無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點(diǎn)選擇問題研究.pdf

1、無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)受到了廣泛關(guān)注，而信道衰退效應(yīng)是其最為嚴(yán)重的缺點(diǎn)之一，該效應(yīng)會降低無線信道的傳輸性能?？臻g分集技術(shù)通過在一個無線節(jié)點(diǎn)上安裝并使用多根傳輸天線（例如，MIMO），被證明可以有效地克服無線信道衰退。
　　 然而隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，節(jié)點(diǎn)體積越來越小，因而在一個節(jié)點(diǎn)上配置多根天線在實(shí)際中有時并不可行。從而為了克服多天線的缺陷，研究人員提出了使用分布式單天線節(jié)點(diǎn)的協(xié)作通信技術(shù)來同樣達(dá)到空間分集效果。在這種模式下，每個節(jié)點(diǎn)

2、只安裝了一根天線，但是它可以使用網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)（中繼節(jié)點(diǎn)）上的天線為自己傳輸數(shù)據(jù)，從而達(dá)到空間分集效果。然而在協(xié)作通信技術(shù)中，使用不同的中繼節(jié)點(diǎn)將極大地影響協(xié)作通信的最終性能。因此本文研究如何在無線網(wǎng)絡(luò)中選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行協(xié)作通信，以達(dá)到提高無線網(wǎng)絡(luò)傳輸容量，降低其能量消耗的目的。特別地，對于無線網(wǎng)絡(luò)，我們分別考慮了單跳網(wǎng)絡(luò)和多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境;而對于協(xié)作通信技術(shù)，我們則分別考慮了只使用一個中繼節(jié)點(diǎn)和同時使用多個中繼節(jié)點(diǎn)的情況。本文主要

3、研究內(nèi)容和貢獻(xiàn)如下:
　　 無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的多傳輸對最大壽命調(diào)度問題
　　 我們首先考慮最多只使有一個中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)作通信模式。對于該模式，在單跳網(wǎng)絡(luò)的中繼分配問題中，已有的工作大都假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在多個傳輸對和多個中繼節(jié)點(diǎn)且每個節(jié)點(diǎn)只能擔(dān)任傳輸節(jié)點(diǎn)或中繼節(jié)點(diǎn)一種角色。而在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境當(dāng)中，可能每個節(jié)點(diǎn)都有傳輸任務(wù)，從而不能只作為其它節(jié)點(diǎn)的中繼節(jié)點(diǎn)。因此，我們研究了基于無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的容量保證的最大壽命調(diào)度問題，在該網(wǎng)絡(luò)中存在多

4、個傳輸對，但每個節(jié)點(diǎn)可以擔(dān)任傳輸節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)兩種角色。我們提出采用兩個傳輸對之間相互協(xié)作以應(yīng)用協(xié)作通信的方法來提高單個傳輸對的壽命。隨后設(shè)計了一個最優(yōu)的多項式時間算法來最大化整個網(wǎng)絡(luò)的壽命，并對該算法的最優(yōu)性進(jìn)行了證明。最后的實(shí)驗仿真表明本算法相對于直接傳輸能夠延長199％的網(wǎng)絡(luò)壽命。
　　 無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的可信誠實(shí)中繼分配問題
　　 由于不同的中繼節(jié)點(diǎn)對協(xié)作通信的最終性能會產(chǎn)生極大影響，且網(wǎng)絡(luò)中多個傳輸對競爭同一組中繼

5、節(jié)點(diǎn)，因此傳輸對之間可能會互相欺詐以騙取相對于自己較優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)來提高自身的收益。然而這些欺詐行為會極大地影響整個網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，我們?yōu)閰f(xié)作通信設(shè)計了一個中繼分配協(xié)議(RA-VCG)來最大化總共社會價值（所有傳輸對的總共真實(shí)價值），并同時通過收取每個傳輸對一定的懲罰費(fèi)用來保證傳輸對間的可信誠實(shí)性。隨后，我們在理論上證明了該協(xié)議的有效性，并利用仿真實(shí)驗驗證了該協(xié)議的性能。
　　 無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的多中繼分配問題
　　 很多工

6、作在研究多個傳輸對的中繼分配問題上都局限于為每個傳輸對分配至多一個中繼節(jié)點(diǎn)。而對于一個給定的傳輸對，采用多個中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作通信時所達(dá)到的傳輸容量很可能遠(yuǎn)大于只采用一個中繼節(jié)點(diǎn)。因此，我們研究了無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中的多中繼分配問題，其中，多個傳輸對競爭同一集合的多個中繼節(jié)點(diǎn)，但是每個傳輸對可以使用多個中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作通信，以達(dá)到在所有傳輸對中最大化最小傳輸容量的目標(biāo)。我們首先形式化該問題為一個0-1非線性整數(shù)規(guī)劃問題。由于此類問題一般是NP難

7、的，因此我們設(shè)計了一個高效地近似算法來解決該問題，并對算法的近似比進(jìn)行了分析。最終，實(shí)驗結(jié)果表明，相對于ORA和NCR算法，該算法能夠分別提高目標(biāo)值大約56％和65％。
　　 能量高效的基于樹的協(xié)作數(shù)據(jù)聚集問題
　　 最后，我們將協(xié)作通信技術(shù)應(yīng)用到一個多跳無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，即考慮如何利用協(xié)作通信技術(shù)來節(jié)省無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)聚集操作的能量消耗。數(shù)據(jù)聚集在基于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中是一個很基本的操作，基于樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于

8、其本身的簡單性和能量高效性經(jīng)常被用來支持該操作。而在基于樹的數(shù)據(jù)聚集的動態(tài)過程中，可能存在很多個節(jié)點(diǎn)的聚集數(shù)據(jù)相同，因此我們可以引入?yún)f(xié)作通信技術(shù)來減少其能量消耗。特別地，我們首先形式化描述了基于樹的協(xié)作數(shù)據(jù)聚集問題，并設(shè)計了一個最優(yōu)的集中式算法來解決該問題。隨后，我們把該集中式算法擴(kuò)展為一個在實(shí)際中可使用的只利用節(jié)點(diǎn)局部信息的分布式算法。最終的仿真實(shí)驗結(jié)果表明，本文提出的算法相對于MCT和PEDAP算法，能夠分別降低23％和31％的網(wǎng)絡(luò)