本文關(guān)鍵詞：隨機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)有效容量與調(diào)度算法研究　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨機(jī)接入的精髓是分布式控制,支持網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的可伸縮性,即靈活應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中終端數(shù)目的變化及業(yè)務(wù)量的變化。因此,隨機(jī)接入受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而,現(xiàn)有的隨機(jī)接入算法只能提供基于優(yōu)先級(jí)的服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)保障,均無(wú)法保障時(shí)延QoS。近年來(lái),依賴于有效容量理論的統(tǒng)計(jì)時(shí)延QoS保障成為研究熱點(diǎn)。有效容量理論將排隊(duì)論和信息論有機(jī)結(jié)合,提供了一個(gè)鏈路層的無(wú)線信道模型�；谟行萘坷碚�,一些學(xué)者研究了集中式調(diào)度系統(tǒng)中面向QoS的資源分配問(wèn)題,然而,由于隨機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)中各終端服務(wù)的相關(guān)性,以及隨機(jī)行為與時(shí)延QoS保障之間的沖突,關(guān)于分布式隨機(jī)接入的統(tǒng)計(jì)時(shí)延QoS保障的研究尚屬空白�；谟行萘坷碚�,本文致力于研究具有統(tǒng)計(jì)時(shí)延QoS保障的隨機(jī)接入算法。本文關(guān)注無(wú)線隨機(jī)接入網(wǎng)絡(luò),包括射頻(radio frequency,RF)隨機(jī)接入和光無(wú)線隨機(jī)接入。在本文中,隨機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度算法即為隨機(jī)接入算法。針對(duì)載波偵聽有效性好的RF無(wú)線通信系統(tǒng),采用隨機(jī)退避監(jiān)聽實(shí)現(xiàn)分布式協(xié)作接入,研究具有統(tǒng)計(jì)時(shí)延QoS保障的δ-吞吐量最優(yōu)的CSMA(carrier sense multiple access)類隨機(jī)接入算法。針對(duì)載波偵聽有效性受限的光無(wú)線通信(optical wireless communications,OWC)系統(tǒng),采用多包接收(multi-packet reception,MPR)技術(shù)緩解碰撞問(wèn)題,研究復(fù)雜光信道下MPR的實(shí)現(xiàn)算法及MPR能力優(yōu)化算法。在MPR使能的OWC系統(tǒng)中,研究具有統(tǒng)計(jì)時(shí)延QoS保障的ALOHA類隨機(jī)接入算法。本文主要的創(chuàng)新工作如下。(1)針對(duì)載波偵聽有效性強(qiáng)的RF無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),提出δ-吞吐量最優(yōu)的CSMA類隨機(jī)接入算法,不僅分布式實(shí)現(xiàn)各鏈路異質(zhì)統(tǒng)計(jì)時(shí)延QoS保障,而且保持吞吐量最優(yōu)的特性。吞吐量最優(yōu)是指在保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上達(dá)到吞吐量最大。對(duì)于現(xiàn)實(shí)RF無(wú)線網(wǎng)絡(luò),吞吐量最優(yōu)更有意義。本文將CSMA隨機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)服務(wù)抽象為CSMA馬爾科夫鏈,研究從CSMA馬爾科夫鏈中解析各鏈路服務(wù)模型的方法,推導(dǎo)各鏈路的有效容量;提出時(shí)延QoS更新算法,將各鏈路異質(zhì)統(tǒng)計(jì)時(shí)延QoS要求映射為對(duì)各鏈路分段有效容量的約束;構(gòu)建受限于各鏈路有效容量約束的對(duì)數(shù)似然最大的優(yōu)化問(wèn)題。在滿足分段有效容量約束的前提下,當(dāng)各鏈路的平均服務(wù)速率趨近于相應(yīng)的平均到達(dá)速率時(shí),到達(dá)矢量與服務(wù)矢量的對(duì)數(shù)似然比最大,從而達(dá)到吞吐量最優(yōu)。探索該優(yōu)化問(wèn)題Lagrange乘子遞歸方程與隊(duì)長(zhǎng)演化方程之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化問(wèn)題本地化求解,得到傳輸緊迫度(transmission aggressiveness,TA)與隊(duì)長(zhǎng)、短期時(shí)延QoS要求等本地信息之間的關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)全分布式地具有時(shí)延QoS保障的隨機(jī)接入。此外,本文利用隊(duì)列穩(wěn)定性理論證明δ-吞吐量最優(yōu)CSMA類隨機(jī)接入算法的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明本文提出的算法的有效性。(2)研究星型拓?fù)銸WC系統(tǒng)中MPR的具體實(shí)現(xiàn)算法以提高系統(tǒng)的吞吐量增益。考慮到室外OWC系統(tǒng)中信道的強(qiáng)隨機(jī)性,在物理(physical,PHY)層采用RO-MMSE-SIC(reliability ordering with minimum mean square error successive interference cancellation)信號(hào)檢測(cè)算法使協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)MPR能力;考慮SIC類信號(hào)檢測(cè)算法的誤碼傳遞特性,推導(dǎo)RO-MMSE-SIC信號(hào)檢測(cè)算法的BER(bit error rate)表達(dá)式,并且采用Monte Carlo仿真驗(yàn)證BER表達(dá)式的準(zhǔn)確性;基于得到的BER表達(dá)式,提出MPR能力自適應(yīng)優(yōu)化算法,協(xié)調(diào)器將根據(jù)信道隨機(jī)性強(qiáng)度的變化調(diào)整MPR能力,以滿足業(yè)務(wù)BER要求。仿真結(jié)果表明,協(xié)調(diào)器選擇的MPR能力隨著信道隨機(jī)性強(qiáng)度的增大而減小。(3)研究星型拓?fù)涫覂?nèi)OWC系統(tǒng)中具有統(tǒng)計(jì)時(shí)延QoS保障的ALOHA類隨機(jī)接入算法。由于OWC中光的方向性,載波偵聽的有效性受到限制,因此本文采用MPR技術(shù)緩解隨機(jī)接入的碰撞問(wèn)題。(1)針對(duì)同質(zhì)統(tǒng)計(jì)時(shí)延QoS要求,考慮到系統(tǒng)的雙重隨機(jī)性,包括室內(nèi)OWC信道遮擋隨機(jī)性與ALOHA接入機(jī)制隨機(jī)性,基于有效容量理論,推導(dǎo)MPR使能的OWC系統(tǒng)的聚合有效容量;將受限于同質(zhì)統(tǒng)計(jì)時(shí)延QoS約束的ALOHA類隨機(jī)接入問(wèn)題構(gòu)建為系統(tǒng)聚合有效容量最大的優(yōu)化問(wèn)題,并且采用野草優(yōu)化(invasive weed optimization,IWO)算法求解此優(yōu)化問(wèn)題。(2)針對(duì)異質(zhì)統(tǒng)計(jì)時(shí)延QoS要求,在PHY層采用SIC類信號(hào)檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)MPR。MAC層ALOHA類隨機(jī)接入影響同時(shí)傳輸?shù)慕K端集合出現(xiàn)的概率,進(jìn)而影響PHY層SIC類信號(hào)檢測(cè)算法的SINR(signal to interference plus noise ratio)性能;SIC類信號(hào)檢測(cè)算法影響各終端的可達(dá)傳輸速率,進(jìn)而影響終端的統(tǒng)計(jì)時(shí)延特性與系統(tǒng)的吞吐量。本文提出可行傳輸狀態(tài)的概念,研究可行傳輸狀態(tài)的概率分布,將PHY層SIC技術(shù)與MAC層接入的相互影響抽象為對(duì)終端瞬時(shí)服務(wù)速率的概率分布的影響,推導(dǎo)終端的有效容量表達(dá)式;將提供異質(zhì)統(tǒng)計(jì)時(shí)延QoS保障的ALOHA類隨機(jī)接入問(wèn)題構(gòu)建為受限于各終端有效容量約束的飽和吞吐量最大的優(yōu)化問(wèn)題,采用基于Pareto優(yōu)化的IWO算法求解此優(yōu)化問(wèn)題,得到各終端的接入概率。仿真結(jié)果表明,MPR技術(shù)緩解了隨機(jī)接入的碰撞問(wèn)題,并且本文提出的算法充分利用了系統(tǒng)的MPR能力。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN915.6

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本文編號(hào)：1318932