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《华中科技大学》 2010年
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基于网络效用最大化的无线Mesh网跨层优化算法研究

李可维  
【摘要】: 随着经济的发展、社会的进步,人们对无线通信的要求也不断提升。使用者期望无线Mesh网络能以更低廉的价格提供更快的传输速率,更多样的业务以及更可靠的服务。网络的分层设计虽然降低了复杂性而且易于模块化和标准化,但在网络性能上只能做到每层的局部优化,而达不到全局最优,这使得全网的效率和性能都有所降低。在有线网络中,网络的高容量和高可靠性掩盖了分层设计的这些负面影响。而无线链路性能较差,且无线信道状态与网络拓扑均随着时间变化,使得分层设计的网络性能并不理想。特别是对于有严格的性能要求,针对孤立的单层所设计的协议,往往会在层间产生消极的影响,显著降低端到端的性能,同时也使网络对于动态变化和干扰极度脆弱。因此,无线Mesh网络中严格的性能要求需要通过跨层设计来满足。 基于网络效用最大化的跨层优化是无线网络跨层设计的一种系统化方法。它将协议栈中各层的功能与性能要求抽象为数学优化问题中的目标函数与限制条件,用函数变量表示网络资源(如时隙、频带、功率、链路速率、能耗),将这些网络中的要素与要求以数学优化问题的形式表示出来,从而将跨层设计统一到一个完善的数学理论框架之下。 本文主要研究了采用多无线接口多信道技术的无线Mesh网络跨层优化问题,基于网络效用最大化方法对优化问题建模,并提出了相应的求解算法。主要包括联合速率控制与功率分配的多信道Mesh网跨层优化、联合信道分配与速率控制的多信道Mesh网跨层优化以及结合了无线网络随机因素的跨层优化等三个部分,对多无线多信道Mesh网络的拥塞控制、功率控制、信道分配、无线接口分配与无线链路调度等问题的联合优化建模做了一定的研究,主要内容如下: 1)联合功率分配与速率控制的无线Mesh网络跨层优化 本研究内容以网络效用最大与总功耗最小为目标,对多无线多信道的无线Mesh网络速率控制与功率控制进行联合优化,对能够动态分配多个链路功率的网络设计相应的分布式算法。该算法通过改变本征权的取值能够在网络效用与网络功耗之间取得折衷,并能根据各节点的速率要求动态调整各条链路的发射功率使得网络达到效用与功耗的联合最优。 2)联合信道分配、调度与速率控制的多无线多信道网络跨层优化 本研究内容将联合速率控制、链路调度与信道分配的跨层优化问题建模为一个混合整数非线性规划问题。首先将采用单路由的多无线多信道的Mesh网络的联合速率控制与信道分配的跨层优化问题建模为混合整数非线性规划问题,接着将联合拥塞控制、信道分配与链路调度的优化问题推广到采用多路由技术的Mesh网络中,提出了一种两步式的分布式算法,即通过放松整数约束将难以高效解决的混合整数非线性规划转化为易解决的凸规划得到问题的上界,然后在可行解集内逼近该上界获得近优解。 3)带随机因素的联合拥塞控制与功率控制的跨层优化 本研究内容基于随机网络效用最大化方法建立无线Mesh网络跨层优化模型。针对无线Mesh网中的随机数据流与无线传播环境的时变随机性,提出了一种基于机会约束规划的联合拥塞控制与功率控制的模型,并利用遗传算法对其进行了仿真验证。 本论文基于网络效用最大化的跨层优化方法研究了无线Mesh网络亟需解决的几个关键问题,为无线Mesh网从理论走向应用进行了探索性的研究。本论文的研究有助于加快该领域的实用化步伐,具有一定的理论前瞻性和实用价值。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN92

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