有限负载下大规模无线CSMA网络的性能分析与优化

As one of the key technology for solving the Last-Mile communication problem, WLAN has been widely deployed in our daily life. Numerous co-located WLANs compete with each other for the shared medium according to the IEEE 802.11 DCF mechanism, constituting a large-scale wireless CSMA network. How to analyze, understand and optimize this CSMA network has been a "hot topic" among researchers during recent years...First, this proposal attempts to develop an analytical model for the large-scale wireless CSMA network with unsaturated traffic load. Based on our prior research on saturated CSMA network, we will propose two methods, Equivalent Link Access Intensity and Weighted Summation of Equivalent Network Contention Graph, to model the unsaturated CSMA network. Different from most prior work, we take the status of the link transmit buffer into account while analyzing the interactions among links, and study how the offered-load and protocol-parameter settings impact the network performance. Second, we design quick and simple computation algorithms based on Belief Propagation to calculate the throughput distribution of links. Third, under the framework of the optimization theory, we design distributed algorithms to achieve the optimal system utility, by incorporating the adaptations of the offered-load and the parameters of CSMA protocol...This proposal will build up a set of theory and algorithms for the analysis and optimization of large-scale CSMA network with finite load. The outcomes of this research can i) serve as a reference toolset for the wireless network designers; ii) lay down the theoretical basis for large-scale WLAN analysis and optimization and iii) yield a distributed algorithm to achieve system optimality for practical CSMA wireless network.

作为解决宽带接入"最后一英里"的主流技术之一，WLAN已被广泛应用于人们的工作和生活中。多个物理位置相邻的WLAN按照802.11 DCF机制参与竞争信道，组成大规模的无线CSMA网络。如何分析、理解和优化这类CSMA网络一直是学术界的热点话题。.本课题拟在饱和状态下无线CSMA协议研究的基础上，运用等效链路接入竞争强度法和等效网络冲突图加权叠加法建立有限负载下CSMA网络的数学模型，将链路发送队列为空的状态纳入分析范畴，探讨链路间相互影响和作用的随机过程，理解负载控制和协议参数设置对网络性能的影响；运用置信传播算法，提供链路吞吐量的快速估计算法。更进一步，在最优化理论的框架下，设计通过调整给定负载和CSMA协议参数来实现系统效益最大化的分布式算法。.本课题的研究将建立起一套分析和优化有限负载下无线CSMA网络的理论和算法，为无线网络规划提供参考工具，为优化WLAN提供理论基础和算法支持。

随着移动互联网和物联网的蓬勃发展，不断提升无线通信网络性能是满足社会经济发展和人们生活需要的必然要求，而无线网络MAC层接入协议是制约无线网络性能的瓶颈问题。本项目以最广泛应用的MAC层协议——无线CSMA协议为重点研究对象，运用等效访问强度法和等效网络冲突图加权组合法，建立有限网络负载下的CSMA网络的数学模型。具体来说，首先以“链路”为考察对象，将节点发送队列为空时的等待数据包到达所花费的时间映射成“额外的”随机退避时间，从而可以利用饱和CSMA网络的已有成果来解决链路吞吐量分析与计算的问题。给定网络竞争图和链路负载以及CSMA协议参数，我们提出了一种迭代算法“Compute-and-Compare”，用于判定当前网络设置下的非饱和链路，计算非饱和链路的“等效访问强度”和所有链路吞吐量分布。其次，以“网络竞争图”为考察对象，有限负载下的无线CSMA网络可以看成若干个饱和子网络按照一定概率的加权组合。我们进而提出“竞争图组合模型”来刻画负载受限的无线CSMA网络，并在此基础上建立了最优化模型，寻找使得网络效用最大的负载设置。除此以外，作为搭建试验网络的前期准备工作，我们基于USRP搭建了简易的GSM基站，成功实现了两台移动终端之间的短消息和语音通信；基于软件定义网络的设计思想，提出了未来网络的统一架构U-WN，使其可以灵活兼备WLAN和蜂窝网的优点；提出了一个基于路段的最小费用最大流问题来得到网络数据包传输能力的上界；针对双向中继MIMO通信系统，提出了一种新的物理层编码方案，基于信道量化的物理层网络编码（CQ-PNC），使其可以实现完全的分集增益 ；针对无线传感器网络中终端能量受限的特点，设计了一种编码感知的无线路由方案来使得能量效率最大化。在IEEE Trans. Wireless Communications、IEEE Trans. Information Theory、Sensors、Physica A、电子与信息学报、通信学报、IEEE(ICC)2013、IAC2013、IEEE ICCCNT 2014、IEEE CyberC 2015等期刊和会议上发表标注论文13篇，包括SCI检索论文4篇。本项目就无线网络的优化和设计做了一些有益的探讨，已取得的研究成果将有助于提升无线网络的通信能力，为未来无线网络的体系架构、协议优化和应用设计提供一定的理论依据。