无线通信系统中的双向中继和跨层优化技术研究

发布时间：2017-12-18 22:24

  本文关键词：无线通信系统中的双向中继和跨层优化技术研究

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【摘要】：基于网络编码技术的双向中继传输协议可以有效提高无线通信系统的传输性能,其中提高系统吞吐量性能的关键考量之一是提高中继传输时的并发传输指数。在本文中我们提出一种名为IC-TWR的新双向中继传输协议,它综合了网络编码、空间分集和干扰消除的技术,达到了一个较高的并发传输指数。与此同时,和基于放大转发(AF)的双向中继传输机制相比,IC-TWR协议对信道状态信息(CSI)的需求大幅降低了。仿真结果表明,与传统的基于解码转发(DF)的双向中继传输协议相比,IC-TWR协议在系统吞吐量和端到端时延上均有更好的表现。本文还对所提出的IC-TWR协议的拓展性进行了讨论,其中继节点数量可以为任意大于等于2的正整数,因此在实际应用中可以根据具体场景灵活组网。我们注意到,为了研究上的方便,现有的关于双向中继传输协议领域的研究都是基于下述两点假设展开的：①信源节点都有无限长的队列缓存；②只要中继节点发出传输请求,信源节点就总能有数据包发送到中继节点。然而在实际的应用场景中,节点的缓存大小总是有限的,当考虑到排队效应(queuing effects)时,上述两点假设均不成立,且有可能发生丢包现象。在本文中我们以DF-TWR为例,综合考虑了双向中继传输机制和有限长缓存的排队效应,在数学上对此建模为一个二维的有限状态马尔科夫链(FSMC)。并从理论上严格证明了此二维马氏链是齐次的,非周期的,不可约的且正常返的,因此具有稳定的极限概率分布。在此基础上,我们分别对端到端吞吐量和系统丢包率进行了解析推导,并得到了闭式解。理论计算结果和计算机Monte Carlo数值仿真结果精确吻合,从而验证了对这套新框架数学建模和分析推导工作的正确性。仿真结果还揭示了在不同场景下缓存长度对系统性能影响的一些规律。这部分研究工作从定量的角度对通信系统设计师综合考量评估节点缓存和双向中继传输系统性能之间的关系提供一定的参考价值。在无线传感网络里,跨层优化设计被认为是可以有助于降低网络能量开销的一种手段。由于整数约束条件的存在,此问题在数学上可以建模为混合非线性优化问题。随着节点数目的增加,决策变量和约束条件的数量迅速增长,在最坏情况下寻求全局最优解的计算复杂度接近于穷举搜索。本文以二维场景为例,研究探讨了跨层优化设计对无线传感网络在节省能量开销方面的意义和价值。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN92
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本文编号：1305861