本文關鍵詞：隨機接入網(wǎng)絡有效容量與調(diào)度算法研究　出處：《吉林大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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

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