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研究生: 鄭森友
Cheng, Sen-Yo
論文名稱: 在極寬頻無線個人網路中多微網路分散式排程設計
Distributed Multi-piconet Traffic Scheduling in 802.15.3 UWB WPANs
指導教授: 李忠憲
Li, Jung-Shain
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電腦與通信工程研究所
Institute of Computer & Communication Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 69
中文關鍵詞: 極寬頻排程多微網路
外文關鍵詞: multi-piconet, UWB, 802.15.3, scheduling
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  • 近年來,隨著802.11相關技術的成熟,藉由無線網路來控制各項設備已成為相當普遍的應用。然而,除了802.11以外,IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)亦針對極寬頻個人無線網路發展其通訊協定IEEE 802.15.3a。802.15.3a實體層的UWB(Ultra Wide Band)技術部份一直有兩方陣營,各自擁護一套標準,一個是DS-CDMA(Direct-Sequence Code-Division Multiple Access),另一方,則是由包括Intel及Texas Instrument等公司所組成的MBOA聯盟提出的MB-OFDM(Multi-Band Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)。由這兩種不同方式所發展出的MAC(Media Access Control)協定差異相當大,本篇論文的研究是以DS-CDMA作為基礎,利用既有的802.15.3的MAC層協定[1],在上層進行演算法的研究及效能的評估。
    我們討論的演算法主要在於如何有效的以802.15.3 MAC為基礎,構成一個multi-piconet的網路,使得網路傳輸範圍得以不受限於單一piconet,而能傳輸至另一個piconet中的裝置,並以一個分散式的轉向排程機制作為BDEV(bridge DEV)的運作策略,盡可能地改善因802.15.3 MAC先天上的限制所容易造成的過長延遲。我們發現,若調整發送端的單位時間輸出流量,則此系統對於沒有延遲要求的資料流,即使在數個piconet所串接的網路中仍可以非常有效地完成資料的傳輸,但是由於802.15.3 MAC先天上的限制,無法避免地會造成較長的延遲,所以在multi-piconet上,很難達到多媒體的QoS需求。另外,由於802.15.3 MAC並不是利用UWB的技術作為實體層的傳輸機制,所以若直接套用相關的MAC參數,將無法充分利用UWB的高速傳輸特性。我們提出了一組較為適合UWB的MAC參數,並經由模擬驗證,發現確實可以有效地提高CAP(contention access period)時段的訊框傳輸率並降低延遲時間。最後,就我們所知,截至目前為止,以802.15.3 MAC為基礎的研究多專注於單一piconet的問題,仍無人針對multi-piconet進行任何相關研究,我們試著探索此領域的可能問題,並實現了一個multi-piconet的模擬平台,方便後續的其他相關研究有一個良好的研究基礎。

    In the recent years, connecting every devices by wireless networks is a popular application as 802.11 related techniques matured. IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) not only defines 802.11, but also 802.15.3a which is a WPAN(wireless personal area network) standard based on UWB (ultra wideband) techniques. There are two groups desiring to define the physical layer of 802.15.3a. One uses DS-CDMA(Direct-Sequence Code-Division Multiple Access); the other, the union of MBOA, claims the MB-OFDM(Multi-Band Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). The protocols of media access control of the two physical layers are very different. This paper is focused on DS-CDMA techniques and related MAC standard, 802.15.3 .
    Our proposed algorithms try to efficiently transmit data among multi-piconet. A distributed strategy is employed to schedule BDEV(bridge device) to reduce delay. The proposed scheduling scheme could effectively reduce the end-to-end delay. However, due to the limitations of 802.15.3, the end-to-end delay may be too large to meet the QoS requirement of multimedia. Additionally, 802.15.3 MAC is not originally proposed for UWB technology. It may not take the advantages of UWB without modifying the relative MAC parameters. We proposed a set of MAC parameters, proven by simulation, which can efficiently raise the channel utilization and lower the transmitting delay during CAP(contention access period). Finally, as we know, there are no researches about 802.15.3 multi-piconet. The related works about 802.15.3 MAC are all focusing on single piconet. We try to explore the possible issues in this area, and realize a simulation platform for future researchers who are interested in multi-piconet UWB networks.

    目錄 1 簡介………………………………………………………………………………1 1.1 論文概要…………………………………………………………………1 1.2 論文動機…………………………………………………………………3 1.3 論文架構…………………………………………………………………4 2 相關研究…………………………………………………………………………5 2.1 802.15.3 MAC 標準簡介………………………………………………..5 2.1.1 基本元件及傳輸方式…………………………………………...5 2.1.2 CAP(contention access period)及其機制……………………….7 2.1.3 DEV的分層管理機制………………………………………….11 2.1.4 dependent piconet及其機制……………………………………12 2.2 802.15.3 MAC相關研究………………………………………………..13 3 Multi-piconet網路傳輸與bridge設計………………………………………....15 3.1 multi-piconet網路……………………………………………………….15 3.1.1 基本元件及架構………………………………………………..15 3.1.2 BDEV的基本限制……………………………………………..17 3.1.3 multi-piconet傳輸機制………………………………………...18 3.2 BDEV的設計…………………………………………………………...20 3.2.1 BDEV的架構…………………………………………………..20 3.2.2 BDEV轉向策略制定…………………………………………..22 4 模擬與分析……………………………………………………………………...26 4.1 依據UWB的特性調整802.15.3MAC相關參數……………………...26 4.2 multi-piconet的BDEV轉向策略分析比較……………………………33 4.2.1 場景一…………………………………………………………..33 4.2.2 場景二…………………………………………………………..37 4.2.3 場景三………………………………………………………….40 4.2.4 QLI limited轉向策略於不同場景下之差異………………….43 4.2.5 QLI limited轉向策略於不同CAP長度下之效能…………….47 5 結論……………………………………………………………………………...49 參考資料……………………………………………………………………………..51 附錄 SIM的安裝與基本使用………………………………………………………53 圖目錄 圖 2.1 piconet的組成元件………………………………………………………6 圖 2.2 superframe的一般格式…………………………………………………6 圖 2.3 CAP時段,欲傳送訊框的DEV的狀態圖………………………………10 圖 2.4 802.15.3分層管理模型…………………………………………………11 圖 2.5 parent piconet與dependent piconet的時序關係…………………13 圖 3.1 multi-piconet的網路元件 ……………………………………………17 圖 3.2 multi-piconet中superframe的一般格式……………………………20 圖 3.3 BDEV的基本架構…………………………………………………………20 圖 3.4 BDEV轉向策略部份的基本流程…………………………………………21 圖 3.5 BDEV的內部狀態封包格式………………………………………………24 圖 4.1 訊框的組成…………………………………………………………………27 圖 4.2 使用表4.1之MAC參數下,不同transmission rate的throughput…28 圖 4.3 使用表4.1之MAC參數下,不同transmission rate的delay………29 圖 4.4 不同payload長度的throughput表現…………………………………30 圖 4.5 不同payload長度的delay表現…………………………………………30 圖 4.6 不同的W數值對throughput的影響………………………………………31 圖 4.7 不同的W值對delay的影響………………………………………………32 圖 4.8 圖 4.8 依據表 4.2之模擬參數,不同payload長度對throughput的影響……………………………………………………………………………………33 圖 4.9 依據表 4.2之模擬參數,不同payload長度對delay的影響 ………34 圖 4.10 場景一,三個piconet串接成鏈狀……………………………………35 圖 4.11 場景一的delivery ratio………………………………………………36 圖 4.12 場景一的delay…………………………………………………………37 圖 4.14 場景二,將piconet串接成十字架狀…………………………………39 圖 4.15 場景二之delivery ratio………………………………………………39 圖 4.16 場景二之delay…………………………………………………………39 圖 4.17 場景二之jitter…………………………………………………………40 圖 4.18 場景三,將piconet串結成cell………………………………………41 圖 4.19 場景三的delivery ratio………………………………………………42 圖 4.20 場景三的delay…………………………………………………………43 圖 4.21 場景三的jitter…………………………………………………………43 圖 4.22 QLI limited在不同場景下的delivery ratio………………………44 圖 4.23 QLI limited在不同場景下的delay……………………………………45 圖 4.24 QLI limited在不同場景下的jitter……………………………………46 圖 4.25 QLI limited在不同CAP長度的delivery ratio……………………47 圖 4.26 QLI limited在不同CAP長度的delay…………………………………48 圖 4.27 QLI limited在不同CAP長度的jitter………………………………48 表目錄 表 1.1 802.15.3a的基本要求………………………………………………………2 表 2.1 CAP機制相關名詞……………………………………………………………8 表 4.1 模擬參數……………………………………………………………………27 表 4.2 適合UWB特性的MAC參數…………………………………………………32

    [1]. IEEE 802.15.3 Working Group, “Part 15.3: Wireless medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications for high rate wireless perosnal area networks (WPAN)." IEEE Draft Standard, Draft P802.15.3/D16, Feb. 2003.
    [2]. YH Tseng, EH Wu, GH Chen, “Maximum traffic scheduling and capacity analysis for IEEE 802.15. 3 high data rate MAC protocol,"Vehicular Technology Conference, 2003. VTC 2003-Fall. 2003
    [3]. Seung Hyong Rhee Kwangsue Chung Yongsuk Kim Wonyong Yoon Ki Soo Chang,“An application-aware MAC scheme for IEEE 802.15.3 high-rate WPAN,"Seoul, South Korea, WCNC. 2004 IEEE
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    校外:2006-08-16公開
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