無線多跳網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計與優(yōu)化的相關(guān)理論和算法研究.pdf

1、無線多跳網(wǎng)絡(luò)具有自組織、低成本和容易部署等優(yōu)點，可以用于擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和提高網(wǎng)絡(luò)容量。無線媒質(zhì)的廣播特性以及動態(tài)的無線鏈路和拓?fù)鋵o線多跳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議設(shè)計提出了巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的分層設(shè)計方法并不完全適用于無線多跳網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，而跨層設(shè)計允許不同協(xié)議層之間的信息交互以適應(yīng)動態(tài)變化的無線環(huán)境，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)整體性能的最優(yōu)化。
　　 本文采用最優(yōu)化的理論框架和方法，針對不同的無線多跳網(wǎng)絡(luò)場景和應(yīng)用要求，研究無線多跳網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計和優(yōu)化中的存在的

2、許多亟待解決的問題，如算法復(fù)雜性、不同層性能要求之間的權(quán)衡、信道時變性、分布式應(yīng)用以及新技術(shù)的集成等問題，并提出解決方案。
　　 協(xié)同分集可以通過讓各個無線節(jié)點共享傳輸資源和相互中繼信息從而獲得空間分集增益。論文研究部署具有協(xié)同轉(zhuǎn)發(fā)功能的中繼和采用OFDMA技術(shù)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中下行傳輸?shù)墓β屎妥虞d波分配問題。該問題可以表達(dá)為一個混合的整數(shù)非線性最優(yōu)化問題。為了降低算法復(fù)雜度和發(fā)揮協(xié)同分集以及多用戶分集的優(yōu)勢，論文把該問題分解為兩個子

3、問題：一個聯(lián)合子載波分配和中繼選擇子問題和一個功率分配子問題。通過這兩個子問題最優(yōu)性條件，分別推導(dǎo)出相應(yīng)的聯(lián)合子載波分配和中繼選擇算法以及基站和中繼站的循環(huán)功率分配算法。仿真表明，兩個算法不僅具有較低的算法復(fù)雜度，而且可以充分發(fā)揮協(xié)同分集和多用戶分集的優(yōu)勢，與隨機(jī)的子載波分配和平均功率分配算法相比能獲得較高的性能增益。
　　 在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中上行傳輸消耗移動臺（MS）的大部分傳輸能量。部署中繼可以縮短MS的上行傳輸距離從而降低功率消

4、耗。上行傳輸?shù)墓β视行耘c上層數(shù)據(jù)流的服務(wù)質(zhì)量要求也有密切關(guān)系。論文提出了基于中繼的OFDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行傳輸中針對功率有效性的跨層優(yōu)化和資源分配框架和算法。當(dāng)存在非彈性數(shù)據(jù)流時，該框架在保證服務(wù)質(zhì)量要求前提下最小化MS總的上行傳輸功率。當(dāng)存在彈性數(shù)據(jù)流時，該框架在上行傳輸速率和總功率消耗之間進(jìn)行權(quán)衡最優(yōu)化。由于多載波系統(tǒng)的“時間共享”特性，上述兩個問題都可以通過其對偶問題獲得最優(yōu)解。通過對偶分解所獲得的子問題數(shù)目與子載波個數(shù)成正比，比

5、直接求解原問題的復(fù)雜度低得多。次梯度算法可以保證收斂到相應(yīng)問題的最優(yōu)解。論文給出了每個算法的詳細(xì)執(zhí)行過程。仿真表明，所提出的跨層優(yōu)化框架和算法能充分體現(xiàn)出和獲得在OFDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)中部署多個固定中繼站在降低MS功率消耗、節(jié)省MS能量和提高上層數(shù)據(jù)流傳輸速率等方面所帶來的好處。
　　 基于無線基礎(chǔ)設(shè)施的多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)具有自組織和低成本組網(wǎng)的優(yōu)點。本論文提出了具有時變OFDMA信道和允許多接收機(jī)制的基于無線多跳基礎(chǔ)設(shè)施的蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型及

6、其分布式的聯(lián)合擁塞控制、路由和資源分配的跨層算法。論文首先把該網(wǎng)絡(luò)的端到端傳輸?shù)目鐚釉O(shè)計問題表達(dá)成一個非線性凸規(guī)劃問題。為了得到分布式算法，采用對偶分解的方法對該問題進(jìn)行求解。由于時變的OFDMA信道，對偶問題可以轉(zhuǎn)化為一個隨機(jī)優(yōu)化問題。根據(jù)隨機(jī)優(yōu)化的準(zhǔn)梯度方法，推導(dǎo)出分布式聯(lián)合跨層優(yōu)化算法。該算法根據(jù)每個時隙的信道狀態(tài)進(jìn)行擁塞控制、路由以及信道分配，而不需要時變信道的統(tǒng)計特性。另外，最優(yōu)子載波分配要求進(jìn)行復(fù)雜度較高的集中式計算。為了得

7、到完全分布式算法，提出了一種次優(yōu)的分布式子載波分配算法。仿真表明在時變OFDMA信道環(huán)境下，所提出的跨層控制算法能保證端到端數(shù)據(jù)流速率的收斂并能保持網(wǎng)絡(luò)隊列的穩(wěn)定性。另外，算法也能充分發(fā)揮多接收機(jī)制的分集優(yōu)勢，與單接收機(jī)制相比能明顯提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。
　　 本文研究了采用網(wǎng)絡(luò)編碼的無線多跳網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)跨層設(shè)計問題。網(wǎng)絡(luò)編碼可以利用無線媒質(zhì)的廣播特性提高無線資源的利用率和無線多跳網(wǎng)絡(luò)性能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)采用為每個匯聚流維護(hù)一個報文隊列的隊列

8、模型時，最優(yōu)無線網(wǎng)絡(luò)編碼操作的復(fù)雜度較高。論文通過引入虛擬流變量來表達(dá)采用網(wǎng)絡(luò)編碼的無線多跳網(wǎng)絡(luò)的能力域，并通過對偶分解的方法對基于該能力域的最優(yōu)跨層問題求解。根據(jù)對偶變量與網(wǎng)絡(luò)隊列的關(guān)系，設(shè)計了一種可以降低編碼復(fù)雜度的節(jié)點隊列模型?；谠撽犃心Ｐ秃痛翁荻确椒?，提出了基于背壓的聯(lián)合擁塞控制、路由、鏈路調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)編碼的跨層優(yōu)化算法。通過理論分析證明了算法的穩(wěn)定性和漸進(jìn)最優(yōu)性。數(shù)值仿真驗證了算法的穩(wěn)定性和收斂性，同時也表明所提出的跨層優(yōu)化算