大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇方案研究.pdf

1、協(xié)作中繼技術(shù)由于能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能，近年來吸引了各大高校與研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注。作為一種虛擬多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)，協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中的用戶可以利用中繼節(jié)點的天線獲得多條獨立衰落的傳輸路徑，從而達到抗衰落與干擾的目的。因此該技術(shù)能夠很好地應用于難以架設(shè)多個發(fā)射接收天線的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之中。協(xié)作中繼技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了最初的單中繼傳輸，多中繼傳輸，以至于目前的中繼選擇傳輸階段。對于擁有多個中繼節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)來說，中繼選擇協(xié)議具有分配網(wǎng)絡(luò)節(jié)點資源，平

2、衡用戶需求并提升網(wǎng)絡(luò)容量的作用，因而成為了協(xié)作通信中的關(guān)鍵研究課題之一。
　　然而目前的中繼選擇方案大多專注于傳統(tǒng)少量節(jié)點環(huán)境的討論。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷增大，以及中繼節(jié)點數(shù)量的不斷增多，經(jīng)典選擇算法由于關(guān)注目標、選擇開銷以及復雜度等問題，可能難以直接應用于大規(guī)模中繼網(wǎng)絡(luò)之中，因此能否針對此種網(wǎng)絡(luò)的需求和限制，設(shè)計具有針對性的中繼選擇方案就十分重要了?；谠撜n題，本文集中討論了大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇方案相關(guān)設(shè)計問題，主要貢獻如下

3、:
　　1、針對大規(guī)模協(xié)作認知無線網(wǎng)中用戶對降低等待時延的需求問題，設(shè)計了一種基于Stackelberg博弈模型的中繼分配方案。不同于引入外來次用戶的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該方案通過將用戶劃分為臨時主次群體從而構(gòu)造出一種自形成認知無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，其中臨時次用戶可以作為中繼協(xié)助臨時主用戶的傳輸，并購買其空閑時段使用授權(quán)信道，從而提升了網(wǎng)絡(luò)本身的資源利用率并避免了潛在的安全問題。在此基礎(chǔ)上，基于降低時延與控制開銷的綜合考量設(shè)計了各節(jié)點的收益函數(shù)，并

4、證明了任意中繼與用戶間存在有唯一的博弈均衡點，即最優(yōu)協(xié)作點。同時通過采用匈牙利算法，最終可以得到最優(yōu)的“用戶-中繼”分配策略。仿真結(jié)果驗證了所述方案能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)用戶的平均等待時延，同時性能優(yōu)于非協(xié)作的方案。
　　2、考慮到蜂窩通信網(wǎng)的分區(qū)極限，未來網(wǎng)絡(luò)可能具有大量難以枚舉的隨機分布中繼節(jié)點，因此用戶與中繼之間很難彼此收集實時信息。在這種大規(guī)模盲網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，針對基于窮舉對比的選擇方案難以實施等問題，設(shè)計了一種基于時隙ALOHA協(xié)

5、議的隨機中繼選擇方案。該方案依據(jù)滿足用戶傳輸需求的中繼數(shù)量分布與特定區(qū)域面積之間的關(guān)系，提出了預選擇廣播機制從而大幅縮減了參與隨機選擇的中繼數(shù)量，并且其分布不受到中繼密度的影響。同時，時隙ALOHA協(xié)議的引入令滿足需求的少量中繼通過隨機競爭接入的形式進行最終選擇。此外，推導了方案的失敗概率與期望傳輸速率等參數(shù)表達式。仿真結(jié)果表明，與要求完整中繼信息的理想方案相比，所述方案不需要預先收集任何中繼的實時信息即能夠獲得與之相近的傳輸性能，并具

6、有較為優(yōu)秀的收斂速度。
　　3、為了進一步提升隨機中繼選擇的性能，并且針對現(xiàn)有方案難以兼顧中繼對比與縮減開銷的不足，設(shè)計了一種基于貪婪機制的改進型隨機中繼選擇方案。該方案允許用戶在缺少中繼密度的情況下無需調(diào)整速率需求，同時貪婪機制的引入使得用戶可以在中繼成功選擇之后進行等待，通過犧牲部分選擇開銷來獲取性能更優(yōu)的中繼。此外，由于隨機接入過程中的參與節(jié)點會不斷減少，因而為中繼設(shè)計了可根據(jù)競爭者數(shù)量自適應變化的接入概率來最大化每一時隙的

7、成功選擇概率，并且根據(jù)不同時隙的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系推導出了平均選擇時隙數(shù)以及選擇失敗概率。仿真結(jié)果表明，所述方案能夠在網(wǎng)絡(luò)中用戶同時缺少中繼實時與統(tǒng)計信息的前提下，在瞬時速率和選擇開銷間獲得平衡，最終達到優(yōu)于傳統(tǒng)隨機中繼選擇方案的性能。
　　4、由于隨機選擇難以保證最優(yōu)中繼的選取，因此其性能表現(xiàn)存在有缺陷。針對這一問題，設(shè)計了一種在大規(guī)模隨機網(wǎng)絡(luò)下基于分裂算法的最優(yōu)中繼選擇方案。方案基本思路是針對中繼區(qū)域面積不斷優(yōu)化使得只有一個中繼落入

8、其中。由于引入了隨機幾何概念，可以確保用戶傳輸需求與滿足需求的中繼數(shù)量分布之間存在一一對應的關(guān)系。因此不同于隨機選擇，本方案可以確保獲取最優(yōu)性能中繼。同時，分裂算法的采用可以有效化解多個中繼間的沖突。針對可用中繼數(shù)量分布的不同分布模式，方案被劃分為兩個次序性階段。在此基礎(chǔ)上，推導了方案平均開銷的表達式，并同時給出了令選擇消費時隙數(shù)最少的方案最優(yōu)解與基于曲線近似的低復雜度次優(yōu)解。結(jié)合仿真結(jié)果，所述方案在確保最優(yōu)中繼的前提下，具有相比隨機選