下一代無線多跳中繼網(wǎng)絡(luò)資源分配與組網(wǎng)技術(shù)研究.pdf

1、近年來，無線移動通信技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，其中最具有代表性的兩項(xiàng)技術(shù)就是多跳中繼技術(shù)和正交頻分多址接入(OFDMA)技術(shù)。多跳中繼技術(shù)將原來的信道質(zhì)量較差的單跳無線鏈路，分解成信道質(zhì)量較好的多跳無線鏈路，從而實(shí)現(xiàn)了提升鏈路容量、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域等目的。另一方面，在正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)上所發(fā)展而來的OFDMA多址技術(shù)，不僅可以通過在子載波上適當(dāng)添加循環(huán)前綴來消除碼間干擾，更能靈活地為不同用戶分配不同的子載波以及子載波上的功率，借助

2、多用戶分集技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)吞吐量顯著提高。因此，有必要對主要應(yīng)用以上兩種新技術(shù)的下一代無線多跳中繼網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)關(guān)鍵組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行討論。本文采用最優(yōu)化理論、博弈論和定價(jià)機(jī)制等多種研究手段，圍繞下一代無線多跳中繼網(wǎng)絡(luò)的路由算法、切換策略、以及資源分配等問題，進(jìn)行了深入的分析和研究，最終達(dá)到提升網(wǎng)絡(luò)整體性能的目的。
　　 首先，為了提高無線多跳網(wǎng)絡(luò)端到端吞吐量，并且減小端到端延時(shí)，本文提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的AODV路由算法。路由算法對無線多跳

3、網(wǎng)絡(luò)性能起著至關(guān)重要的作用，而網(wǎng)絡(luò)編碼作為一個(gè)新興的通信技術(shù)也被廣泛應(yīng)用。本文提出的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的AODV路由算法通過在原有AODV路由算法中加入包含隊(duì)列和定時(shí)器的網(wǎng)絡(luò)編碼模塊，以及在數(shù)據(jù)包的包頭也加入網(wǎng)絡(luò)編碼包頭，實(shí)現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)編碼的融合。該方案既簡單且易于實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生的開銷也較少。仿真結(jié)果表明，在設(shè)定的拓?fù)鋱鼍跋拢摲桨改芴岣呔W(wǎng)絡(luò)的吞吐量，同時(shí)也能減少數(shù)據(jù)包的平均端到端延時(shí)，達(dá)到提升網(wǎng)絡(luò)性能的目的。由于該路由算法是針對一般無線多跳網(wǎng)絡(luò)的

4、網(wǎng)絡(luò)層所提出，與具體節(jié)點(diǎn)的物理層和MAC層實(shí)現(xiàn)方式無關(guān)，因此可以應(yīng)用于使用各種物理層及MAC層技術(shù)的下一代無線多跳中繼網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)之中。
　　 接著，為了解決與GSM-R網(wǎng)絡(luò)可靠性有重要聯(lián)系的越區(qū)切換問題，本文提出了一種基于多跳中繼技術(shù)的切換策略。由于列車的高速移動更會給接收信號帶來嚴(yán)重的多普勒頻移，使用傳統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)切換策略無法達(dá)到較高的切換成功率。在本文提出的利用中繼站輔助切換的策略中，多個(gè)中繼站被設(shè)置在相鄰小區(qū)的重疊區(qū)中

5、，為列車提供輔助切換的信號。而GSM-R網(wǎng)絡(luò)控制信道復(fù)幀也作了相應(yīng)修改，以避免中繼站與基站的同頻干擾。移動臺在切換時(shí)不僅要檢測相鄰基站的信號，而且還將對重疊區(qū)中的中繼站信號進(jìn)行檢測，最后再進(jìn)行切換判決。數(shù)值仿真結(jié)果表明，采用本文提出的基于中繼站輔助切換策略的切換中斷率明顯小于采用傳統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)切換策略時(shí)的情況，因此提高了列車越區(qū)切換的成功率。
　　 隨后，本文運(yùn)用最優(yōu)化理論，研究了基于OFDMA多址技術(shù)的無線多跳蜂窩網(wǎng)資源分

6、配問題。以前對基于OFDMA多址技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)資源分配的研究，通常只是考慮單小區(qū)、單跳下行或單跳上行的場景，所提出的算法不能直接應(yīng)用到無線多跳蜂窩網(wǎng)場景之中。為了減少無線多跳蜂窩網(wǎng)資源分配策略研究的復(fù)雜度，首先用樹形分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述了整個(gè)OFDMA無線多跳蜂窩網(wǎng)，作為后續(xù)建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)。隨后，對應(yīng)速率自適應(yīng)(RA)和余量自適應(yīng)(MA)兩種優(yōu)化類型，分別建立了以網(wǎng)絡(luò)吞吐量和系統(tǒng)總發(fā)射功率為優(yōu)化目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，并且給出了各目標(biāo)函數(shù)的

7、約束限制條件。在盡量減少計(jì)算復(fù)雜度的前提下，提出了分別對應(yīng)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的次優(yōu)子載波及功率分配策略。通過仿真分析可以得出，相比于傳統(tǒng)的OFDM-TDMA等固定資源分配策略，本文所提出的資源分配策略，在提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量或減小系統(tǒng)發(fā)射功率的情況下，能有效地保持系統(tǒng)鏈路的比例公平性。
　　 最后，本文引入博弈論及定價(jià)機(jī)制，研究了基于OFDMA多址技術(shù)的無線多跳中繼網(wǎng)絡(luò)上行鏈路資源分配問題。首先，在最大發(fā)射功率等約束條件下，建立了多小區(qū)OF