大规模无线网络中的中继选择方案研究

发布时间：2018-01-06 05:05

本文关键词：大规模无线网络中的中继选择方案研究　出处：《西安电子科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：协作中继技术由于能够有效提升网络的传输性能,近年来吸引了各大高校与研究机构的广泛关注。作为一种虚拟多输入多输出(MIMO)技术,协作网络中的用户可以利用中继节点的天线获得多条独立衰落的传输路径,从而达到抗衰落与干扰的目的。因此该技术能够很好地应用于难以架设多个发射接收天线的网络环境之中。协作中继技术的发展经历了最初的单中继传输,多中继传输,以至于目前的中继选择传输阶段。对于拥有多个中继节点的网络来说,中继选择协议具有分配网络节点资源,平衡用户需求并提升网络容量的作用,因而成为了协作通信中的关键研究课题之一。然而目前的中继选择方案大多专注于传统少量节点环境的讨论。随着网络规模的不断增大,以及中继节点数量的不断增多,经典选择算法由于关注目标、选择开销以及复杂度等问题,可能难以直接应用于大规模中继网络之中,因此能否针对此种网络的需求和限制,设计具有针对性的中继选择方案就十分重要了。基于该课题,本文集中讨论了大规模无线网络中的中继选择方案相关设计问题,主要贡献如下：1、针对大规模协作认知无线网中用户对降低等待时延的需求问题,设计了一种基于Stackelberg博弈模型的中继分配方案。不同于引入外来次用户的传统结构,该方案通过将用户划分为临时主次群体从而构造出一种自形成认知无线网络环境,其中临时次用户可以作为中继协助临时主用户的传输,并购买其空闲时段使用授权信道,从而提升了网络本身的资源利用率并避免了潜在的安全问题。在此基础上,基于降低时延与控制开销的综合考量设计了各节点的收益函数,并证明了任意中继与用户间存在有唯一的博弈均衡点,即最优协作点。同时通过采用匈牙利算法,最终可以得到最优的“用户-中继”分配策略。仿真结果验证了所述方案能够有效降低网络用户的平均等待时延,同时性能优于非协作的方案。2、考虑到蜂窝通信网的分区极限,未来网络可能具有大量难以枚举的随机分布中继节点,因此用户与中继之间很难彼此收集实时信息。在这种大规模盲网络环境下,针对基于穷举对比的选择方案难以实施等问题,设计了一种基于时隙ALOHA协议的随机中继选择方案。该方案依据满足用户传输需求的中继数量分布与特定区域面积之间的关系,提出了预选择广播机制从而大幅缩减了参与随机选择的中继数量,并且其分布不受到中继密度的影响。同时,时隙ALOHA协议的引入令满足需求的少量中继通过随机竞争接入的形式进行最终选择。此外,推导了方案的失败概率与期望传输速率等参数表达式。仿真结果表明,与要求完整中继信息的理想方案相比,所述方案不需要预先收集任何中继的实时信息即能够获得与之相近的传输性能,并具有较为优秀的收敛速度。3、为了进一步提升随机中继选择的性能,并且针对现有方案难以兼顾中继对比与缩减开销的不足,设计了一种基于贪婪机制的改进型随机中继选择方案。该方案允许用户在缺少中继密度的情况下无需调整速率需求,同时贪婪机制的引入使得用户可以在中继成功选择之后进行等待,通过牺牲部分选择开销来获取性能更优的中继。此外,由于随机接入过程中的参与节点会不断减少,因而为中继设计了可根据竞争者数量自适应变化的接入概率来最大化每一时隙的成功选择概率,并且根据不同时隙的状态转移关系推导出了平均选择时隙数以及选择失败概率。仿真结果表明,所述方案能够在网络中用户同时缺少中继实时与统计信息的前提下,在瞬时速率和选择开销间获得平衡,最终达到优于传统随机中继选择方案的性能。4、由于随机选择难以保证最优中继的选取,因此其性能表现存在有缺陷。针对这一问题,设计了一种在大规模随机网络下基于分裂算法的最优中继选择方案。方案基本思路是针对中继区域面积不断优化使得只有一个中继落入其中。由于引入了随机几何概念,可以确保用户传输需求与满足需求的中继数量分布之间存在一一对应的关系。因此不同于随机选择,本方案可以确保获取最优性能中继。同时,分裂算法的采用可以有效化解多个中继间的冲突。针对可用中继数量分布的不同分布模式,方案被划分为两个次序性阶段。在此基础上,推导了方案平均开销的表达式,并同时给出了令选择消费时隙数最少的方案最优解与基于曲线近似的低复杂度次优解。结合仿真结果,所述方案在确保最优中继的前提下,具有相比随机选择方案更少的选择开销,因而能够获得更为优秀的时均性能。
[Abstract]:As a kind of virtual multi - input multiple - output ( MIMO ) technology , users can use relay nodes to obtain multiple independent fading transmission paths . A scheme for optimal relay selection based on splitting algorithm in large - scale random network is designed .

【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN92

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