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

1、無線網(wǎng)絡(luò)正在重塑著我們的生活，但是單個無線設(shè)備有限的資源，尤其是通信資源，嚴(yán)重影響著無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的提升。因此，通過協(xié)作來提升單個設(shè)備甚至整個無線網(wǎng)絡(luò)性能上限的協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛關(guān)注。協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)中有兩個熱門的協(xié)作技術(shù)，即協(xié)作通信技術(shù)和認(rèn)知無線電技術(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)點消耗能量協(xié)助源節(jié)點傳輸消息，這樣源節(jié)點便可以獲得空間分集增益提升通信質(zhì)量。而認(rèn)知無線電技術(shù)是一種頻譜協(xié)作策略。在認(rèn)知無線電中，擁

2、有頻譜的主用戶在不工作時允許急需頻譜的次用戶動態(tài)接入其頻譜從而提升頻譜的利用率。協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)對傳統(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制，但對保障無線網(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制設(shè)計，以保證無線網(wǎng)絡(luò)整體的服務(wù)性能，如網(wǎng)絡(luò)干擾、網(wǎng)絡(luò)容量和社會福利等。本論文的主要研究內(nèi)容和貢獻(xiàn)如下:
　　1.嚴(yán)重的

3、網(wǎng)絡(luò)干擾會導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳和通信沖突，所以干擾是無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的一個重要性能指標(biāo)。源節(jié)點在協(xié)作通信模式下能夠利用中繼節(jié)點的空間分集增益提升自身的通信質(zhì)量，但是中繼節(jié)點對網(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)淇刂茊栴}，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連通拓?fù)浜腿绾螛?gòu)建最小平均干擾的強連通拓?fù)溥@

4、兩個問題。針對第一個問題，我們設(shè)計了基于二分查找的最優(yōu)算法DBS;針對第二個問題，由于其NP-困難性，本文設(shè)計了一個分布式的近似算法DBCT并理論上證明了算法的近似比為4。最后的實驗數(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)知無線電中，通常通過頻譜拍賣的方式來為主用戶采用頻譜協(xié)作策略提供經(jīng)濟(jì)激勵。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福利這一重要性質(zhì)。然而，以往的研究僅僅關(guān)注單輪拍賣設(shè)計中社會福利的優(yōu)化，卻忽略了如何保障長期多輪拍賣的性能。針對這一狀況，本論文首次考慮了在次用戶具有預(yù)算約束的條件下，保證長期社會福利的定期頻譜拍賣機制設(shè)計問題。結(jié)合原始-對偶方法，我們提出了一個定期頻譜拍賣框架PSA和一個單輪頻譜拍賣方案ORSA。經(jīng)理論分析，ORSA滿足多種重要經(jīng)濟(jì)性質(zhì)，如真實性、個體理性和計算效率等。利用對偶擬合技術(shù)我們在理論上證明了

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福利近似最大化又可以保證長期多輪拍賣后社會福利的近似比只有微小的損失。大量的仿真結(jié)果顯示，從長遠(yuǎn)角度來看，PSA在各項指標(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網(wǎng)絡(luò)中得到高效的利用，本文以單跳認(rèn)知無線電網(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)點聯(lián)合分配問題。特別地，我們仔細(xì)考慮了信道切換的延遲對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。針對最大化最小的次級傳

7、感器節(jié)點傳輸容量這一目標(biāo)，先利用精細(xì)的數(shù)學(xué)技巧將問題形式化為混合整型線性規(guī)劃問題，然后結(jié)合線性松弛技術(shù)和貪心策略本文設(shè)計了兩個啟發(fā)式算法。最后，大量的仿真實驗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)知無線電網(wǎng)絡(luò)CCRN是將協(xié)作通信技術(shù)與認(rèn)知無線電技術(shù)完美融合的網(wǎng)絡(luò)模式。為了給主用戶和中繼節(jié)點提供經(jīng)濟(jì)激勵促使其參與到網(wǎng)絡(luò)協(xié)作中來，本論文研究了具有多個PU和多個次用戶集團(tuán)的靜態(tài)CCRN場景中的拍賣機制設(shè)計問題。這里次用

8、戶集團(tuán)是指愿意共享同一次級中繼節(jié)點的次用戶集合。我們將該問題模型化為一個分層拍賣并提出真實拍賣機制TERA和公平拍賣機制UERA兩種拍賣方案。特別地，TERA是一個真實的拍賣方案而UERA是一個近似真實且能夠保證公平性的拍賣方案。這兩個方案都能保證許多關(guān)鍵的經(jīng)濟(jì)性質(zhì)，如個體理性、預(yù)算均衡、供給限制和計算效率等。我們還從理論上證明了這兩個拍賣方案都可以實現(xiàn)近似最優(yōu)的拍賣收入。而最后的實驗結(jié)果證明了TERA和UERA可以使得次用戶獲得很好的