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多接口无线网络信道分配与路由技术研究

徐晶  
【摘要】:随着集成电路、通信网络等信息技术的快速发展,无线通信网络的研究领域呈现出几个新的研究趋势。首先,在网络架构方面,针对传统基于基站的单跳网络在覆盖范围和部署实施方面的局限性,多跳中继的网络架构被更多的应用于实际网络建设;其次,在网络资源方面,由于无线频谱资源的稀缺性和网络密集部署的趋势,以多信道、认知无线电等为代表的频谱管理技术也成为研究的热点;最后,在通信节点方面,伴随着无线收发机在小型化、低能耗、低成本方面的发展,在同一个无线节点上集成多个无线收发机已经较为普遍。因此,多接口多信道多跳无线网络成为了今后无线通信网络的发展领域之一。 多接口多信道多跳无线网络的资源分配问题较传统的单跳无线网络更为复杂。一方面,需要考虑的资源涉及到时域(链路调度)、空域(路由)、频域(信道分配)等诸多方面;另外一方面,随着普及计算的发展,原属于不同网络间的节点也可能临时接入到网络中,网络流量的突发性更为显著,网络节点间的关系更为复杂。在不同的应用场景下,无线网络资源分配的目的和问题也各不相同。在本文中,笔者考虑三个具体场景下的多接口多信道多跳无线网络的资源分配问题,并分别进行研究。 第一个场景为多跳无线接入网络。该场景下节点之间资源可以被网络控制中心所调度,资源分配的目标是网络整体吞吐量的最大化,待分配的资源包括信道和路由。本文针对不确定性突发流量对网络带来的挑战,提出了传输流约束、信道资源约束以及干扰约束条件下的资源分配联合优化模型,对路由、信道分配和链路调度联合优化问题进行了研究,提出了基于不确定流量条件下的资源分配最优解的链路调度策略。 第二个场景是多接口无线自组织网络。该场景下没有管理和调度的中心,节点之间相互协作完成应用流量的传输,资源分配的目标是快速按需的为到来流量分配传输路径。本文采用分离设计原则,分别提出了适用于该网络场景的分布式链路调度机制和路由协议。针对节点接口队列资源,给出了一种基于信道切换的接口管理策略。针对空域频域资源,提出了一种端到端时延最小化的按需路由协议框架,其路由评价指标综合考虑了节点内部的队列等待时延、信道切换代价以及重传时延等因素。 第三个场景为区域无线共享网络。该场景下同一区域内的节点可以对多个接口和多个信道的频谱资源进行非合作的竞争,资源分配的研究对象是考虑节点自私性的网络稳态性能。本文使用非合作博弈理论对异构信道的多接口节点信道分配进行了建模分析,讨论了纳什均衡的存在条件,并提出了实现纳什均衡的分布式算法。针对纳什均衡解不唯一的情况,本文给出了网络效用最大化的纳什均衡解的精炼模型,并在粒子群算法的基础上提出了相应的求解算法。


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