多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作路由研究.pdf

1、由于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)壞境，多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)面臨的多徑衰落效應(yīng)非常強(qiáng)烈，嚴(yán)重地影響了無(wú)線信號(hào)的傳輸，需要采用有效的抗衰落手段來(lái)增強(qiáng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量。協(xié)作通信因能克服信道衰落、提高傳輸容量和可靠性、擴(kuò)展覆蓋范圍和降低能量消耗已被廣泛關(guān)注和應(yīng)用。協(xié)作通信主要利用無(wú)線信道的廣播特性，允許單天線終端設(shè)備在多用戶環(huán)境中共享它們的物理資源來(lái)進(jìn)行通信，形成虛擬的天線陣列。參與協(xié)作通信的設(shè)備可相互轉(zhuǎn)發(fā)信息，同一信息的多個(gè)復(fù)本能夠通過(guò)相互獨(dú)立的無(wú)線信道到達(dá)接收端，

2、從而獲得協(xié)作分集增益。
　　協(xié)作通信技術(shù)在單跳網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到廣泛證實(shí)，然而，在多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，嚴(yán)重的同信道干擾使得協(xié)作通信傳輸性能急劇下降。本文結(jié)合多射頻多信道技術(shù)，在兼顧網(wǎng)絡(luò)公平性的情況下，研究了協(xié)作路由的選擇與鏈路的信道分配問(wèn)題，主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)現(xiàn)有的協(xié)作算法沒有考慮網(wǎng)絡(luò)資源分配公平性的問(wèn)題，造成一些業(yè)務(wù)流的吞吐量過(guò)小，使得這些業(yè)務(wù)流下的終端用戶遭到“不公平”的對(duì)待。針對(duì)這一問(wèn)題，本文對(duì)協(xié)作路由公

3、平性問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了一種分布式的多網(wǎng)關(guān)無(wú)線mesh網(wǎng)公平路由算法FCRMG。算法首先將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)重疊的簇集，并在簇集內(nèi)信道資源約束條件下，將業(yè)務(wù)流的公平協(xié)作路由選擇問(wèn)題建模成一個(gè)凸優(yōu)化問(wèn)題，該問(wèn)題是以業(yè)務(wù)流吞吐量的對(duì)數(shù)函數(shù)之和作為目標(biāo)函數(shù)以追求業(yè)務(wù)流之間的公平性。然后，利用對(duì)偶分解和子梯度的方法分布式確定最優(yōu)的協(xié)作傳輸路徑和傳輸速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)CRMG算法在保證具有高的聚合吞吐量的同時(shí)，大大提高了網(wǎng)絡(luò)中最小業(yè)務(wù)流的吞吐量

4、，從而使多并發(fā)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流可以更加公平地享用網(wǎng)絡(luò)資源。
　　(2)對(duì)于多射頻多信道無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有的協(xié)作路由算法沒有考慮在射頻數(shù)量有限情況下的信道分配問(wèn)題。為了在充分利用協(xié)作分集增益的同時(shí)降低同信道干擾，本文研究了多射頻多信道無(wú)線網(wǎng)中的聯(lián)合協(xié)作路由選擇與信道分配問(wèn)題。首先，針對(duì)協(xié)作通信多對(duì)一的傳輸特性，設(shè)計(jì)了一種基于協(xié)作通信模塊虛擬化的方法，在此基礎(chǔ)上，將聯(lián)合協(xié)作路由和信道分配問(wèn)題簡(jiǎn)化為聯(lián)合直接路由和信道分配問(wèn)題，同時(shí)對(duì)該問(wèn)題建模成混

5、合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題，并證明該問(wèn)題是一個(gè)NP難問(wèn)題。然后，為了求解該問(wèn)題，提出了一種寬松的聯(lián)合協(xié)作路由選擇和信道分配算法L-JCRCA。算法首先將模型中射頻數(shù)量限制條件進(jìn)行了寬松，使模型變?yōu)橐粋€(gè)可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)求解的線性規(guī)劃問(wèn)題。在求解出初步的最優(yōu)解結(jié)果后，對(duì)其中分配了超過(guò)其射頻數(shù)量信道的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部的信道調(diào)整，使得網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)都滿足射頻數(shù)量限制條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，L-JCRCA可以有效提升網(wǎng)絡(luò)總吞吐量。
　　(3)集中式算法由

6、于可以獲得全局網(wǎng)絡(luò)信息，可以求解出最優(yōu)的協(xié)作路由選擇和信道分配方案，但不便于應(yīng)用到實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中。為此，本文進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種適用于分布式實(shí)現(xiàn)的聯(lián)合協(xié)作路由與信道分配算法。算法主要分為分成兩步，首先，設(shè)計(jì)了一種剩余可用傳輸能力的路由指標(biāo)-RATC(Reminder Available Transmission Capacity).基于該路由指標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種分布式的協(xié)作路由選擇算法使得業(yè)務(wù)流可以更加均勻地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，盡量減少業(yè)務(wù)流之間共享轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)

7、。然后，在考慮協(xié)作傳輸鏈路特性的基礎(chǔ)上，我們提出了一種基于圖著色的信道分配算法，該算法利用本地鏈路信息為轉(zhuǎn)發(fā)鏈路分配正交信道來(lái)降低同信道干擾，與傳統(tǒng)的信道分配方法相比，我們?cè)O(shè)計(jì)的方法可以同時(shí)適用于協(xié)作傳輸鏈路和直接傳輸鏈路。仿真實(shí)驗(yàn)表明，我們提出的算法在不同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，可以有效提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
　　(4)為了在保證最低帶寬需求的同時(shí)最小化少網(wǎng)絡(luò)整體能量的消耗，本文設(shè)計(jì)了一種能量-帶寬感知的協(xié)作路由指標(biāo)，并基于該路由指標(biāo)，提出了一種

8、分布式的適用于能量有限的多射頻無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作路由算法。該算法包括三個(gè)部分:協(xié)作路由選擇，鏈路信道調(diào)整以及結(jié)點(diǎn)功率調(diào)整。協(xié)作路由選擇主要是為新加入到網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)流選擇合適的協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)路由，鏈路信道調(diào)整主要是為新增加的業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)鏈路的工作信道進(jìn)行調(diào)整，而結(jié)點(diǎn)功率調(diào)整主要是當(dāng)鏈路干擾程度增加后，發(fā)送功率無(wú)法滿足最小帶寬時(shí)，其為發(fā)送結(jié)點(diǎn)調(diào)整發(fā)送功率。仿真實(shí)驗(yàn)表明，文中提出的算法可以在保證最低帶寬的前提下，有效降低網(wǎng)絡(luò)整體能耗。
　　綜上所述