双向中继系统传输策略与性能研究

发布时间：2017-12-24 07:32

本文关键词：双向中继系统传输策略与性能研究　出处：《中国矿业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：无线双向中继通信系统作为一种常见的通信方式,其用户节点通过中继节点的协作来实现数据的交换,中继节点可以采用网络编码的方式来提高数据的传输效率、降低数据传输的单位能量消耗。在无线双向传输中,数据负载的传输伴随着大量的附加开销,如PLCP(物理层汇聚协议)层中的前导符,以及信道信息的获取和调度信息的传输,因此在传输策略的设计和性能分析时,开销需要被考虑进来,但是目前已有的研究均没有考虑开销对系统性能的影响。缓存空间作为一种有限资源,可以在中继转发过程中用来存储已经正确接收到的数据包,使中继节点在更合适的时隙将之发送出去,从而提高系统的平均吞吐量。然而目前对双向中继系统的研究大都集中于系统可达速率的优化,提高吞吐量与降低能量消耗之间的折中,以及在特定排队时延限制下系统所能取得的性能,有限缓存空间对双向中继系统性能的影响尚未被充分研究。另外,由于无线链路的损耗特性,数据包在无线链路的传输中必然存在着一定的非零失败概率,而目前已有的相关研究大都是建立在数据可以无误差传输的假设上。为此,本文在已有相关文献的基础上,对基于有限缓存、链路有损以及开销不可忽略的双向中继系统传输策略和性能进行分析。本文主要的创新和贡献可以归纳为:(1)在高斯信道下,提出一种无调度双向中继传输策略:针对调度需要大量信令开销,从而造成系统吞吐量严重受损的现象,提出了一种无需调度的随机网络编码传输策略,该策略考虑了缓存有限、链路存在损耗、信令开销不可忽略等特点。经过数学分析,给出了系统吞吐量、平均队长、溢出概率以及排队时延等性能的闭式解。通过对闭式解进行分析,文章给出四条定理以及证明,定理指出:在考虑信令开销、链路存在损耗、缓存有限、没有调度的情况下,基于网络编码的双向中继系统吞吐量是一个关于缓存大小的单调递增凹函数;当缓存空间大于一定值时,双向中继系统的缓存溢出概率是一个关于缓存大小的单调递减凸函数;当缓存大于特定值时,双向中继系统的平均队列长度是一个关于缓存大小的递增近似线性函数;双向中继系统的平均排队时延是一个关于缓存大小的递增线性函数。无调度的传输策略在考虑信令开销、链路损耗、有限缓存等条件下,在数据包不太大时,所取得的系统吞吐量要优于已有的最好双向中继传输策略,在考虑信令开销的情况下,相比于已有最优策略,文章所提策略的吞吐量增益达到近20%。另外文章所推导出的定理显示,通过增加缓存空间可以有效地提高系统的吞吐量。在考虑信令开销的情况下,通过增加缓存空间,可以增加9.5%的系统吞吐量。(2)针对有调度的双向转发策略,提出一种分组马尔科夫分析模型:无调度中继传输中存在着缓存溢出的现象,且在链路质量较差或严重不对称时,通信资源得不到充分利用。当缓存存在时,调度可以有效的避免这类问题,因此,基于调度的双向中继转发仍然具有研究价值。目前尚未有模型可以精准分析基于调度的双向中继传输策略,因此本文提出了一种分组马尔科夫模型来对存在调度的双向中继传输系统进行分析。中继节点和用户节点传输后所形成的状态各自构成一个马尔科夫平面,通过投影,该模型可以被转化为一个普通的二维马尔科夫模型。该投影形成的马尔科夫模型避免了中继节点和用户节点发送数据所造成的马尔科夫状态混淆问题。此外,基于矩阵降维和施密特变换等理论,文章还提出了一种马尔科夫链简化求解算法,该方法可以有效降低求解马尔科夫链的计算复杂度,直接求出马尔科夫链稳态概率的闭式解。(3)在衰落信道和固定速率传输的情况下,本文首次基于排队理论给出最佳传输的KKT条件,进而求出最优化传输决策方案。该KKT条件可以将固定速率传输下系统所能取得的平均有效传输速率进行最优化。相比于衰落信道下在固定速率下的无调度传输,基于KKT条件的最优化传输可以取得10%的吞吐量增益。(4)为限制系统排队时延,本文给出一种有限调度饥饿队列传输方案:基于KKT条件的最优化传输需要频繁的信令传输作支撑,且没考虑系统的延迟问题。在实现调度的前提下,饥饿队列方案利用载波侦听机制来有效减小信令开销。该方案进一步验证了分组马尔科夫模型的准确性。仿真证明,该折中方案在不考虑开销时所达到的吞吐量介于最佳的KKT策略和随机网络编码传输策略之间;在考虑开销时,该折中方案可以取得最优的系统吞吐量,相较于KKT条件传输所取得的吞吐量,饥饿队列传输的吞吐量增益为14.3%。该方案将调度对系统带来的有利和不利进行了折中。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN92

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