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离散时间并行调度两级服务与非对称门限服务轮询系统研究

作　者: 官铮
导　师: 徐丹; 赵东风
学　校: 云南大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 轮询系统两级轮询非对称无线传感器网络 MAC协议
分类号: TN92
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

轮询模型的典型工作方式是单一服务器按指定顺序循环访问多个队列。常被用于描述用户竞争使用公共资源,且同一时刻仅有一个用户使用该资源的应用。自二十世纪50年代首次被用于为英国棉纺工业的设备维修建模后,便在计算机网络、工业控制、交通控制等领域引起了广大研究者的关注。由于轮询控制可实现无冲突的资源共享,在无线通信网络中,常被用于对节点的信道接入控制方式进行建模和性能分析。随着用户对网络性能要求的不断提高,支持多业务类型、区分优先级、提高传输实时性等都成为网络各层协议设计的关键因素,因此,用于描述信道接入控制方式的轮询模型也应具有多业务、区分优先级及低时延的特性。在轮询模型的设计过程中,通过对系统服务路径、服务准则和排队准则等机制的设计可得到不同类型的扩展模型。一方面,针对区分优先级问题,本文提出了完全与并行限定(k=1)服务两级轮询模型,通过设计轮询过程中服务路径和服务准则使系统中的中心队列获得更多的信道资源,为中心队列提供了高优先级服务,实现了中心队列和普通队列的区分；此外,通过将轮询过程中的队列服务过程和查询转换过程并行处理,与已有两级轮询模型相比,平均等待时延明显降低,并且具有更大的稳定工作区间。另一方面,针对实际网络中节点业务量、数据传输速率存在差别的情况,本文讨论了非对称门限服务轮询模型,模型中各队列具有不同的顾客到达率、服务时间和查询转换时间,与对称型模型相比更具普适性。在轮询模型的理论分析研究中,要获得顾客到达、服务过程的概率分布函数难度较大,因此常通过平均排队队长、平均等待时延等关键指标进行性能评估。针对模型时延特性的分析目前大多采用数值统计或迭代计算的方法完成,本文采用嵌入式马尔可夫链和概率母函数的分析方法得出上述完全与并行限定(k=1)服务两级轮询模型平均等待时延的精确闭式解析式,给出了非对称门限服务轮询模型平均等待时延的近似闭式解析式。根据顾客达到率、服务时间、查询转换时间等参数可直接计算得出对应的性能指标量值。通过仿真实验对理论分析方法进行验证,仿真结果与理论计算值拟合度高,证明利用理论解析式分析模型性能切实可行。最后,本文针对在分层无线传感器网络中,簇首节点在树状数据汇聚结构中负载高,容易造成拥塞的问题,将完全与并行限定(k=1)服务两级轮询模型应用于无线传感器网络的MAC接入控制,提出一种两级轮询并行调度MAC接入控制策略。除进行仿真实验外,选用GAINZ节点开发无线传感器网络测试平台,在此平台上对提出的控制策略进行实际组网测试,仿真结构和实验数据均表明所提出的控制策略可以为簇内的节点提供区分优先级服务。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-22
  1.1 轮询系统研究背景  10-17
  1.2 工作内容  17-22
    1.2.1 研究目的及意义  17-18
    1.2.2 主要研究内容  18-19
    1.2.3 论文章节安排  19-22
第二章轮询系统的理论及应用研究综述  22-43
  2.1 引言  22
  2.2 轮询模型的理论分析  22-42
    2.2.1 现有的分析方法  23-25
    2.2.2 基本轮询模型分析  25-29
    2.2.3 基于到达过程的扩展模型  29-30
    2.2.4 基于服务策略的扩展模型  30-33
    2.3.5 基于排队准则的扩展模型  33-35
    2.2.6 基于服务器数量的扩展模型  35-36
    2.3.7 基于服务路径的扩展模型  36-37
    2.2.8 混合服务两级轮询模型  37-42
  2.3 本章小结  42-43
第三章离散时间完全与并行限定(k=1)服务两级轮询模型  43-80
  3.1 引言  43-44
  3.2 离散时间并行限定(k=1)服务轮询系统  44-48
    3.2.1 数学模型  44-45
    3.2.2 一阶特性  45-46
    3.2.3 二阶特性  46
    3.2.4 平均等待时延  46
    3.2.5 数值分析及验证  46-48
  3.3 离散时间完全与并行限定(k=1)服务两级轮询系统数学模型  48-55
    3.3.1 系统描述  48-49
    3.3.2 工作条件  49-50
    3.3.3 概率母函数  50-55
  3.4 一阶特性  55-57
  3.5 二阶特性  57-62
  3.6 平均等待时延  62-65
  3.7 数值分析及验证  65-79
    3.7.1 与单一服务轮询系统比较  65-73
    3.7.2 离散时间两级轮询系统比较  73-79
  3.8 本章小结  79-80
第四章非对称门限服务轮询系统时延特性近似分析  80-101
  4.1 引言  80
  4.2 基于循环查询周期的近似分析  80-85
    4.2.1 数学模型  81
    4.2.2 一阶特性  81-82
    4.2.3 二阶特性  82-83
    4.2.4 平均等待时延  83
    4.2.5 数值分析及验证  83-85
  4.3 基于队列查询时刻的近似分析  85-100
    4.3.1 数学模型  85-90
    4.3.2 一阶特性  90-92
    4.3.3 二阶特性  92-96
    4.3.4 平均等待时延  96
    4.3.5 数值分析及验证  96-100
  4.4 本章小结  100-101
第五章无线传感器网络轮询控制MAC协议研究  101-127
  5.1 引言  101-102
  5.2 传感器网络的概述  102-106
    5.2.1 网络体系结构  102
    5.2.2 WSN分簇算法  102-103
    5.2.3 传感器节点组成  103-104
    5.2.4 传感器网络的特点  104-105
    5.2.5 传感器网络的应用  105-106
  5.3 WSN MAC协议研究概况  106-109
    5.3.1 WSN MAC协议的设计原则  106-107
    5.3.2 WSN MAC协议的发展  107-109
  5.4 并行调度两级轮询控制MAC协议软件设计  109-126
    5.4.1 协议设计  110-116
    5.4.2 PTLP-MAC 实例  116-117
    5.4.3 理论分析及验证  117-121
    5.4.4 GAINZ硬件平台测试实验  121-126
  5.5 本章小结  126-127
第六章总结  127-130
参考文献  130-139
附录  139-145
攻读博士学位期间发表论文及参与项目  145-147
  一、发表论文  145-146
  二、主持参与的项目  146-147
致谢  147-148

离散时间并行调度两级服务与非对称门限服务轮询系统研究

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