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

1、無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)具有自組織、低成本和容易部署等優(yōu)點(diǎn)，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(wú)線媒質(zhì)的廣播特性以及動(dòng)態(tài)的無(wú)線鏈路和拓?fù)鋵?duì)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議設(shè)計(jì)提出了巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)方法并不完全適用于無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，而跨層設(shè)計(jì)允許不同協(xié)議層之間的信息交互以適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的無(wú)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(duì)不同的無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景和應(yīng)用要求，研究無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)和優(yōu)化中的存在的

2、許多亟待解決的問(wèn)題，如算法復(fù)雜性、不同層性能要求之間的權(quán)衡、信道時(shí)變性、分布式應(yīng)用以及新技術(shù)的集成等問(wèn)題，并提出解決方案。
　　 協(xié)同分集可以通過(guò)讓各個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)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(wèn)題。該問(wèn)題可以表達(dá)為一個(gè)混合的整數(shù)非線性最優(yōu)化問(wèn)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(shì)，論文把該問(wèn)題分解為兩個(gè)子

3、問(wèn)題：一個(gè)聯(lián)合子載波分配和中繼選擇子問(wèn)題和一個(gè)功率分配子問(wèn)題。通過(guò)這兩個(gè)子問(wèn)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(gè)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(shì)，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(dòng)臺(tái)（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(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)間共享”特性，上述兩個(gè)問(wèn)題都可以通過(guò)其對(duì)偶問(wèn)題獲得最優(yōu)解。通過(guò)對(duì)偶分解所獲得的子問(wèn)題數(shù)目與子載波個(gè)數(shù)成正比，比

5、直接求解原問(wèn)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(wèn)題的最優(yōu)解。論文給出了每個(gè)算法的詳細(xì)執(zhí)行過(guò)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(gè)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(lái)的好處。
　　 基于無(wú)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(diǎn)。本論文提出了具有時(shí)變OFDMA信道和允許多接收機(jī)制的基于無(wú)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(jì)問(wèn)題表達(dá)成一個(gè)非線性凸規(guī)劃問(wèn)題。為了得到分布式算法，采用對(duì)偶分解的方法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行求解。由于時(shí)變的OFDMA信道，對(duì)偶問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)隨機(jī)優(yōu)化問(wèn)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(gè)時(shí)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(shí)變信道的統(tǒng)計(jì)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(jì)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(shí)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(duì)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(shì)，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(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)跨層設(shè)計(jì)問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)編碼可以利用無(wú)線媒質(zhì)的廣播特性提高無(wú)線資源的利用率和無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)性能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)采用為每個(gè)匯聚流維護(hù)一個(gè)報(bào)文隊(duì)列的隊(duì)列

8、模型時(shí)，最優(yōu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)編碼操作的復(fù)雜度較高。論文通過(guò)引入虛擬流變量來(lái)表達(dá)采用網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的能力域，并通過(guò)對(duì)偶分解的方法對(duì)基于該能力域的最優(yōu)跨層問(wèn)題求解。根據(jù)對(duì)偶變量與網(wǎng)絡(luò)隊(duì)列的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種可以降低編碼復(fù)雜度的節(jié)點(diǎn)隊(duì)列模型。基于該隊(duì)列模型和次梯度方法，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(guò)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(yàn)證了算法的穩(wěn)定性和收斂性，同時(shí)也表明所提出的跨層優(yōu)化算