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物联网是一个复杂的异构网络,其目标是实现人与人、人与物、物与物之间的任何时间任何地点的沟通。无线网络接入是构建物联网的关键技术之一。根据功能的不同,物联网的无线网络接入可分为两部分:无线感知网络和无线接入网络。本文主要以无线网络接入为出发点,研究物联网中无线感知网络和无线接入网络的若干问题,重点研究无线感知网络的随机接入和网络共存,以及无线接入网络的接入控制和资源分配。
首先,无线传感器网络是物联网中无线感知网络的重要组成部分。本文对IEEE802.15.4协议的MAC层性能进行分析和研究,重点研究协议的CSMA/CA随机接入机制。本文使用离散时间马尔可夫链建模IEEE802.15.4协议中的节点和信道的行为,分析系统的性能。理论分析和仿真结果证明,给出的马尔科夫链模型简单、精确,便于分析IEEE802.15.4协议的性能。进而,本文使用此模型分析表明,在IEEE802.15.4协议定义的时隙CSMA/CA算法中,选取合适的系统时隙和随机退避机制的将显著提高系统的性能。在此基础上,本文提出了一种增强的冲突避免的传感器网络MAC层协议,提升原有协议的性能;改进协议简单、高效,且与IEEE802.15.4协议兼容。
其次,物联网中存在多个无线感知网络(例如,传感器网络和RFID网络)时,网络之间相互干扰,相互竞争。本文在分析IEEE802.15.4协议和RFID协议的基础上,研究这两种网络的共存问题,提出一种能够解决RFID和其他网络冲突和碰撞问题的新型RFID阅读器。这种新型的阅读器在发起读取过程前进行信道检测,争用信道;在读取过程中发送盲音信号占用信道,且具有间歇性读取能力。进而,本文给出一种解决传感器网络和RFID网络干扰问题的阅读器协议栈和实现方式;使用OPNET仿真工具对系统进行仿真分析,验证理论分析的正确性和解决方案的可行性。
再次,无线通信中可用频谱资源日益紧张,其分配和使用已经严重限制了物联网中无线接入网络的发展。认知无线电技术能够实现频谱共享,可以有效解决这一问题。本文研究认知无线电网络中的接入控制和资源分配问题,研究如何在保证用户QOS的前提下尽可能多的接入用户,以频谱共享的方式更加充分的利用有限的频谱资源。本文将认知无线电的接入控制问题模型化为无限时间范围的马尔可夫决定过程,通过把研究的问题映射为随机的最短路径问题,给出了最优控制策略的特性;在认知无线电的接入控制和信道分配的研究中,进一步提出了基于门限的接入控制和最大时延优先的信道分配的控制策略,证明了其中信道分配策略的最优性;提出基于Rollout算法的改进的局部最优控制策略,根据可用信道资源进行相应的接入控制;给出接入控制和信道分配策略的最佳性能的上限,证明给出的启发式接入控制策略能够在低复杂度的情况下得到接近最优控制策略的性能。
最后,物联网中部分高速的、较远距离的数据传输依靠3G、LTE等无线接入网络进行,它能够满足人们对移动数据、移动计算以及移动多媒体业务的需求。本文在现有研究的基础上,结合CDMA和OFDMA两种多址接入方式的优点,提出了一种新的多址接入方式--混合多址接入;基于这种多址接入方式,研究蜂窝系统的小区规划和资源分配--移动通信系统蜂窝小区的复用分割技术。理论和数值分析表明新的复用分割系统显著增加了系统容量。