o r i t h mu t i l i z i n gc r o s s l a y e rd e s i g ni sp r o p o s e d f o r1 e e e9 0 2 16n e t w o r k s i nt h ea l g o r i t h md e t e r m i n i s t i cq o si sp r o v i d e d f o rr e a l t i m et r a f f i c ，a n ds t a t i s t i c a lq o sf o rn o n r e a l t i m et r a f f i c w h e n m a k i n gt h ea d m i s s i o nd e c i s i o n ，t h em o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m eu s e di n p h y s i c a ll a y e ri sc o n s i d e r e dt oh a v eak n o w l e d g eo f t h eb a n d w i d t hv a r i a t i o n a d m i s s i o nc o n t r o li sa d a p t i v ea c c o r d i n gt ot h et r a f f i ct y p ea n dw i r e l e s s c h a n n e l s n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dc r o s s l a y e ra l g o r i t h m c a np r o v i d ee f f i c i e n tq o sg u a r a n t e ea n da v o i dc o n g e s t i o ni nt h en e t w o r k k e yw o r d s ：c r o s s l a y e rd e s i g n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，c l u s t e r i n g ，t d m a ， i e e e9 0 2 16 ，q o s ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ，c o n n e c t i o na d m i s s i o n c o n t r o l w 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 移动通信已成为当代通信领域内发展潜力最大、市场前景最广的热点 技术，它的发展经历了三个主要阶段。每一代的发展都是技术的突破和 观念的创新。第一代起源于2 0 世纪8 0 年代，主要采用模拟和频分多址 ( f d m a ) 技术。第二代( 2 g ) 起源于9 0 年代初期，主要采用时分多址 ( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术。第三代移动通信系统( 3 g ) 可 以提供更宽的频带，不仅传输话音，还能传输高速数据，从而提供快捷 方便的无线应用【1 】。然而，第三代移动通信系统仍是基于地面标准不一 的区域性通信系统，尽管其传输速率可高达2 m b s ，还是无法满足多媒 体通信的要求，因此，第四代移动通信系统( 4 g ) 的研究随之应运而生。 虽然4 g 的研究还在进行中，目前普遍认为，4 g 无线通信网络的特 征包括：涵盖各种无线系统，包括蜂窝网、无线局域网、卫星等，各种 空中接口可以与英特网直接相连，组成一个统一的全球性网络；以i p 为 核心网采用分组交换方式，向用户提供的峰值速率超过1 0 0 m b i t s ，并能 支持用户在各种无线通信网络中漫游；支持不同类型业务和多种q o s 要 求，灵活的用户管理、移动性管理，更高的安全性；智能、开放的网络 业务平台，便于新业务的开发和应用；终端智能化，可重载等【2 7 】。图 1 1 给出了可能的4 g 无线网络【8 】。 在各种无线网络中，有效地提高网络资源利用率一直是研究的热点问 题。如何使用无线资源管理的各种方法对复杂的无线物理信道、网络资 源进行合理配置，完善i p 协议兼容性及保障不同特性业务的传输质量等 方面的研究，都是无线网络资源管理的重要内容。资源管理的一个重要 原则是利用网络在不同应用中呈现出的各种内在差异性，来有效地进行 带宽分配、介质接入、功率自适应等管理。因此，在为无线网络设计资 浙江大学博士掌位论文 源管理方式之前，需要对该网络深入研究，充分了解其特性。 1 2 无线网络概述 图1 14 6 无线网络示意图 传统的有线网络结构都是按照分层设计的思想( o s i 的七层模型、t c p i p 的 五层模型0 9 ) 。无线网络区别于有线网络很重要的一点，就是物理层无线信道 的动态性。在此基础之上的介质访问、网络拓扑等，与有线网络有很大不同。 1 2 1 无线网络的分类 无线网络按照覆盖范围，可以分为无线个域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k ，w p a n ) 、无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ，w l a n ) 、无线城 域网( w i r e l e s s m e t r o p o l i t a n n e t w o r k ，w m a n ) 和无线广域网( w i r e l e s s w i d e a r e a 2 第一章绪论 n e t w o r k ，w w a n ) 等。 无线个域网是小范围无线网络，典型的应用场景是在家庭或是办公室，利用 低成本、低功耗的网络设备使各种各样的家用电器和办公设备接入互联网。i e e e 8 0 2 1 5 协议族就是专门为w p a n 柳定的标准，著名的蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术也 是i e e e8 0 2 1 5 1 标准 1 8 1 的基础。 无线局域网是目前最为普及的无线网络形式，有i e e e8 0 2 1 1 协议族，欧洲 h i p c r l a n 等不同标准。目前最广泛使用的i e e e8 0 2 1 l b 标准采用直接序列扩频 技术，工作在免费的2 4 g h z 开放频段，最高传输速率可达ll m b p s ，覆盖范围从 室外的几十米到几百米。 无线城域网提供在城市等较广范围内的宽带无线接入。i e e e8 0 2 1 6 作为宽 带无线城域网的技术标准，具有快速配置、扩展性强、维护和更新费用低等优势， 为网络运营商提供了在c a b l e 、d s l 和以太网等宽带接入技术之外的一种选择。 无线广域网满足超出一个城市范围的信息交流和网际接入需求。i e e e8 0 2 2 0 和2 g 、3 g 蜂窝移动通信系统共同构成w w a n 的无线接入，其中，2 g 、3 g 蜂 窝移动通信系统在目前使用最多。i e e e8 0 2 2 0 移动宽带无线接入标准也被称为 m o b i l e - f i 。 无线个域、局域、城域、广域网四者提供了不同的服务覆盖范围和通信速率， 互相补充和融合，将为人们提供无所不在的宽带无线接入，实现随时随地的信息 交流、数据下载。 1 2 2 无线网络的物理层特性 如图1 2 所示，物理层信道模型可以分为两类：大尺度路径损耗和小尺度衰 落【9 】。大尺度路径损耗模型，也称作传播模型，描述了具体传播路径上潜在的 物理机制( 铡如反射、绕射和散射) 。这些模型将发射枫与接牧枧之间的信号衰 减用距离的函数表示，衰减主要受突起的地形轮廓影响，如建筑物、山脉和树林 等。路径损耗模型对平均接收信号随距离衰减的描述可以是确定性方式( 如甩次 幂定律) ，也可以是平均值的统计变化( 如对数正态分布) 。 浙江大学博士学位论文 小尺度衰落模型用统计方法描述一般无线路径的特性。小尺度衰落是指无线 信号在经过短时间或短距离传播后其幅度快速衰落，以致大尺度路径损耗的影响 可以忽略不计。这种衰落是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的 时间差到达接收机的信号互相干涉所引起的。由于多普勒扩展引起频率色散，也 称为时间选择性衰落，根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，可以分为快衰 落和慢衰落。而由多径特性引起的时间色散，导致发送信号产生平坦衰落或频率 选择性衰落。一个平坦衰落信号包络的统计时变特性可以用r a y l e i g h 分布、 r i c e a n 分布和n a k a g a m i 分布等表示【9 】。大尺度路径损耗和小尺度衰落一起描述 经过各种距离范围接收到的信号功率。 而磊i 翮 大尺度路径损耗 小尺度衰落 基于边缘累积分南li 基于多普勒扩展ii 基于多径时延扩展 r a y l e i g h 衰落ir i c e a n 寰落j 也! ! ! 型也! ! ! 到l 兰望窒至il 塑兰垡墨堡兰堡 图1 2 物理层信道模型分类 1 2 3 无线网络的介质接入方式 介质接入控制( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 的任务是负责安排协调多个用 户共享信道，避免和管理冲突。很明显，m a c 层使用的协议对无线网络的性能 有关键影响。 按照 1 0 l q 的划分方式，m a c 协议可以分为单信道和多信道。早期的m a c 层设计通常将介质考虑为一个单独的信道，采取随机接入的方式( 例如： c s m a ( c a r r i e r s e l l s e m u l t i p l ea c c e s s ) 11 】，m a c a ( m u l t i p l e a c c e s sc o l l i s i o n a v o i d a n c e ) 1 2 】) ，网络中所有的节点共享介质，传输控制和数据信息。这样的协 议有一个内在的问题一冲突。两个节点如果同时发送就会碰撞导致冲突，这时需 要一个退避机制来解决。多信道接入方式将介质划分为多个信道，最常用的几种 4 第一章绪论 多址方式是f d m a 、c d m a 、t d m a 和s d m a ( 图1 3 ) 。f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 采用调频的方式，业务信道在不同的频段分配给不同的用户。 c d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 采用正交编码和扩频技术，所有用户在同一 时间、同一频段上，根据不同的编码获得业务信道。t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 采用时分的方式，业务信道在不同的时间分配给不同的用户。s d m a ( s p a c e d i v i s i o nm u l t i p l ea c e e s s ) h i l 依靠阵列天线，根据用户信号不同的空间传播方向。提 供不同的空间信道。基于多址方式的m a c 协议，通常给每个用户分配固定数目 的带宽，从而避免冲突的发生，但是当用户没有数据发送时，分配给该用户的无 线带宽资源就被浪费了。 m a c 协议通常使用混合多址方式，例如，结合t d m a 和f d m a ，给每个节 点分配一个固定频率的时隙【1 3 】：结合c d m a 和t d m a ，给每个节点分配一个 固定时隙和扩频编码【1 4 】。m a c 协议的性能可以用能量消耗、公平性和吞吐量 来衡量，尽可能减小能量消耗，给每个节点公平地带宽共享，达到高吞吐量【1 5 ， 1 6 1 。 图1 3 三种多址方式的示意图 1 2 4 无线网络的拓扑 无线网络拓扑是网络节点之闫形成的连接关系，在无线网络协议设计中，通 常有两种基本的拓扑分类：集中式西i n t r a l i z e d ) 和分布式( d i s t r i b u t e d ) 。 在有基础结构( i n f r a s t m c u a ) 的集中式拓扑中，有线部分的基础结构通常 由相互连接的基站( b a s es t a t i o n , b s ) 或接入点( a c c e s s p o i n t , a p ) 组成。基础 5 浙江大学博士学位论文 结构型拓扑最典型的应用是无线城域网一i e e e8 0 2 1 6 协议中的p m p ( p o i n t - t o - m u i t i p o i n t ) 拓扑结构，另外，所有标准化的蜂窝电话系统也都采用该 结构。无线基站或接入点是网络中的重要组成单元，控制它无线范围内的移动终 端通信。任何一个移动终端想要与另一个终端通信，发送的数据都必须经过 b s a p 。从移动终端到b s a p 的通信链路被称为上行，而从b s a p 到移动终端 的被称为下行链路。集中式拓扑的网络采用的协议也是集中式，其中b s a p 作 为中心控制站，管理用户接入网络进行通信。基础结构网络的配置复杂，实现成 本也较昂贵。 分布式结构的网络也被称作自组织网络( a dh o cn e t w o r k ) ，结构简单，组 网迅速，使用方便，抗毁性强，多用于军事和商业应用中。无线局域网的i e e e 8 0 2 1 1 标准就支持a dh o c 拓扑，另外，无线传感网络也是一种特殊的a dh o c 网络。a dh o c 网络中没有固定的基础设旅，节点之间的关系是对等的，应用于 其中的网络协议也必须是分布式的。各节点通信之前，需要竞争公用信道，容易 出现隐藏终端暴露终端问题【1 7 】。a dh o c 网络中的节点通常由电池供电，整个 网络是一个能量受限系统。因此可以看出，用于a dh o c 拓扑的网络协议设计更 加有难度和挑战性。 表1 1i n f r a s t r u c t u r e 与a dh o e 的拓扑比较 i n f r a s t r u t u r e 拓扑 dh o c 拓扑 主要的应用无线城域网( 眦 n )无线传感网络( w s n ) 筠? 橱 有无 专用上、下行链路有 无 能量受限无有 网络配置 耗时、昂贵方便、简单 协议设计集中式分布式 i n f r a s f f u c t u r e 和a d h o c 拓扑的主要比较在表1 1 中列出。对不同的拓扑结构， 网络中的资源管理方式和协议设计着眼点也有很大不同。 1 3 研究动机及意义 在无线网络中采用资源管理技术可以大大提高网络的容量。无线资源管理的 目标包括两个方面；一个是从网络提供商的角度出发，提高无线资源的利用率和 6 第一章绪论 无线网络的容量；二是从用户和业务的角度出发，保证系统所接纳各种类型业务 的服务质量要求。无线资源管理的内容和方法非常多，具体采用的技术应该根据 网络的应用场景和业务的要求自适应设计。 无线网络中任何一层协议都会对其它层造成较大的影响，继续使用分层独立 的传统网络模型会影响资源的最佳利用。跨层联合设计技术( c r o s s - l a y e rd e s i g n ) 适应未来移动通信系统的自适应性和高服务质量的要求，是很有前景的一种设计 思想。本文以无线传感网络和无线城域网为代表，分别研究跨层优化在分布式拓 扑和集中式拓扑无线网络资源管理中的应用。 无线传感网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , w s n ) 是a dh o e 网络的一种，有 着与传统网络明显不同的技术要求，前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。 w s n 中的资源管理具有与应用相关、要求易于配置、节点能量限制等特点。因 此设计一个无线传感网络的系统应该： 本地执行计算以减少数据量； 在没有集中控制的情况下进行网络配置； m a c 和路由协议允许节点周期性进入睡眠状态，节约能量消耗； 具备可扩展性。 分簇的层次型拓扑结构能够满足w s n 的以上要求。传感网络中的分簇算法 通常采用跨层设计的技术，使得协议栈的低层能够感知应用层需求。另外，在无 线传感网络中，m a c 与路由协议需要综合设计，防止由于空闲侦听或者传输冲 突导致传感器节点的能量浪费。本文所提出的多跳分簇技术和t d m a 调度算法 对于无线传感网络系统的开发具有一定的理论意义和技术价值。 不同于无线传感网络以能源的高效使用为首要设计目标，无线城域网的首要 设计目标是提供高服务质量( q o s ) 和高效带宽利用。1 e e e8 0 2 1 6 标准采用点 到多点( p i p ) 的拓扑结构，由b s 进行统一的资源调度。i e e e8 0 2 1 6 虽然提 供q o s 支持，但是并没有解决带宽调度和连接准入控制等资源管理问题。准入 控制的作用是使新的有q o s 要求的业务流进入网络后，不会影响到网络中已经 存在流的服务质量。其目标是要实现：预留网络资源；优化利用网络资源；最大 化准入流的数目；保证网络已有业务的q o s - 保存当前网络可用资源的信息。传 浙江大学博士学位论文 统网络的准入控制算法基于恒定带宽，而无线网络的带宽具有时变性。本文研究 跨层设计的准入控制算法，通过感知物理层带宽的变化能够更加有效地利用网络 资源和保证用户的q o s 。 1 4 本文的主要研究内容 本论文研究无线网络中资源优化分配的跨层设计技术，主要以能量、无线介 质、带宽等为优化资源，研究无线传感网络中的分簇和介质接入控制，研究无线 城域网的准入控制。在研究中，以节约能量消耗为无线传感网络的优化目标，以 保证用户的q o s 要求和系统带宽利用率为无线城域网的优化目标。本学位论文 中，第三章是根据作者已发表且由s c i 收录的一篇文章整理而成；第四章内容在 作者另一篇i s t p 收录的文章中涉及到；第五章内容为对i e e e8 0 2 1 6 中的准入 控制进一步研究所得，已投稿浙大学报，作者曾在中兴通讯公司总部实习，参加 w i m a x 项目组，负责研究i e e e8 0 2 1 6 的q o s 相关问题，并设计实现了某些功 能。 1 4 1 本文的主要贡献 本论文的主要研究工作如下： 1 、研究了无线传感网络的分簇技术，提出一种增强型多跳分簇算法e m c a ( e n h a n c e dm u l t i h o pc l m t e r i n ga l g o r i t h m ) 。在经过对已有分簇算法的仔细研究 后发现，单跳通信是无线传感网络能量消耗不均衡和缺乏可扩展性的主要原因。 无线传感网络中，l e a c h ( l o w e n e r g y a d a p t i v e c l u s t e r i n g h i e r a r c h y ) 是最具代 表性的分簇算法，它采用跨层设计使得m a c 和路由层都可以了解传感应用的需 求。本文在l e a c h 的基础上进行改进，使用多跳通信来交换信息，提出了基于 l e a c h 的多跳分簇算法e m c a ，并对该算法的性能进行了理论分析。分析结果 证明，与l e a c h 相比较，e m c a 可以有效地节约能量，延长网络生存时间，具 有更好的可扩展性。 2 、研究了多跳分簇传感网络的介质接入机制，提出一种适用于簇内多跳拓 8 第一章绪论 扑结构的跨层设计的t d m a 调度算法。m a c 协议对无线传感网络的性能有较大 影响，时分复用( n ) m a ) 机制的一些特点使其成为最适合用于传感分簇网络簇 内通信的介质接入机制。本文在提出的e m c a 算法基础上，对簇内的m a c 机 制进行研究，结合路由信息，提出一种t d m a 调度算法，并对其进行了分析。 算法先找出簇内路由树上的关键路径，为路径上各节点分配时隙，然后将簇内剩 余节点按照一定的机制插入到原先的调度中。与已有的几种分簇网络t d m a 调 度机制相比较，本文提出的调度算法可以建立非常紧凑的时隙帧，大大降低网络 中数据发送的总延迟时间，同时能够有效地平衡簇内的能量消耗。 3 、研究了无线城域网的q o s ，提出一种跨层设计的连接准入控制算法。i e e e 8 0 2 1 6 协议中，连接为系统的带宽请求、q o s 支持提供最基本的机制，所有的业 务都必须与某一个连接相联系。本文提出一种跨层设计的连接准入控制算法，并 对其进行了分析。算法结合确定的和统计的方式，分别为实时业务和非实时业务 计算预留带宽；根据不同的业务类别和物理层带宽的变化作出自适应的准入判 决。目前国内外对于无线城域网q o s 的跨层研究大都在调度算法，本文首次结 合i e e e8 0 2 1 6 物理层的自适应调制编码技术来设计准入控制。分析结果证明， 利用跨层信息算法可以更加有效地保证业务q o s 需求，高效利用带宽，同时防 止网络拥塞。 1 4 2 本文的结构安排 全文共分为六章，论文的主要内容和章节安排如下： 第一章介绍了无线通信的发展现状和无线网络的分类、物理层特性、介质接 入方式、拓扑结构，引出了本文的研究对象和选题意义。 第二章研究无线网络的资源管理。重点介绍了服务质量( q o s ) 的概念，包 括度量参数、体系架构以及无线网络中实现q o s 的主要问题和几种机制。接着 研究了资源管理中跨层机制的分类、层间信息交互、关键问题和挑战等内容。 第三章研究了无线传感网络的分簇算法。首先简单介绍无线传感网络和分簇 算法方面的相关工作，接着给出分析中使用的系统模型，然后详细评价介绍 9 浙江大学博士学位论文 l e a c h ，并给出了e m c a 算法的具体设计，最后进行数值分析。 第四章研究多跳分簇传感网络的介质接入机制。在介绍了分簇传感网络的介 质接入机制和相关工作之后，给出系统模型并具体描述了提出的t d m a 调度算 法，最后对算法的能量消耗进行分析，并与其它类似机制的延迟性能进行比较。 第五章研究了无线城域网的准入控制。首先介绍i e e e8 0 2 1 6 和在城域网中 支持q o s 的一些相关机制，然后具体描述了提出的跨层设计的准入控制算法， 包括各类型业务顸留带宽的计算和相应的准入判决处理，最后对算法进行了数值 分析。 第六章总结全文，指明有待于迸一步深入研究的方向。 1 0 第一章绪论 参考文献 1 孙立新，尤肖虎，张萍等，第三代移动通信技术，人民邮电出版社，2 0 0 0 2 e b a u e r , a g u e g u c n , s m a y r a r g u e ，e ta l ，“s y n t h e s i sr e p o r t o nw o r l d w i d e r e - 蚓t r c ho n4 gs y s t e m s ，”e u r o p e a nc o m m i s s i o ni s t 0 2 0 0 1 3 2 6 2 0m a t r i c e d e l i v e r a b l ed 1 4 3 t s r a p p a p o r t , a a n n a m a l a i ，& m b u e h r e r ,w h t r a n t e r , “w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ：p a s te v e n t sa n daf u t u r ep e r s p e c t i v e ，i e e ec o m m u n i c a t i o n s m a g a z i n e 。5 0 血a n n i v e r s a r yc o m m e m o r a t i v ei s s u e ，2 0 0 2 ，p p 1 4 8 1 6 1 4 q b i ，g l z y s m a n , h m e n k e s ， w i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o na tt h es t a r to f t h e2 1 “c e n t u r y , ”i e e ec o m m u n i c a t i o n sm a g a z i n e ，v 0 1 3 9 ，n o 1 ，2 0 0 1 ， p p 1 1 0 - 1 1 6 5 l m p e r e i r a , f o u r t hg e n e r a t i o n ：n o w ，i ti sp e r s o n a l u p r o c p i m r c ，v 0 1 2 ，2 0 0 0 ， p p 1 0 0 9 - 1 0 1 6 6 j z s u n , j s a u v o l a , d h o w i e ， f e a t u r e si n 觚：4 0v i s i o n sf r o mat e c h n i c a l p e r s p e c t i v e ，”p r o c g l o b e c o m ，v o l ，6 ，2 0 0 1 ，p p 3 5 3 3 3 5 3 7 7 张平，“b e y o n d3 g 移动通信系统关键技术”北京邮电大学学报，v 0 1 2 5 ，n o 3 ， 2 0 0 2 ，p p 1 - 6 8 王晓利，无线通信系统中的跨层优化技术的研究，北京邮电大学博士学位论 文，2 0 0 6 9 t h e o d o r es r a p p a p o a 著；蔡涛等译，无线通信原理与应用，电子工业出版 社，1 9 9 9 1 0 r j u r d a k , c v l o p c s , e b a l d i ，as u r v e y , c l a s s i f i c a t i o na n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i s o fm e d i u ma c c e s sc o n t r o lp r o t o c o l sf o ra d h o c n e t w o r k s ，i e e e c o m m u n i c a t i o n ss u r v e y s & t u t o r i a l s 2 0 0 4 1 1 l k l e i n r o c k , e a t o b a g i ， p a c k e ts w i t c h i n gi nr a d i oc h a n n e l s ：p a r thc a r t i e r s e n s em u l t i p l e - a c c e s sm o d e l sa n dt h e i rt h r o u g h p u t - d e l a yc h a r a c t e r i s t i c s ，i e e e t r a n s c o m m u n , v 0 1 2 3 ，n o 1 2 ，1 9 7 5 1 1 浙江大学博士学位论文 1 2 e k a m , m a c a ：an e wc h a n n e la c c e s sp r o t o c o lf o rp a c k e tr a d i o ，a r r l c r r l a m a t e u rr a d i o9 0c o m p n e t c o n f 1 9 9 0 1 3 ，d j g o o d m a ne ta 1 “p a c k e tr e s e r v a t i o nm u l t i p l ea c c e s sf o rl o c a lw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，”v e h i c t e c h c o n f ，i e e e ，1 9 8 8 ，p p 7 0 1 7 0 6 1 4 t h eb l u e t o o t hs p e c i a li n t e r s tg r o u p , 1 9 9 9 1 5 j c h e n ，i c s i v a l i n g a m ，e a g r a w a l ，s k i s h o r e , ac o m p a r i s o no fm a cp r o t o c o l s f o rw i r e l e s sl o c a ln e t w o r k sb a s e do nb a t t e r yp o w e rc o n s u m p t i o n , ”p r o c i e e e i n f o c o m ，1 9 9 8 1 6 k s c o t t , n b a m b o s ， r o u t i n g a n dc h a n n e l t r a n s m i s s i o ni np c s ”i n5 也i e e ei n t c o m m u n i c a t i o n s ，v 0 1 2 ，1 9 9 6 ，p p 4 9 8 5 0 2 1 7 z j h a a s j d e n g , d i 璩lb u s y t o n em u l t i p l ea c c e s s ( d b t m a ) - a m u l t i p l ea c c e s s c o n t r o ls c h e m ef o ra dh o en e t w o r k s ，”i e e et r a n s c o m m u n ，v 0 1 5 0 ，n o 6 ，2 0 0 2 ， p p 9 7 5 9 8 5 1 8 l a n m a ns t a n d a r d sc o n u n i t t e eo ft h ei e e ec o m p u t e rs o c i e t y , p a r t1 5 ，1 ： w i r e l e s sm e d i u ma c c c s sc o n t r o l ( m a c ) a n dp h y s i c a ll a y e r ( p h y ) s p e c i f i c a t i o n s f o rw i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ( w p a n s ) ，i e e es t d8 0 2 1 5 1 ，2 0 0 2 1 9 a n d r e ws t a n c n b a m n 著，熊桂喜，王小虎译，计算机网络( 第3 版) ，清华 大学出版社，1 9 9 8 第二章无线网络的资源管理 第二章无线网络的资源管理 无线网络资源管理 1 】的目标是在有限资源的条件下，为网络内无线用户终端 提供业务