本文關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的資源分配問題算法研究

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【摘要】：近年來,無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速,其得到了相當(dāng)長足的進步和提高。在如此強勁的發(fā)展勢頭下,通信技術(shù)的進步大大地影響了人民的生活、工作和學(xué)習(xí)娛樂等各個方面。這同時也對無線通信網(wǎng)絡(luò)的性能諸如速率和服務(wù)質(zhì)量保證(Qos)提出了更高的要求。近年來無線傳感器發(fā)展達到頂峰,然而在很多情況下(災(zāi)害地區(qū)、不可入地區(qū)、無通信基礎(chǔ)設(shè)施),采集區(qū)域并不具備條件來部署匯集結(jié)點,在這種情況下,該如何去采集數(shù)據(jù)以及盡量地采集并傳輸更多的數(shù)據(jù)成為了一個挑戰(zhàn)。 正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)作為一種多載波調(diào)制技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地運用在諸如Wimax、LTE和LTE-Advanced網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。為了給多播用戶提供更加好的服務(wù)質(zhì)量,就需要多播服務(wù)提供者高效地調(diào)度無線資源。為了滿足國際電信聯(lián)盟(ITU)對4G的要求,LTE-Advanced在長期演化網(wǎng)絡(luò)(Long Term Evolution, LTE)基礎(chǔ)上加入了諸如載波融合(Carrier Aggregation, CA)等技術(shù)。為了使這些技術(shù)能正常地工作,就需要相應(yīng)的資源調(diào)度算法去協(xié)調(diào)工作。同時,聯(lián)合使用無人機(Unmanned Aircraft Vehicle, UAV)和衛(wèi)星來對一些特殊地區(qū)(災(zāi)害地區(qū)、不可入地區(qū)、無通信基礎(chǔ)設(shè)施)進行數(shù)據(jù)采集,并將采集到的數(shù)據(jù)提供給終端用戶。為了能有效地采集到更多的數(shù)據(jù),這就需要對其中的資源進行高效地分配和調(diào)度。本文基于上述的觀點,對相關(guān)的無線網(wǎng)絡(luò)中的資源分配問題進行了研究,其主要包括以下幾個方面： 1.提出了一種OFDM多播網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)化邊緣自適應(yīng)資源分配算法。OFDM多播資源分配可以劃分為兩種類型,一種是給定一個固定的發(fā)射功率去最大化系統(tǒng)所有用戶的速率之和,稱之為速率自適應(yīng)資源分配；另一種就是給定所有用戶速率之和的限制來最小化系統(tǒng)的發(fā)射功率,稱之為邊緣自適應(yīng)資源分配。本文針對OFDM多播系統(tǒng)中的邊緣自適應(yīng)資源分配進行建模,這個模型以系統(tǒng)所有用戶的總速率之和為限制條件來最小化系統(tǒng)所需要的總發(fā)射功率,來減低系統(tǒng)的功率消耗。通過詳細分析這個問題模型,提出了一個最優(yōu)化的基于動態(tài)規(guī)劃算法的邊緣自適應(yīng)資源分配算法,并證明了只要動態(tài)規(guī)劃中速率步長取得得當(dāng),該算法就可以取得全局最優(yōu)值。最后實驗結(jié)果表明,該算法和暴力破解算法一樣,都可以取得最優(yōu)值。 2.針對LTE-Advanced網(wǎng)絡(luò)中的載波融合問題,提出了一個更加普通的載波融合相關(guān)資源分配系統(tǒng)模型,并且提出了一個高效的集系統(tǒng)發(fā)射功率、載波、資源塊聯(lián)合的資源分配算法。LTE-Advanced是LTE的一個升級版本,把載波融合技術(shù)寫入了LTE-Advanced的標準之中,使得LTE-Advanced網(wǎng)絡(luò)中可以同時使用多個載波進行信息傳輸。但是在現(xiàn)實生活中,由于每個用戶的硬件設(shè)備的配置的不一樣,就使得每個用戶所能支持的載波的個數(shù)是不一樣的。于是研究問題就出現(xiàn)了,就是如何給用戶分配載波以及載波包含的資源塊,如何分配發(fā)射功率。針對這個研究問題進行了建模,該模型以最大化所有用戶的速率為優(yōu)化目標,來提高所有用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗。證明該問題為NP-hard問題。于是先在假設(shè)給定載波分配的情況下,用凸優(yōu)化的方法提出了一個最優(yōu)化的功率分配和資源塊分配的算法；然后基于這個最優(yōu)化的算法,提出了一個高效的載波分配算法。最后的實驗仿真結(jié)果表明,本文提出的算法優(yōu)于現(xiàn)有的資源分配算法。 3.針對特殊區(qū)域(災(zāi)害地區(qū)、不可入地區(qū)、無通信基礎(chǔ)設(shè)施)的數(shù)據(jù)收集問題,提出了一個基于衛(wèi)星和無人機的實時數(shù)據(jù)收集模型,該模型由采集節(jié)點、無人機和衛(wèi)星三部分組成,采集節(jié)點負責(zé)采集數(shù)據(jù)并傳輸給無人機,然后無人機把數(shù)據(jù)傳送給衛(wèi)星,最后由衛(wèi)星給用戶提供服務(wù)。針對該模型中的實際問題,先后建立了三個模型來逐步解決相關(guān)問題。第一,針對采集節(jié)點和無人機之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捹Y源分配建立模型,該模型以最大化系統(tǒng)收益為目標,以傳輸數(shù)據(jù)的帶寬為限制條件；第二,針對采集節(jié)點和無人機之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捹Y源和節(jié)點的能量資源分配進行建模,該模型以最大化系統(tǒng)收益為目標,以傳輸數(shù)據(jù)的帶寬和采集節(jié)點的能量為限制條件；第三,該模型同樣以最大化系統(tǒng)收益為目標,以傳輸數(shù)據(jù)的帶寬和采集節(jié)點的能量為限制條件,同時考慮無人機和衛(wèi)星之間鏈路流量限制。并針對三個模型分別提出了相應(yīng)的算法。第一,提出了一個最優(yōu)化的貪心算法,實驗結(jié)果表明,提出的算法優(yōu)于常規(guī)的平均分配算法；第二,提出一個兩步算法,先根據(jù)模型一中的算法得出帶寬分配,之后基于帶寬分配得出采集節(jié)點的能量分配,實驗結(jié)果表明,提出的算法能獲得更好的結(jié)果；第三,提出一個兩步算法,首先根據(jù)模型二的算法得出帶寬分配和節(jié)點的能量分配,然后根據(jù)無人機和衛(wèi)星之間鏈路的流量限制情況重新調(diào)整帶寬和節(jié)點能量的分配情況,實驗結(jié)果表明,該算法可以高效利用帶寬和節(jié)點能量以獲得良好的效益。 4.針對LTE環(huán)境下的基于無人機數(shù)據(jù)采集問題,先后建立了以下兩個問題模型并提出相關(guān)算法。第一,針對節(jié)點與無人機間數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y源塊數(shù)分配、節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送方式選擇進行建模,并提出一個動態(tài)規(guī)劃算法；第二,針對節(jié)點與無人機間數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y源塊數(shù)、節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送方式選擇以及節(jié)點能量分配進行建模,并提出了一個兩步算法,第一步先根據(jù)模型一算法來獲得節(jié)點資源塊數(shù)分配方案,第二步再根據(jù)第一步得出的資源塊數(shù)分配方案來對節(jié)點的能量進行分配。最后,實驗結(jié)果表明,提出的算法均能取得很好的效果。
【關(guān)鍵詞】：無線網(wǎng)絡(luò) OFDM多播 3GPP LTE-Advanced載波融合 基于無人機的數(shù)據(jù)收集 資源分配優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN92
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-11
• 目錄11-14
• 第一章 緒論14-28
• 1.1 研究背景和意義14-17
• 1.2 研究現(xiàn)狀17-20
• 1.2.1 OFDM系統(tǒng)中資源分配17-18
• 1.2.2 LTE-Advanced載波融合資源分配18-19
• 1.2.3 基于無人機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)資源分配19-20
• 1.3 研究內(nèi)容和創(chuàng)新點20-25
• 1.3.1 研究內(nèi)容20-25
• 1.3.2 創(chuàng)新點25
• 1.4 本文的組織結(jié)構(gòu)25-28
• 第二章 無線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)概述28-36
• 2.1 引言28
• 2.2 無線網(wǎng)絡(luò)簡介28-31
• 2.2.1 無線網(wǎng)絡(luò)興起和發(fā)展28-29
• 2.2.2 無線網(wǎng)絡(luò)分類介紹29-31
• 2.3 無線通信系統(tǒng)概述31-33
• 2.3.1 無線通信系統(tǒng)發(fā)展史31-33
• 2.3.2 無線通信系統(tǒng)原理介紹33
• 2.4 無線通信相關(guān)技術(shù)和概念介紹33-35
• 2.5 無線網(wǎng)絡(luò)中資源分配的重要性和必要性35-36
• 第三章 OFDM系統(tǒng)中多播資源分配算法研究36-46
• 3.1 引言36-37
• 3.2 系統(tǒng)優(yōu)化模型37-39
• 3.2.1 基本問題模型37-39
• 3.2.2 有的相關(guān)的優(yōu)化模型以及算法39
• 3.3 優(yōu)化模型算法39-42
• 3.3.1 暴力破解算法39-40
• 3.3.2 動態(tài)規(guī)劃算法40-42
• 3.4 仿真實驗42-44
• 3.4.1 算法執(zhí)行時間對比44
• 3.4.2 系統(tǒng)所需總功率對比44
• 3.5 本章小結(jié)44-46
• 第四章 LTE-Advanced中載波融合資源分配問題算法研究46-70
• 4.1 引言46-47
• 4.2 聯(lián)合載波、資源塊資源分配算法研究47-55
• 4.2.1 基本的問題模型描述47-50
• 4.2.2 優(yōu)化模型算法50-53
• 4.2.3 仿真實驗53-55
• 4.3 聯(lián)合載波、資源塊以及發(fā)射功率分配算法研究55-69
• 4.3.1 基本的問題模型描述56-57
• 4.3.2 提出的優(yōu)化模型算法57-62
• 4.3.3 算法分析62-63
• 4.3.4 仿真實驗63-69
• 4.4 本章小結(jié)69-70
• 第五章 基于無人機數(shù)據(jù)采集資源分配問題算法研究70-92
• 5.1 引言70-72
• 5.2 系統(tǒng)資源分配模型72-74
• 5.3 單個時間段內(nèi)的資源分配問題研究74-79
• 5.3.1 提出的算法74-75
• 5.3.2 算法分析75-76
• 5.3.3 仿真實驗76-79
• 5.4 聯(lián)合所有時間段內(nèi)的資源分配問題研究79-86
• 5.4.1 提出的算法80-82
• 5.4.2 算法分析82-83
• 5.4.3 仿真實驗83-86
• 5.5 考慮無人機至衛(wèi)星之間鏈路流量限制情況下資源分配問題研究86-90
• 5.5.1 提出的算法86-88
• 5.5.2 算法分析88-89
• 5.5.3 仿真實驗89-90
• 5.6 本章小結(jié)90-92
• 第六章 LTE網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的無人機數(shù)據(jù)采集問題算法研究92-104
• 6.1 引言92-93
• 6.2 系統(tǒng)資源分配模型93-95
• 6.3 單個時間段內(nèi)的資源分配問題95-98
• 6.3.1 提出的算法95-96
• 6.3.2 算法分析96
• 6.3.3 仿真實驗96-98
• 6.4 聯(lián)合所有時間段內(nèi)的資源分配算法98-102
• 6.4.1 提出的算法99-100
• 6.4.2 算法分析100-101
• 6.4.3 仿真實驗101-102
• 6.5 本章小結(jié)102-104
• 第七章 總結(jié)與工作展望104-108
• 7.1 工作總結(jié)104-106
• 7.2 未來工作展望106-108
• 參考文獻108-114
• 致謝114-116
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果116-117

【參考文獻】

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1 李o，

本文編號：514929