随机接入网络有效容量与调度算法研究

发布时间：2017-12-22 07:24

  本文关键词：随机接入网络有效容量与调度算法研究　出处：《吉林大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：随机接入的精髓是分布式控制,支持网络规模的可伸缩性,即灵活应对网络中终端数目的变化及业务量的变化。因此,随机接入受到学术界和工业界的广泛关注。然而,现有的随机接入算法只能提供基于优先级的服务质量(quality of service,QoS)保障,均无法保障时延QoS。近年来,依赖于有效容量理论的统计时延QoS保障成为研究热点。有效容量理论将排队论和信息论有机结合,提供了一个链路层的无线信道模型。基于有效容量理论,一些学者研究了集中式调度系统中面向QoS的资源分配问题,然而,由于随机接入网络中各终端服务的相关性,以及随机行为与时延QoS保障之间的冲突,关于分布式随机接入的统计时延QoS保障的研究尚属空白。基于有效容量理论,本文致力于研究具有统计时延QoS保障的随机接入算法。本文关注无线随机接入网络,包括射频(radio frequency,RF)随机接入和光无线随机接入。在本文中,随机接入网络的调度算法即为随机接入算法。针对载波侦听有效性好的RF无线通信系统,采用随机退避监听实现分布式协作接入,研究具有统计时延QoS保障的δ-吞吐量最优的CSMA(carrier sense multiple access)类随机接入算法。针对载波侦听有效性受限的光无线通信(optical wireless communications,OWC)系统,采用多包接收(multi-packet reception,MPR)技术缓解碰撞问题,研究复杂光信道下MPR的实现算法及MPR能力优化算法。在MPR使能的OWC系统中,研究具有统计时延QoS保障的ALOHA类随机接入算法。本文主要的创新工作如下。(1)针对载波侦听有效性强的RF无线通信网络,提出δ-吞吐量最优的CSMA类随机接入算法,不仅分布式实现各链路异质统计时延QoS保障,而且保持吞吐量最优的特性。吞吐量最优是指在保证无线网络稳定性的基础上达到吞吐量最大。对于现实RF无线网络,吞吐量最优更有意义。本文将CSMA随机接入网络的系统服务抽象为CSMA马尔科夫链,研究从CSMA马尔科夫链中解析各链路服务模型的方法,推导各链路的有效容量;提出时延QoS更新算法,将各链路异质统计时延QoS要求映射为对各链路分段有效容量的约束;构建受限于各链路有效容量约束的对数似然最大的优化问题。在满足分段有效容量约束的前提下,当各链路的平均服务速率趋近于相应的平均到达速率时,到达矢量与服务矢量的对数似然比最大,从而达到吞吐量最优。探索该优化问题Lagrange乘子递归方程与队长演化方程之间的关系,实现全局优化问题本地化求解,得到传输紧迫度(transmission aggressiveness,TA)与队长、短期时延QoS要求等本地信息之间的关系,从而实现全分布式地具有时延QoS保障的随机接入。此外,本文利用队列稳定性理论证明δ-吞吐量最优CSMA类随机接入算法的稳定性。仿真结果表明本文提出的算法的有效性。(2)研究星型拓扑OWC系统中MPR的具体实现算法以提高系统的吞吐量增益。考虑到室外OWC系统中信道的强随机性,在物理(physical,PHY)层采用RO-MMSE-SIC(reliability ordering with minimum mean square error successive interference cancellation)信号检测算法使协调器实现MPR能力;考虑SIC类信号检测算法的误码传递特性,推导RO-MMSE-SIC信号检测算法的BER(bit error rate)表达式,并且采用Monte Carlo仿真验证BER表达式的准确性;基于得到的BER表达式,提出MPR能力自适应优化算法,协调器将根据信道随机性强度的变化调整MPR能力,以满足业务BER要求。仿真结果表明,协调器选择的MPR能力随着信道随机性强度的增大而减小。(3)研究星型拓扑室内OWC系统中具有统计时延QoS保障的ALOHA类随机接入算法。由于OWC中光的方向性,载波侦听的有效性受到限制,因此本文采用MPR技术缓解随机接入的碰撞问题。(1)针对同质统计时延QoS要求,考虑到系统的双重随机性,包括室内OWC信道遮挡随机性与ALOHA接入机制随机性,基于有效容量理论,推导MPR使能的OWC系统的聚合有效容量;将受限于同质统计时延QoS约束的ALOHA类随机接入问题构建为系统聚合有效容量最大的优化问题,并且采用野草优化(invasive weed optimization,IWO)算法求解此优化问题。(2)针对异质统计时延QoS要求,在PHY层采用SIC类信号检测算法实现MPR。MAC层ALOHA类随机接入影响同时传输的终端集合出现的概率,进而影响PHY层SIC类信号检测算法的SINR(signal to interference plus noise ratio)性能;SIC类信号检测算法影响各终端的可达传输速率,进而影响终端的统计时延特性与系统的吞吐量。本文提出可行传输状态的概念,研究可行传输状态的概率分布,将PHY层SIC技术与MAC层接入的相互影响抽象为对终端瞬时服务速率的概率分布的影响,推导终端的有效容量表达式;将提供异质统计时延QoS保障的ALOHA类随机接入问题构建为受限于各终端有效容量约束的饱和吞吐量最大的优化问题,采用基于Pareto优化的IWO算法求解此优化问题,得到各终端的接入概率。仿真结果表明,MPR技术缓解了随机接入的碰撞问题,并且本文提出的算法充分利用了系统的MPR能力。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN915.6

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本文编号：1318932