本文關(guān)鍵詞：雙向中繼系統(tǒng)傳輸策略與性能研究　出處：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：無線雙向中繼通信系統(tǒng)作為一種常見的通信方式,其用戶節(jié)點(diǎn)通過中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)作來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換,中繼節(jié)點(diǎn)可以采用網(wǎng)絡(luò)編碼的方式來提高數(shù)據(jù)的傳輸效率、降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝荒芰肯�。在無線雙向傳輸中,數(shù)據(jù)負(fù)載的傳輸伴隨著大量的附加開銷,如PLCP(物理層匯聚協(xié)議)層中的前導(dǎo)符,以及信道信息的獲取和調(diào)度信息的傳輸,因此在傳輸策略的設(shè)計(jì)和性能分析時(shí),開銷需要被考慮進(jìn)來,但是目前已有的研究均沒有考慮開銷對(duì)系統(tǒng)性能的影響。緩存空間作為一種有限資源,可以在中繼轉(zhuǎn)發(fā)過程中用來存儲(chǔ)已經(jīng)正確接收到的數(shù)據(jù)包,使中繼節(jié)點(diǎn)在更合適的時(shí)隙將之發(fā)送出去,從而提高系統(tǒng)的平均吞吐量。然而目前對(duì)雙向中繼系統(tǒng)的研究大都集中于系統(tǒng)可達(dá)速率的優(yōu)化,提高吞吐量與降低能量消耗之間的折中,以及在特定排隊(duì)時(shí)延限制下系統(tǒng)所能取得的性能,有限緩存空間對(duì)雙向中繼系統(tǒng)性能的影響尚未被充分研究。另外,由于無線鏈路的損耗特性,數(shù)據(jù)包在無線鏈路的傳輸中必然存在著一定的非零失敗概率,而目前已有的相關(guān)研究大都是建立在數(shù)據(jù)可以無誤差傳輸?shù)募僭O(shè)上。為此,本文在已有相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)基于有限緩存、鏈路有損以及開銷不可忽略的雙向中繼系統(tǒng)傳輸策略和性能進(jìn)行分析。本文主要的創(chuàng)新和貢獻(xiàn)可以歸納為:(1)在高斯信道下,提出一種無調(diào)度雙向中繼傳輸策略:針對(duì)調(diào)度需要大量信令開銷,從而造成系統(tǒng)吞吐量嚴(yán)重受損的現(xiàn)象,提出了一種無需調(diào)度的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸策略,該策略考慮了緩存有限、鏈路存在損耗、信令開銷不可忽略等特點(diǎn)。經(jīng)過數(shù)學(xué)分析,給出了系統(tǒng)吞吐量、平均隊(duì)長(zhǎng)、溢出概率以及排隊(duì)時(shí)延等性能的閉式解。通過對(duì)閉式解進(jìn)行分析,文章給出四條定理以及證明,定理指出:在考慮信令開銷、鏈路存在損耗、緩存有限、沒有調(diào)度的情況下,基于網(wǎng)絡(luò)編碼的雙向中繼系統(tǒng)吞吐量是一個(gè)關(guān)于緩存大小的單調(diào)遞增凹函數(shù);當(dāng)緩存空間大于一定值時(shí),雙向中繼系統(tǒng)的緩存溢出概率是一個(gè)關(guān)于緩存大小的單調(diào)遞減凸函數(shù);當(dāng)緩存大于特定值時(shí),雙向中繼系統(tǒng)的平均隊(duì)列長(zhǎng)度是一個(gè)關(guān)于緩存大小的遞增近似線性函數(shù);雙向中繼系統(tǒng)的平均排隊(duì)時(shí)延是一個(gè)關(guān)于緩存大小的遞增線性函數(shù)。無調(diào)度的傳輸策略在考慮信令開銷、鏈路損耗、有限緩存等條件下,在數(shù)據(jù)包不太大時(shí),所取得的系統(tǒng)吞吐量要優(yōu)于已有的最好雙向中繼傳輸策略,在考慮信令開銷的情況下,相比于已有最優(yōu)策略,文章所提策略的吞吐量增益達(dá)到近20%。另外文章所推導(dǎo)出的定理顯示,通過增加緩存空間可以有效地提高系統(tǒng)的吞吐量。在考慮信令開銷的情況下,通過增加緩存空間,可以增加9.5%的系統(tǒng)吞吐量。(2)針對(duì)有調(diào)度的雙向轉(zhuǎn)發(fā)策略,提出一種分組馬爾科夫分析模型:無調(diào)度中繼傳輸中存在著緩存溢出的現(xiàn)象,且在鏈路質(zhì)量較差或嚴(yán)重不對(duì)稱時(shí),通信資源得不到充分利用。當(dāng)緩存存在時(shí),調(diào)度可以有效的避免這類問題,因此,基于調(diào)度的雙向中繼轉(zhuǎn)發(fā)仍然具有研究?jī)r(jià)值。目前尚未有模型可以精準(zhǔn)分析基于調(diào)度的雙向中繼傳輸策略,因此本文提出了一種分組馬爾科夫模型來對(duì)存在調(diào)度的雙向中繼傳輸系統(tǒng)進(jìn)行分析。中繼節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)傳輸后所形成的狀態(tài)各自構(gòu)成一個(gè)馬爾科夫平面,通過投影,該模型可以被轉(zhuǎn)化為一個(gè)普通的二維馬爾科夫模型。該投影形成的馬爾科夫模型避免了中繼節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)所造成的馬爾科夫狀態(tài)混淆問題。此外,基于矩陣降維和施密特變換等理論,文章還提出了一種馬爾科夫鏈簡(jiǎn)化求解算法,該方法可以有效降低求解馬爾科夫鏈的計(jì)算復(fù)雜度,直接求出馬爾科夫鏈穩(wěn)態(tài)概率的閉式解。(3)在衰落信道和固定速率傳輸?shù)那闆r下,本文首次基于排隊(duì)理論給出最佳傳輸?shù)腒KT條件,進(jìn)而求出最優(yōu)化傳輸決策方案。該KKT條件可以將固定速率傳輸下系統(tǒng)所能取得的平均有效傳輸速率進(jìn)行最優(yōu)化。相比于衰落信道下在固定速率下的無調(diào)度傳輸,基于KKT條件的最優(yōu)化傳輸可以取得10%的吞吐量增益。(4)為限制系統(tǒng)排隊(duì)時(shí)延,本文給出一種有限調(diào)度饑餓隊(duì)列傳輸方案:基于KKT條件的最優(yōu)化傳輸需要頻繁的信令傳輸作支撐,且沒考慮系統(tǒng)的延遲問題。在實(shí)現(xiàn)調(diào)度的前提下,饑餓隊(duì)列方案利用載波偵聽機(jī)制來有效減小信令開銷。該方案進(jìn)一步驗(yàn)證了分組馬爾科夫模型的準(zhǔn)確性。仿真證明,該折中方案在不考慮開銷時(shí)所達(dá)到的吞吐量介于最佳的KKT策略和隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸策略之間;在考慮開銷時(shí),該折中方案可以取得最優(yōu)的系統(tǒng)吞吐量,相較于KKT條件傳輸所取得的吞吐量,饑餓隊(duì)列傳輸?shù)耐掏铝吭鲆鏋?4.3%。該方案將調(diào)度對(duì)系統(tǒng)帶來的有利和不利進(jìn)行了折中。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN92

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6 石t，

本文編號(hào)：1327474