论文部分内容阅读
随着人们对服务需求的日益增长，通信系统将面临前所未有的挑战。物联网的出现极大地便利了人们的生活，受到全世界的广泛关注。作为现阶段物联网最主要的应用形式，机器类通信M2M (Machine to Machine)以其巨大的发展潜力成为各领域竞相追逐的焦点。但随着M2M业务的大规模应用，终端海量性和业务异质性势必给当前的接入网络带来冲击，异质M2M业务背景下的网络性能亟待分析和优化。IEEE802.15.4是针对低速无线个域网LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal AreaNetwork)而制定的标准，该标准下的网络具有结构简单、功耗低等特点，其应用已渗透到我们生活的方方面面。IEEE802.15.4MAC层采用竞争接入和GTS(Guaranteed TimeSlot)固定分配相结合的混合接入机制，恰好为异质M2M业务的QoS保证提供了契机，将成为未来M2M业务的重要承载网络。因此，本文在异质M2M业务背景下，建模分析了IEEE802.15.4的混合接入机制，分析结果可为实际网络中的性能评估和优化提供理论依据。本文研究了M2M通信的应用领域及典型实例，针对不同类型的M2M业务特性，选取MMBP(Markov Modulated Bernoulli Process)和IBP(Interrupted Bernoulli Process)两类模型来描述M2M实时和M2M非实时业务的到达分布，为下文的接入机制建模和性能研究打下基础。本文以M2M非实时业务为研究对象，建立IEEE802.15.4竞争接入机制的三维Markov链分析模型。MAC层服务时间是一个非负的离散型随机变量，退避计时器值选取随机性、CCA(Clear Channel Assessment)检测不确定性等因素给MAC层服务时间的概率分布求解带来困难，本文通过构建IEEE802.15.4MAC层服务系统的传递函数框图，推导了MAC层服务时间的概率生成函数，便于MAC层服务时间的分析和计算。将IEEE802.15.4网络中每个终端的工作机制建模为一个IBP/G/1/K排队模型，在网络非饱和情况下，采用嵌入Markov链求解M2M非实时业务在IEEE802.15.4网络中的吞吐量、时延等QoS参量，利用所求性能指标，研究M2M非实时业务在IEEE802.15.4网络中的传输性能，总结不同影响因素下系统性能的变化规律。在M2M非实时业务接入分析模型的研究基础上，研究异质M2M业务背景下的IEEE802.15.4接入机制分析模型。鉴于M2M实时和非实时业务QoS要求迥异，本文建模分析竞争接入和GTS固定分配相结合的混合接入机制，模型包括CAP(Contention AccessPeriod)和CFP(Contention Free Period)两部分。在CAP部分，基于Markov链理论，考虑异质终端在竞争接入时的相互影响，建立M2M实时和非实时业务共存下的竞争接入机制分析模型。以单个节点为研究对象，将M2M实时终端和M2M非实时终端的工作机制分别建模成MMBP/G1/1/K1和IBP/G2/1/K2排队模型，通过求解排队模型，研究了网络的服务性能及两种业务之间的相互影响。在CFP部分，以协调器为研究对象，采用一维Markov链建模协调器缓存队列中GTS请求个数的变化。CAP部分成功接入的GTS请求个数的PDF(Probability Distribution Function)依赖于CAP部分CSMA/CA过程，也是CFP部分研究GTS分配过程时的输入。本文通过CAP部分成功接入的GTS请求个数的PDF来建立CAP和CFP模型之间的耦合关系，从而获得完整的IEEE802.15.4混合接入机制分析模型，最后，通过仿真分析了不同因素对接入性能的影响，并从不同角度探究系统性能提升的方法。