下一代无线网络中基于跨层优化的资源分配研究

摘要

随着下一代无线通信网络的飞速发展和业务需求的爆炸式增长,有限的无线资源与多媒体业务不断提高的服务质量(QoS)需求之间的矛盾日益尖锐,使得既能提高网络整体性能又可以支持高质量多媒体业务的资源分配策略成为目前无线通信研究领域关注的重点。跨层设计方法将被分割的各层网络协议作为整体进行分析、优化和控制,从而达到高效利用无线资源的目的。针对下一代无线通信网络中的不同网络架构,本论文基于跨层联合优化思想和有效容量理论,研究了保证多媒体业务统计时延QoS要求的无线资源分配策略。论文以信息论、网络理论和优化理论为基础,分析了下一代无线网络中亟待解决的关键问题,并提出可行的解决方案。论文提出的资源分配策略可为下一代无线网络跨层协议的设计提供一定的理论依据和技术基础。论文的主要工作和创新点如下:
　　 研究了单用户网络系统中的跨层资源分配问题。基于有效容量跨层模型,针对传统蜂窝网络和认知无线电网络两种环境分别提出了保证实时多媒体业务时延QoS要求的最优功率控制策略。对于传统蜂窝网络,分别研究了采用连续星座多进制正交幅度调制(MQAM)机制和离散星座MQAM机制时,保证实时多媒体业务时延OoS要求条件下,最小化平均功率优化问题。并利用凸优化理论提出了相应的最优功率分配策略和星座大小分配机制。在允许主要用户与次要用户同时共享相同频段的认知无线电网络中,论文借助干扰温度模型描述次要用户对主要用户的干扰。论文基于有效容量理论建立物理层和数据链路层的跨层模型。在跨层模型基础上,研究了在次要用户对主要用户的干扰功率和次要用户平均/峰值发送功率限制条件下,最大化次要用户有效容量的优化问题。利用凸优化理论提出了最优的功率分配策略,并进行了相关算法分析。最后为了探讨次要用户对主要用户的干扰功率和次要用户时延Oos要求之间的关系,本文还研究了满足次要用户时延QoS限制的最小化干扰功率优化问题。
　　 针对无线多媒体传感器网络中的低功耗和多媒体数据流实时传输问题,研究了单跳分簇无线多媒体传感器网络中的资源分配策略。无线多媒体传感器网络采用时分多址(TDMA)模式的媒体接入控制(MAC)协议,以减少甚至消除由于冲突、空闲监听等造成的能量消耗。基于有效容量跨层模型,论文利用拉格朗日对偶理论和对偶分解理论,从不同角度研究了无线传感器网络中保证多媒体数据流时延QoS要求的无线资源分配策略。从延长传感器网络寿命的角度,研究了满足多媒体传感器节点时延QoS要求条件下,最小化系统平均发送功率优化问题；从提高整个传感器网络服务能力的角度,研究了传感器节点功率受限条件下,最大化系统有效容量优化问题。最终分别提出了无线多媒体传感器网络中分布式的速率和时隙、功率和时隙联合分配算法。
　　 研究了WiMAX网络中的跨层资源分配问题。基于IEEE802.16e标准,从功率高效使用的角度,研究了WiMAX网络下行链路中保证多媒体数据业务时延QoS要求的功率和多载波联合分配策略。无线信道共享方式采用点到多点(PMP)模式。本文首先提出WiMAX网络中基于有效容量理论的跨层框架,接着规划了满足用户时延QoS要求条件下,最小化系统发送功率的优化问题。通过引入时间共享因子把非线性整数规划问题转换为一个凸优化问题,并利用凸优化理论得到系统最优解应该满足的充要条件。在充要条件基础上,论文研究了给定子载波分配策略时的最优功率分配策略,和基于最优功率分配策略的子载波分配策略,进而提出了子载波迭代算法。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 无线网络框架

1.2.1 认知无线电网络

1.2.2 无线多媒体传感器网络

1.2.3 WiMAX/IEEE 802.16网络

1.3 无线网络中的跨层设计

1.3.1 跨层设计的意义

1.3.2 跨层设计的研究现状

1.4 本论文的研究工作及内容安排

第二章 无线资源分配的跨层联合优化系统框架

2.1 有效容量与跨层模型

2.1.1 有效容量

2.1.2 基于有效容量的跨层模型

2.2 优化理论

2.2.1 凸集与凸函数

2.2.2 凸优化问题

2.2.3 拉格朗日对偶理论

2.3 跨层联合优化系统框架

2.4 本章小结

第三章 单用户系统中的跨层资源分配

3.1 传统蜂窝网络中的跨层资源分配

3.1.1 系统模型

3.1.2 连续星座MQAM机制

3.1.3 离散星座MQAM机制

3.1.4 数值仿真结果与分析

3.2 认知无线电网络中的跨层资源分配

3.2.1 系统模型

3.2.2 保证时延QoS的最大有效容量

3.2.3 保证时延QOS的最小干扰功率

3.2.4 数值仿真结果与分析

3.3 本章小结

第四章 无线多媒体传感器网络中的跨层资源分配

4.1 系统模型

4.2 最小化平均功率的跨层资源分配

4.2.1 最优资源分配算法

4.2.2 给定信道状态时的最优速率和时隙资源分配

4.3 最大化有效容量的跨层资源分配

4.3.1 最优资源分配算法

4.3.2 给定信道状态时的最优功率和时隙分配策略

4.4 数值仿真结果与分析

4.5 本章小结

第五章 WiMAX网络中的跨层资源分配

5.1 WiMAX网络系统模型

5.1.1 IEEE 802.1 6e标准

5.1.2 系统模型

5.2 问题规划

5.3 保证时延QoS要求的资源分配策略

5.3.1 最优的比特和功率分配策略

5.3.2 子载波分配策略

5.3.3 子载波分配迭代算法

5.4 数值仿真结果和分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

外文论文