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

1、無(wú)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(huì)降低無(wú)線信道的傳輸性能?？臻g分集技術(shù)通過(guò)在一個(gè)無(wú)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(wú)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(lái)越小，因而在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上配置多根天線在實(shí)際中有時(shí)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(lái)同樣達(dá)到空間分集效果。在這種模式下，每個(gè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)中選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行協(xié)作通信，以達(dá)到提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸容量，降低其能量消耗的目的。特別地，對(duì)于無(wú)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(duì)于協(xié)作通信技術(shù)，我們則分別考慮了只使用一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和同時(shí)使用多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的情況。本文主要

3、研究?jī)?nèi)容和貢獻(xiàn)如下:
　　 無(wú)線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的多傳輸對(duì)最大壽命調(diào)度問(wèn)題
　　 我們首先考慮最多只使有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)作通信模式。對(duì)于該模式，在單跳網(wǎng)絡(luò)的中繼分配問(wèn)題中，已有的工作大都假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)傳輸對(duì)和多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)且每個(gè)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(gè)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(wú)線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的容量保證的最大壽命調(diào)度問(wèn)題，在該網(wǎng)絡(luò)中存在多

4、個(gè)傳輸對(duì)，但每個(gè)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(gè)傳輸對(duì)之間相互協(xié)作以應(yīng)用協(xié)作通信的方法來(lái)提高單個(gè)傳輸對(duì)的壽命。隨后設(shè)計(jì)了一個(gè)最優(yōu)的多項(xiàng)式時(shí)間算法來(lái)最大化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命，并對(duì)該算法的最優(yōu)性進(jìn)行了證明。最后的實(shí)驗(yàn)仿真表明本算法相對(duì)于直接傳輸能夠延長(zhǎng)199％的網(wǎng)絡(luò)壽命。
　　 無(wú)線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的可信誠(chéng)實(shí)中繼分配問(wèn)題
　　 由于不同的中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)協(xié)作通信的最終性能會(huì)產(chǎn)生極大影響，且網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)傳輸對(duì)競(jìng)爭(zhēng)同一組中繼

5、節(jié)點(diǎn)，因此傳輸對(duì)之間可能會(huì)互相欺詐以騙取相對(duì)于自己較優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)提高自身的收益。然而這些欺詐行為會(huì)極大地影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，我們?yōu)閰f(xié)作通信設(shè)計(jì)了一個(gè)中繼分配協(xié)議(RA-VCG)來(lái)最大化總共社會(huì)價(jià)值（所有傳輸對(duì)的總共真實(shí)價(jià)值），并同時(shí)通過(guò)收取每個(gè)傳輸對(duì)一定的懲罰費(fèi)用來(lái)保證傳輸對(duì)間的可信誠(chéng)實(shí)性。隨后，我們?cè)诶碚撋献C明了該協(xié)議的有效性，并利用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該協(xié)議的性能。
　　 無(wú)線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的多中繼分配問(wèn)題
　　 很多工

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

7、的，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)高效地近似算法來(lái)解決該問(wèn)題，并對(duì)算法的近似比進(jìn)行了分析。最終，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)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(shù)的協(xié)作數(shù)據(jù)聚集問(wèn)題
　　 最后，我們將協(xié)作通信技術(shù)應(yīng)用到一個(gè)多跳無(wú)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(lái)節(jié)省無(wú)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(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中是一個(gè)很基本的操作，基于樹(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于

8、其本身的簡(jiǎn)單性和能量高效性經(jīng)常被用來(lái)支持該操作。而在基于樹(shù)的數(shù)據(jù)聚集的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可能存在很多個(gè)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(lái)減少其能量消耗。特別地，我們首先形式化描述了基于樹(shù)的協(xié)作數(shù)據(jù)聚集問(wèn)題，并設(shè)計(jì)了一個(gè)最優(yōu)的集中式算法來(lái)解決該問(wèn)題。隨后，我們把該集中式算法擴(kuò)展為一個(gè)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(yàn)結(jié)果表明，本文提出的算法相對(duì)于MCT和PEDAP算法，能夠分別降低23％和31％的網(wǎng)絡(luò)