協(xié)作無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中保障QoS的資源分配機(jī)制研究.pdf

1、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)正在重塑著我們的生活，但是單個(gè)無(wú)線設(shè)備有限的資源，尤其是通信資源，嚴(yán)重影響著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的提升。因此，通過(guò)協(xié)作來(lái)提升單個(gè)設(shè)備甚至整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能上限的協(xié)作無(wú)線網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛關(guān)注。協(xié)作無(wú)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(wú)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(wú)線電技術(shù)是一種頻譜協(xié)作策略。在認(rèn)知無(wú)線電中，擁

2、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(wú)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(lái)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(wú)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(wú)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

3、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(wú)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?wèn)題，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@

4、兩個(gè)問(wèn)題。針對(duì)第一個(gè)問(wèn)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(wèn)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(wú)線電中，通常通過(guò)頻譜拍賣的方式來(lái)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

5、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(wèn)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

6、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(lái)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(wú)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(wèn)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

7、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(wèn)題形式化為混合整型線性規(guī)劃問(wèn)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(wú)線電網(wǎng)絡(luò)CCRN是將協(xié)作通信技術(shù)與認(rèn)知無(wú)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(lái)，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(wèn)題。這里次用

8、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(wèn)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