面向实时业务qos保障的ieee 802.15.4优化及性能分析

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1、分类号：TN929.5单位代码：10183研究生学号：2013522020密级：公开吉林大学硕士学位论文（学术学位）面向实时业务QoS保障的IEEE802.15.4优化及性能分析OptimizationandPerformanceAnalysisofIEEE802.15.4forQoSGuaranteeofReal-timeTraffics作者姓名：刘健专业：通信与信息系统研究方向：宽带无线通信指导教师：黄玉兰副教授培养单位：通信工程学院2016年6月未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任

2、何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学硕±学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中Ｗ明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作

3、者签名；＾也日Ｘ期；年月如日——————————————————————————————————面向实时业务QoS保障的IEEE802.15.4优化及性能分析——————————————————————————————————OptimizationandPerformanceAnalysisofIEEE802.15.4forQoSGuaranteeofReal-timeTraffics—————————————————————————————————————作者姓名：刘健专业名称：通信与信息系统指导教师：黄玉兰

4、副教授学位类别：工学硕士答辩日期：2016年6月5日摘要摘要面向实时业务QoS保障的IEEE802.15.4优化及性能分析IEEE802.15.4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

5、)，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QoS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QoS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

6、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(MarkovChain)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

7、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QoS，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

8、(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I摘要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