无线网络中基于干扰消除的集中式和分布式算法研究

发布时间：2018-02-24 14:45

  本文关键词： 跨层优化 无线多跳网络 干扰消除 调度算法　出处：《宁波大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：无线网络无需固定基础设施建设即能实现节点间端到端无线数据传输,具有成本低、扩展能力强等特点,广泛应用于军事与民用通信、环境监控、远程医疗等领域。由于受到无线信道频谱共享以及无线节点资源(如功率、计算能力)受限等因素影响,无线网络性能很大程度上取决于网络对无线链路干扰管理能力。现有研究采用随机接入(如CSMA)或者确定接入(如TDMA、FDMA、CDMA),在设计方法上避免网络中相邻无线链路间干扰。以上传统设计方法在保证链路传输成功率的同时降低了无线网络中并发链路数(谱空间重用),从而限制了网络性能提升。近年来,研究者逐渐认识到进一步挖掘链路的干扰特性(如采用连续干扰消除、并行干扰消除以及中继协作等)能够提高网络中并发链路数。在无线网络领域,分层设计方法独立考虑各个协议层的优化不能充分利用整个系统中有限的资源。通过联合多个协议层进行全局优化,跨层设计方法能够实现更高的资源利用率,网络性能得到更大幅度的提升。本文以端到端网络吞吐量最大化为优化目标,基于干扰消除技术与跨层优化技术,研究与设计提升无线多跳网络性能的集中式与分布式算法。主要研究成果归纳如下:(1)研究多传输速率无线网络中基于干扰消除跨层优化算法。首先,联合路由、链路调度与端到端速率控制问题,基于干扰消除技术与多速率物理干扰模型建立无线多跳网络跨层优化框架;其次,为降低算法复杂度,采用列生成技术将上述问题优化分解为速率控制子问题与路由、链路调度子问题,其中前者被转化为较容易求解的线性规划问题,后者被转化为整数规划问题;最后,针对上述整数规划问题提出了基于搜索树的贪婪算法和基于模拟退火的启发式算法。仿真结果验证了多速率链路能够进一步增加无线多跳网络中干扰消除容量,所提出算法有利于提高网络吞吐量。(2)研究联合功率优化与干扰消除的跨层优化算法。考虑无线多跳网络中传输节点功率控制问题,进一步将上述基于多传输速率的网络跨层问题扩展为功率优化与干扰消除联合优化问题。与之前研究工作的不同之处在于我们将功率控制问题划分为离散功率控制问题与连续功率控制问题,并研究联合功率优化与干扰消除技术在多速率无线网络中的影响。引入功率控制,跨层优化框架中调度子问题存在非线性约束条件,利用辅助变量对该约束进行线性化处理并将调度子问题转化为(混合)整数规划问题。采用CPLEX解决器求解上述问题,仿真结果表明,相比无功率控制的跨层优化方案,联合功率控制算法具有更高的吞吐量性能增益。(3)研究无线多跳网络中基于干扰消除的分布式算法。分布式算法能有效降低网络中控制信息开销,更加适合于网络的实际部署。因此,我们在集中式算法研究成果的基础上分析与研究无线多跳网络中基于干扰消除的分布式解决方案。在分布式方案中我们采用back-pressure路由策略,并基于干扰消除的物理干扰模型,引入干扰局部处理方法对网络中节点干扰区域进行限定,提出基于局部干扰信息的分布式调度算法。仿真结果验证了该算法的有效性。
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【学位授予单位】：宁波大学
【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：1530658