基于網(wǎng)絡(luò)效用最大化的無線Mesh網(wǎng)跨層優(yōu)化算法研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進(jìn)步，人們對無線通信的要求也不斷提升。使用者期望無線Mesh網(wǎng)絡(luò)能以更低廉的價格提供更快的傳輸速率，更多樣的業(yè)務(wù)以及更可靠的服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)的分層設(shè)計雖然降低了復(fù)雜性而且易于模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，但在網(wǎng)絡(luò)性能上只能做到每層的局部優(yōu)化，而達(dá)不到全局最優(yōu)，這使得全網(wǎng)的效率和性能都有所降低。在有線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的高容量和高可靠性掩蓋了分層設(shè)計的這些負(fù)面影響。而無線鏈路性能較差，且無線信道狀態(tài)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S著時間變化，使得分層設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)

2、性能并不理想。特別是對于有嚴(yán)格的性能要求，針對孤立的單層所設(shè)計的協(xié)議，往往會在層間產(chǎn)生消極的影響，顯著降低端到端的性能，同時也使網(wǎng)絡(luò)對于動態(tài)變化和干擾極度脆弱。因此，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中嚴(yán)格的性能要求需要通過跨層設(shè)計來滿足。
　　 基于網(wǎng)絡(luò)效用最大化的跨層優(yōu)化是無線網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計的一種系統(tǒng)化方法。它將協(xié)議棧中各層的功能與性能要求抽象為數(shù)學(xué)優(yōu)化問題中的目標(biāo)函數(shù)與限制條件，用函數(shù)變量表示網(wǎng)絡(luò)資源（如時隙、頻帶、功率、鏈路速率、能耗），將

3、這些網(wǎng)絡(luò)中的要素與要求以數(shù)學(xué)優(yōu)化問題的形式表示出來，從而將跨層設(shè)計統(tǒng)一到一個完善的數(shù)學(xué)理論框架之下。
　　 本文主要研究了采用多無線接口多信道技術(shù)的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化問題，基于網(wǎng)絡(luò)效用最大化方法對優(yōu)化問題建模，并提出了相應(yīng)的求解算法。主要包括聯(lián)合速率控制與功率分配的多信道Mesh網(wǎng)跨層優(yōu)化、聯(lián)合信道分配與速率控制的多信道Mesh網(wǎng)跨層優(yōu)化以及結(jié)合了無線網(wǎng)絡(luò)隨機因素的跨層優(yōu)化等三個部分，對多無線多信道Mesh網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制、

4、功率控制、信道分配、無線接口分配與無線鏈路調(diào)度等問題的聯(lián)合優(yōu)化建模做了一定的研究，主要內(nèi)容如下：
　　 1) 聯(lián)合功率分配與速率控制的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化
　　 本研究內(nèi)容以網(wǎng)絡(luò)效用最大與總功耗最小為目標(biāo)，對多無線多信道的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)速率控制與功率控制進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，對能夠動態(tài)分配多個鏈路功率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計相應(yīng)的分布式算法。該算法通過改變本征權(quán)的取值能夠在網(wǎng)絡(luò)效用與網(wǎng)絡(luò)功耗之間取得折衷，并能根據(jù)各節(jié)點的速率要求動態(tài)調(diào)整

5、各條鏈路的發(fā)射功率使得網(wǎng)絡(luò)達(dá)到效用與功耗的聯(lián)合最優(yōu)。
　　 2) 聯(lián)合信道分配、調(diào)度與速率控制的多無線多信道網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化
　　 本研究內(nèi)容將聯(lián)合速率控制、鏈路調(diào)度與信道分配的跨層優(yōu)化問題建模為一個混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題。首先將采用單路由的多無線多信道的Mesh網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合速率控制與信道分配的跨層優(yōu)化問題建模為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題，接著將聯(lián)合擁塞控制、信道分配與鏈路調(diào)度的優(yōu)化問題推廣到采用多路由技術(shù)的Mesh網(wǎng)絡(luò)中，提出了

6、一種兩步式的分布式算法，即通過放松整數(shù)約束將難以高效解決的混合整數(shù)非線性規(guī)劃轉(zhuǎn)化為易解決的凸規(guī)劃得到問題的上界，然后在可行解集內(nèi)逼近該上界獲得近優(yōu)解。
　　 3) 帶隨機因素的聯(lián)合擁塞控制與功率控制的跨層優(yōu)化
　　 本研究內(nèi)容基于隨機網(wǎng)絡(luò)效用最大化方法建立無線Mesh網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化模型。針對無線Mesh網(wǎng)中的隨機數(shù)據(jù)流與無線傳播環(huán)境的時變隨機性，提出了一種基于機會約束規(guī)劃的聯(lián)合擁塞控制與功率控制的模型，并利用遺傳算法對其進(jìn)