本文關(guān)鍵詞：協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)中保障QoS的資源分配機(jī)制研究

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【摘要】：無線網(wǎng)絡(luò)正在重塑著我們的生活,但是單個(gè)無線設(shè)備有限的資源,尤其是通信資源,嚴(yán)重影響著無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的提升。因此,通過協(xié)作來提升單個(gè)設(shè)備甚至整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)性能上限的協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛關(guān)注。協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)中有兩個(gè)熱門的協(xié)作技術(shù),即協(xié)作通信技術(shù)和認(rèn)知無線電技術(shù)。協(xié)作通信技術(shù)是一種能量協(xié)作策略,在該通信技術(shù)下中繼節(jié)點(diǎn)消耗能量協(xié)助源節(jié)點(diǎn)傳輸消息,這樣源節(jié)點(diǎn)便可以獲得空間分集增益提升通信質(zhì)量。而認(rèn)知無線電技術(shù)是一種頻譜協(xié)作策略。在認(rèn)知無線電中,擁有頻譜的主用戶在不工作時(shí)允許急需頻譜的次用戶動(dòng)態(tài)接入其頻譜從而提升頻譜的利用率。協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模式進(jìn)行了顛覆,也為網(wǎng)絡(luò)中的資源分配帶來了新的挑戰(zhàn)。盡管目前存在不少提升單條通信鏈路性能的資源分配機(jī)制,但對(duì)保障無線網(wǎng)絡(luò)整體服務(wù)質(zhì)量的研究還比較缺乏。因此,本論文重點(diǎn)研究了能量協(xié)作策略和頻譜協(xié)作策略下的資源分配機(jī)制設(shè)計(jì),以保證無線網(wǎng)絡(luò)整體的服務(wù)性能,如網(wǎng)絡(luò)干擾、網(wǎng)絡(luò)容量和社會(huì)福利等。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和貢獻(xiàn)如下:1.嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)干擾會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳和通信沖突,所以干擾是無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的一個(gè)重要性能指標(biāo)。源節(jié)點(diǎn)在協(xié)作通信模式下能夠利用中繼節(jié)點(diǎn)的空間分集增益提升自身的通信質(zhì)量,但是中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的干擾卻也不容忽略。因此,我們考慮了降低干擾的協(xié)作拓?fù)淇刂茊栴},嘗試構(gòu)建具有較低干擾的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。我們先給出了一個(gè)干擾模型,該模型適用于傳統(tǒng)通信模式和協(xié)作通信模式。然后,基于該干擾模型,本文提出了如何構(gòu)建最小最大干擾的強(qiáng)連通拓?fù)浜腿绾螛?gòu)建最小平均干擾的強(qiáng)連通拓?fù)溥@兩個(gè)問題。針對(duì)第一個(gè)問題,我們?cè)O(shè)計(jì)了基于二分查找的最優(yōu)算法DBS;針對(duì)第二個(gè)問題,由于其NP-困難性,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)分布式的近似算法DBCT并理論上證明了算法的近似比為4。最后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了本章算法既可以有效降低網(wǎng)絡(luò)干擾又能減少約30%左右的網(wǎng)絡(luò)功耗。2.在認(rèn)知無線電中,通常通過頻譜拍賣的方式來為主用戶采用頻譜協(xié)作策略提供經(jīng)濟(jì)激勵(lì)。為了提供足夠的靈活性,拍賣通常是定期的一輪接一輪的舉行。另外,為保證頻譜資源能夠分配給最需要的次用戶,一般需要考慮拍賣的社會(huì)福利這一重要性質(zhì)。然而,以往的研究?jī)H僅關(guān)注單輪拍賣設(shè)計(jì)中社會(huì)福利的優(yōu)化,卻忽略了如何保障長(zhǎng)期多輪拍賣的性能。針對(duì)這一狀況,本論文首次考慮了在次用戶具有預(yù)算約束的條件下,保證長(zhǎng)期社會(huì)福利的定期頻譜拍賣機(jī)制設(shè)計(jì)問題。結(jié)合原始-對(duì)偶方法,我們提出了一個(gè)定期頻譜拍賣框架PSA和一個(gè)單輪頻譜拍賣方案ORSA。經(jīng)理論分析,ORSA滿足多種重要經(jīng)濟(jì)性質(zhì),如真實(shí)性、個(gè)體理性和計(jì)算效率等。利用對(duì)偶擬合技術(shù)我們?cè)诶碚撋献C明了在PSA框架下定期執(zhí)行ORSA拍賣既可以保證單輪拍賣中的社會(huì)福利近似最大化又可以保證長(zhǎng)期多輪拍賣后社會(huì)福利的近似比只有微小的損失。大量的仿真結(jié)果顯示,從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來看,PSA在各項(xiàng)指標(biāo)上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以前的相關(guān)研究。3.為保證頻譜資源可以在次級(jí)網(wǎng)絡(luò)中得到高效的利用,本文以單跳認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)收集應(yīng)用為背景,深入研究了網(wǎng)絡(luò)中的信道及匯節(jié)點(diǎn)聯(lián)合分配問題。特別地,我們仔細(xì)考慮了信道切換的延遲對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。針對(duì)最大化最小的次級(jí)傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸容量這一目標(biāo),先利用精細(xì)的數(shù)學(xué)技巧將問題形式化為混合整型線性規(guī)劃問題,然后結(jié)合線性松弛技術(shù)和貪心策略本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)啟發(fā)式算法。最后,大量的仿真實(shí)驗(yàn)證明本文算法能夠獲得近似最優(yōu)的容量性能。4.協(xié)作認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)CCRN是將協(xié)作通信技術(shù)與認(rèn)知無線電技術(shù)完美融合的網(wǎng)絡(luò)模式。為了給主用戶和中繼節(jié)點(diǎn)提供經(jīng)濟(jì)激勵(lì)促使其參與到網(wǎng)絡(luò)協(xié)作中來,本論文研究了具有多個(gè)PU和多個(gè)次用戶集團(tuán)的靜態(tài)CCRN場(chǎng)景中的拍賣機(jī)制設(shè)計(jì)問題。這里次用戶集團(tuán)是指愿意共享同一次級(jí)中繼節(jié)點(diǎn)的次用戶集合。我們將該問題模型化為一個(gè)分層拍賣并提出真實(shí)拍賣機(jī)制TERA和公平拍賣機(jī)制UERA兩種拍賣方案。特別地,TERA是一個(gè)真實(shí)的拍賣方案而UERA是一個(gè)近似真實(shí)且能夠保證公平性的拍賣方案。這兩個(gè)方案都能保證許多關(guān)鍵的經(jīng)濟(jì)性質(zhì),如個(gè)體理性、預(yù)算均衡、供給限制和計(jì)算效率等。我們還從理論上證明了這兩個(gè)拍賣方案都可以實(shí)現(xiàn)近似最優(yōu)的拍賣收入。而最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了 TERA和UERA可以使得次用戶獲得很好的容量收益,而且能夠分別顯著提高PU和中繼節(jié)點(diǎn)的效用函數(shù)約125%和150%,從而可以有效的激勵(lì)其采取協(xié)作策略提升次級(jí)網(wǎng)絡(luò)性能。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN92

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