（电路与系统专业论文）无线多跳网络跨层设计与优化的相关理论和算法研究.pdf

无线多跳网络跨层设计与优化的相关 理论和算法研究 摘要 无线多跳网络具有自组织、低成本和容易部署等优点，可以用于 扩展网络覆盖范围和提高网络容量。无线媒质的广播特性以及动态的 无线链路和拓扑对无线多跳网络的协议设计提出了巨大的挑战。传统 的分层设计方法并不完全适用于无线多跳网络的设计，而跨层设计允 许不同协议层之间的信息交互以适应动态变化的无线环境，达到网络 整体性能的最优化。 本文采用最优化的理论框架和方法，针对不同的无线多跳网络场 景和应用要求，研究无线多跳网络跨层设计和优化中的存在的许多亟 待解决的问题，如算法复杂性、不同层性能要求之间的权衡、信道时 变性、分布式应用以及新技术的集成等问题，并提出解决方案。 协同分集可以通过让各个无线节点共享传输资源和相互中继信 息从而获得空间分集增益。论文研究部署具有协同转发功能的中继和 采用o f d m a 技术的蜂窝网络中下行传输的功率和子载波分配问题。 该问题可以表达为一个混合的整数非线性最优化问题。为了降低算法 复杂度和发挥协同分集以及多用户分集的优势，论文把该问题分解为 两个子问题：一个联合子载波分配和中继选择子问题和一个功率分配 子问题。通过这两个子问题最优性条件，分别推导出相应的联合子载 波分配和中继选择算法以及基站和中继站的循环功率分配算法。仿真 表明，两个算法不仅具有较低的算法复杂度，而且可以充分发挥协同 分集和多用户分集的优势，与随机的子载波分配和平均功率分配算法 相比能获得较高的性能增益。 在蜂窝网络中上行传输消耗移动台( m s ) 的大部分传输能量。 部署中继可以缩短m s 的上行传输距离从而降低功率消耗。上行传输 的功率有效性与上层数据流的服务质量要求也有密切关系。论文提出 了基于中继的o f d m a 蜂窝网络上行传输中针对功率有效性的跨层 优化和资源分配框架和算法。当存在非弹性数据流时，该框架在保证 服务质量要求前提下最小化m s 总的上行传输功率。当存在弹性数据 流时，该框架在上行传输速率和总功率消耗之间进行权衡最优化。由 于多载波系统的“时间共享”特性，上述两个问题都可以通过其对偶 摘要 问题获得最优解。通过对偶分解所获得的子问题数目与子载波个数成 正比，比直接求解原问题的复杂度低得多。次梯度算法可以保证收敛 到相应问题的最优解。论文给出了每个算法的详细执行过程。仿真表 明，所提出的跨层优化框架和算法能充分体现出和获得在o f d m a 蜂 窝网络中部署多个固定中继站在降低m s 功率消耗、节省m s 能量和 提高上层数据流传输速率等方面所带来的好处。 基于无线基础设施的多跳蜂窝网络具有自组织和低成本组网的 优点。本论文提出了具有时变o f d m a 信道和允许多接收机制的基于 无线多跳基础设施的蜂窝网络模型及其分布式的联合拥塞控制、路由 和资源分配的跨层算法。论文首先把该网络的端到端传输的跨层设计 问题表达成一个非线性凸规划问题。为了得到分布式算法，采用对偶 分解的方法对该问题进行求解。由于时变的o f d m a 信道，对偶问题 可以转化为一个随机优化问题。根据随机优化的准梯度方法，推导出 分布式联合跨层优化算法。该算法根据每个时隙的信道状态进行拥塞 控制、路由以及信道分配，而不需要时变信道的统计特性。另外，最 优子载波分配要求进行复杂度较高的集中式计算。为了得到完全分布 式算法，提出了一种次优的分布式子载波分配算法。仿真表明在时变 o f d m a 信道环境下，所提出的跨层控制算法能保证端到端数据流速 率的收敛并能保持网络队列的稳定性。另外，算法也能充分发挥多接 收机制的分集优势，与单接收机制相比能明显提高网络的吞吐量。 本文研究了采用网络编码的无线多跳网络的最优跨层设计问题。 网络编码可以利用无线媒质的广播特性提高无线资源的利用率和无 线多跳网络性能。当网络采用为每个汇聚流维护一个报文队列的队列 模型时，最优无线网络编码操作的复杂度较高。论文通过引入虚拟流 变量来表达采用网络编码的无线多跳网络的能力域，并通过对偶分解 的方法对基于该能力域的最优跨层问题求解。根据对偶变量与网络队 列的关系，设计了一种可以降低编码复杂度的节点队列模型。基于该 队列模型和次梯度方法，提出了基于背压的联合拥塞控制、路由、链 路调度和网络编码的跨层优化算法。通过理论分析证明了算法的稳定 性和渐进最优性。数值仿真验证了算法的稳定性和收敛性，同时也表 明所提出的跨层优化算法能使网络编码与拥塞控制、路由和链路调度 等功能进行自适应地交互和协调，从而达到网络性能的最优化。 关键词：无线多跳网络，跨层设计和优化，协同分集，正交频分 北京邮电火学博- j 论文 复用接入，蜂窝网络，网络编码， i i l 北京邮i u 人学博：i j 论文 人b s - i r a c t r e s e a r c ho n t h et h e o r e ya n da l g o r l t h m s o fc r o s s l a y e rd e s l g na n do p t l m i z a t i o n f o rw l r e l e s sm u l t i h o pn e t w o r k a b s t r a c t w i r e l e s sm u l t i h o pn e t w o r k sh a v ea d v a n t a g e so fs e l f - o r g a n i z a t i o n ， l o wc o s ta n de a s yd e p l o y m e n t a n dc a nb eu s e dt oe x t e n dc o v e r a g ea n d i n c r e a s ec a p a c i t yo ft h en e t w o r k s t h e r ea r eal o to fc h a l l e n g e si nt h e d e s i g no fw i r e l e s sm u l t i h o pn e t w o r kd u et ob r o a d c a s tp r o p e r t ya n d d y n a m i cw i r e l e s sl i n ka n dt o p o l o g y t r a d i t i o n a ll a y e r i n gm e t h o di sn o t s u i t a b l ef o rt h ed e s i g no fw i r e l e s sm u l t i h o pn e t w o r k s w h i l ec r o s s 1 a y e r d e s i g nm e t h o da l l o w si n f o r m a t i o ne x c h a n g e sb e t w e e nd i f f e r e n tl a y e r st o a d a p tt od y n a m i cw i r e l e s se n v i r o n m e n t ，a n dt h u sa c h i e v eo p t i m i z a t i o no f t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k s t h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e st h es e v e r a lu n s o l v e dp r o b l e m si n c r o s s l a y e rd e s i g na n do p t i m i z a t i o no fw i r e l e s sm u l t i h o pn e t w o r k sw i t h d i f f e r e n ts c e n a r i o sa n dr e q u i r e m e n t si nt h e i ra p p l i c a t i o n sb ya d o p t i n gt h e f r a m e w o r ko fo p t i m i z a t i o nt h e o r ya n dr e l a t e dm e t h o d s ，a n dp r o p o s e s c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s t h e s ep r o b l e m si n c l u d et h ec o m p l e x i t yo f a l g o r i t h m s ，t r a d e o f fb e t w e e np e r f o r m a n c em e t r i c si nd i f f e r e n tl a y e r s ， t i m e v a r i a b i l i t yo fw i r e l e s sc h a n n e l d i s t r i b u t e di m p l e m e n t a t i o n a n d i n t e g r a t i o no f n e w t e c h n o l o g i e sa n ds oo n c o o p e r a t i v ed i v e r s i t yc a no b t a i nt h eg a i no ft h es p a c ed i v e r s i t yb y a l l o w i n gn o d e si naw i r e l e s sn e t w o r ks h a r i n gt h e i rr e s o u r c ea n dr e l a y i n g i n f o t i n a t i o nf o re a c ho t h e r t h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e st h ep o w e r a l l o c a t i o na n ds u b c a r r i e r sa s s i g n m e n tf o rt h ed o w n l i n ko fac e l l u l a r n e t w o r kw i t hc o o p e r a t i v er e l a ys t a t i o n s ( r s s ) a n do f d m a t e c h n o l o g y t h ep r o b l e mc a nb ef o r m u l a t e da sam i x e di n t e g e ra n dn o n l i n e a r p r o g r a m m i n gp r o b l e m t or e d u c e t h e c o m p l e x i t y w h i l et a k et h e a d v a n t a g e so fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya n dm u l t i u s e rd i v e r s i t y , t h ep r o b l e m i sd i v i d e di n t ot w os u b p r o b l e m sw h i c ha r ei o i n ts u b c a r r i e ra s s i g n m e n t a n dr ss e l e c t i o ns u b p r o b l e ma n dp o w e ra l l o c a t i o ns u b p r o b l e m b yt h e o p t i m a l i t yc o n d i t i o n so f e a c hs u b p r o b l e m ，c o r r e s p o n d i n gj o i n ts u b c a r r i e r a s s i g n m e n ta n dr ss e l e c t i o na l g o r i t h ma n di t e r a t i v ep o w e ra ll o c a t i o n a l g o r i t h mf o rr s sa n db sa r eo b t a i n e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w s t h a t l v 北京邮i u 人学博+ j j 论义a b s t r a c t b o t ha l g o r i t h m sc a nn o to n l yh a v el o wc o m p l e x i t y , b u ta l s of u l l yu t i l i z e t h eb e n e f i t so fc o o p e r a t i v ed i v e r s i t ya n dm u l t i u s e rd i v e r s i t yt oo b t a i n h i g h e rp e r f o r m a n c et h a nt h ea l g o r i t h m so fa s s i g n i n gs u b c a r r i e r sr a n d o m l y a n da ll o c a t i n gp o w e r a v e r a g e l y u p l i n kt r a n s m i s s i o ni nc e l l u l a rn e t w o r k sc o n s u m e sm o s tp a r to f t r a n s m i s s i o ne n e r g yo fm o b i l es t a t i o n s ( m s s ) t h ed e p l o y m e n to fr s s c a ns h o r t e nt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ef o rm s s a n dt h u sr e d u c et h e i r p o w e rc o n s u m p t i o n t h e r ea r ea l s o c l o s er e l a t i o n sb e t w e e np o w e r e f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) o f d a t af l o w sf r o mu p p e rl a y e r s t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p saf r a m e w o r ka n da l g o r i t h m sf o rt h ec r o s s 1 a y e r o p t i m i z a t i o na n dr e s o u r c ea l l o c a t i o nf o rp o w e re 硒c i e n c yo fm s si n u p l i n kt r a n s m i s s i o no fr e l a y b a s e d0 f d m ac e l l u l a r n e t w o r k s f o r i n e l a s t i cd a t af l o w s ，t h ef r a m e w o r km i n i m i z e su p l i n kt r a n s m i s s i o np o w e r w h i l eg u a r a n t e e st h e i rm i n i m u mq o sr e q u i r e m e n t s f o re l a s t i cd a t af l o w s ， t h ef r a m e w o r ks t r i k e s o p t i m a lt r a d e o f fb e 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w o r k t h ec r o s s 1 a y e r d e s i g np r o b l e mf o re n d t o e n dt r a n s m i s s i o ni sf o r m u l a t e da sn o n l i n e a r c o n v e xp r o g r a m m i n gp r o b l e m t oo b t a i nad i s t r i b u t e da l g o r i t h m d u a l d e c o m p o s i t i o nm e t h o di su s e dt os o l v et h ep r i m a lp r o b l e m d u et ot h e t i m e v a r y i n go f d m ac h a n n e l s t h ed u a lp r o b l e mc a nb et r a n s f o r m e d i n t oas t o c h a s t i cc o n v e xo p t i m i z a t i o np r o b l e mw h i c hc a nf u r t h e rb e v 北京邮i 乜人学博七论文 a b s t r a c t s o l v e d b yq u a s i g r a d i e n t m e t h o d d i s t r i b u t e di p i n t c r o s s l a y e r o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mf o re n d t o e n dd a t at r a n s m i s s i o ni so b t a i n e d t h e a l g o r i t h mm a k e sd e c i s i o no fc o n g e s t i o nc o n t r o l ，r o u t i n ga n dr e s o u r c e a l l o c a t i o na c c o r d i n gt ot h ec h a n n e ls t a t ei nt h ec u r r e n tt i m es l o ta n dd o e s n o tn e e dt h es t a t i s t i c a lp r o p e r t yo ft h et i m e v a r y i n gc h a n n e l i na d d i t i o n ， o p t i m a ls u b c a r r i e ra s s i g n m e n tr e q u i r e sc e n t r a l i z e da l g o r i t h mw i t hh i g h c o m p l e x i t y t o o b t a i naf u l l yd i s t r i b u t e da l g o r i t h m ，ad i s t r i b u t e d s u b c a r r i e ra s s i g n m e n ta l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ep r o p o s e dd i s t r i b u t e dc r o s s l a y e rc o n t r o la l g o r i t h mc a ng u a r a n t e e t h ec o n v e r g e n c eo ft h ed a t ar a t e so ft h ee n d t o e n df l o w sa n ds t a b il i t yo f t h eq u e u e si nt h en e t w o r k i na d d i t i o n t h ea l g o r i t h mc a nf u l l yu t i l i z et h e d i v e r s i t yc a p a c i t yo fm u l t i r e c e i v e r s c h e m ea n do b t a i n h i g h e r p e r f o r m a n c e t h a nu s i n gs i n g l e r e c e i v e rs c h e m e t h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e so p t i m a lc r o s s 1 a y e rd e s i g no fw i r e l e s s m u l t i h o pn e t w o r kw i t hn e t w o r kc o d i n g n e t w o r kc o d i n gc a i li n c r e a s et h e u t i l i z a t i o no fw i r e l e s sr e s o u r c ea n dt h u sp e r f o r m a n c eo fw i r e l e s s m u l t i h o pn e t w o r k sb yu t i l i z i n gb r o a d c a s ta d v a n t a g eo f w i r e l e s sm e d i u m t h ec o m p l e x i t yo fc o d i n go p e r a t i o ni sh i g hw h e nu s i n gq u e u i n gm o d e lo f o n eq u e u ep e rc o m m o d i t y a na l t e m a t i v ec a p a c i t yr e g i o ni sf o r m u l a t e d b yi n t r o d u c i n gv i r t u a l f l o wv a r i a b l e s t h eo p t i m a lc r o s s - l a y e rd e s i g n p r o b l e ms u b j e c tt ot h i sc a p a c i t yr e g i o ni ss o l v e db yd u a ld e c o m p o s i t i o n m e t h o d f r o mt h er e l a t i o no fn e t w o r kq u e u e sa n dd u a lv a r i a b l e s 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t s ( i e ， c o n g e s t i o nc o n t r o l ，r o u t i n ga n ds c h e d u l i n g ) i nn e t w o r kl a y e r sa n dt h u s a c h i e v eo p t i m a lp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：w i r e l e s sm u l t i - h o pn e t w o r k ，c r o s s - l a y e rd e s i g na n d o p t i m i z a t i o n ，c o o p e r a t i v ed i v e r s i t y ，o f d m a ，c e l l u l a rn e t w o r k ，n e t w o r k c o d i n g ，d u a ld e c o m p o s i t i o n v i 北京邮i 乜人学博十论义 目录 摘昙要i a b s t r a c t 。i v 第一章绪论。l 1 1 选题的背景和意义l 1 1 1 无线多跳网络概述1 1 1 2 无线多跳网络设计的难点5 1 1 3 网络的分层设计模型6 1 1 4 无线多跳网络跨层设计的必要性7 1 2 无线多跳网络跨层设计和优化研究现状8 1 2 1 跨层设计参考模型和方法8 1 2 2 相关研究综述1l 1 2 3 无线多跳网络跨层设计和优化所面临的问题1 3 1 3 本文的研究内容和主要创新点。1 5 1 3 1 研究方法和内容1 5 1 3 2 主要创新点1 8 1 4 论文的组织结构2 0 本章参考文献2 0 第二章基于协同转发中继的o f d m a 蜂窝网络中自适应跨层资源分配 2 1 引言。2 5 2 2 协同分集技术。2 6 2 3 基于协同转发中继的o f d m a 蜂窝网络模型2 7 2 4 自适应跨层资源分配算法2 9 2 4 1 问题描述2 9 2 4 2 联合子载波分配和中继选择2 9 2 4 3 基站和中继站的功率分配3 3 2 5 仿真性能分析3 6 2 6 本章小结3 9 本章参考文献3 9 第三章基于中继的o f d i i i a 蜂窝网上行传输中针对功率有效性的跨层优化 3 1 弓i 言4 l 3 2 系统模型和假设一4 3 3 3 无弹性的服务流和m s 功率有效性的跨层优化4 6 3 - 3 1 一个简单的单载波场景4 7 3 3 2 跨层优化原问题及其对偶问题的解4 8 3 3 3 对偶问题的分解和子问题的解决方法5l 3 3 4 算法总结5 4 3 4 弹性服务流速率和m s 功率有效性之间的跨层权衡优化5 5 v i i 北京邮l 也人! 学 粤i 论文 f 1 录 3 4 1 跨层权衡优化问题表述5 6 3 4 2 通过对偶问题求解5 7 3 4 3 算法总结5 9 3 5 算法复杂性分析6 0 3 6 仿真结果和分析6 0 3 7 本章小结6 5 本章附录l 6 5 本章参考文献6 7 第四章基于无线多跳基础设施的自组织o f d b a 蜂窝网的跨层控制和资源分配6 9 4 1 引言6 9 4 2 基于无线多跳基础设施的自组织o f d m a 蜂窝网络模型7 l 4 3 端到段数据传输和资源分配的优化问题一7 3 4 4 对偶分解和随机优化方法。7 5 4 5 分布式动态控制和资源分配算法7 9 4 6 仿真性能分析8 2 4 7 本章小结8 5 本章参考文献8 6 第五章采用网络编码技术的无线多跳网络的能力域及低复杂度跨层优化算法8 8 5 1 引言8 8 5 2 网络编码在无线网络中的应用及其跨层设计8 9 5 2 1 无线网络中的网络编码技术8 9 5 2 2 采用网络编码的无线网络的跨层设计9 1 5 3 采用网络编码的无线多跳网络模型和能力域。9 2 5 3 1 网络模型和假设9 2 5 3 2 两个能力域及其等价性9 4 5 4 跨层优化算法和队列模型9 7 5 4 1 跨层优化问题表达和求解9 7 5 4 2 队列模型l o l 5 4 3 所提出的跨层优化算法1 0 3 5 5 算法稳定性和最优性分析1 0 6 5 5 i 算法稳定性1 0 7 5 5 2 算法的渐近最优性11 2 5 6 性能仿真和分析1 1 3 5 6 1 基本干扰模型1 1 3 5 6 2 两跳干扰模型1 1 6 5 7 本章小结118 本章附录1 l l8 本章参考文献1 2 0 第六章总结和展望1 2 3 6 1 全文总结12 3 6 2 研究方向展望1 2 5 6 3 作者攻读博士期间参与的项目与课题1 2 6 v l i i 北京邮电大学博一i 论文日录 附录i 缩略语表12 7 致谢12 9 作者攻读博士期间发表的论文。1 3 0 i x 北京邮i 乜人学博_ 论义第一章绪论 第一章绪论 随着无线移动通信技术的发展，无线多跳网络越来越引起研究者和工业界 的关注。与现有基于固定基础设施的无线接入网络相比，无线多跳网络具有自组 织、易部署、可靠性高、分布式的结构以及部署成本低等特点。目前存在多种形 式和具有不同应用的无线多跳网络。无线多跳网络可以单独组网满足某些特殊应 用要求或与当前无线接入网络结合增强网络性能和低成本地扩展覆盖范围，也可 能应用到下一代移动通信网络的网络架构中，满足网络分布式处理和扁平化的需 求。 由于无线信道的时变性和无线媒质的广播特性，传统的基于分层的网络设计 不能充分发挥网络的性能，因而不适用于无线多跳网路的设计。相比而言，跨层 设计和优化通过让不同协议层感知无线环境的变化并相互协调和自适应地改变 协议参数，从而提高无线网络的性能。虽然跨层设计的思想已经被广泛接受，并 且许多最优化理论和技术也被引入到跨层设计中，但在具体的网络设计中仍然存 在着许多技术难点，如跨层交互与分层结构的保持、复杂度与最优性能的折中、 不同性能目标的权衡、信道时变性的影响、新技术( 如网络编码) 的集成以及分 布式算法的设计等。 本章在介绍了无线多跳网络及其设计难点的基础上，对当前无线多跳网络的 跨层设计研究现状和面临的问题进行阐述，然后详细介绍了本文的无线多跳网络 跨层设计和优化所采用的理论框架以及本文的主要研究内容和创新点，最后给出 了文章的组织结构。 1 1 选题的背景和意义 1 1 1 无线多跳网络概述 当前的移动通信网