基于优化协作的无线Ad Hoc网络的跨层资源分配机制研究

论文摘要

无线Ad Hoc网络是一种不需要任何基础设施支撑、无中心基站的自组织网络,它也是一种可以随时随地构建通信系统的自治网络。由于无线网络资源(如频谱和功率等)是有限的,用户共享这些资源,这就要求网络资源必须合理有效地配置。资源配置的是否合理主要是看使用所分配的资源的这些用户之间是否会发生冲突、干扰彼此的通信以及导致链路的拥塞等。此外,由于无线Ad Hoc网络的节点是由一些便携的设备组成,这些设备的能量通常是由能量有限的电池供给的,因此对网络功耗的研究也非常重要。本文主要是基于这些情况进行研究分析。网络拥塞控制与网络资源的分配是相辅相成的。由于无线网络的拥塞的发生主要是由于网络资源分配不合理造成的,即使是某些网络资源得到了充分地保证,但由于无线链路之间存在干扰,数据传输仍然不能成功。所以通过设计资源分配策略来控制拥塞的发生具有重要的研究价值。本文通过建立关于节点速率的网络利用率函数最大化和功耗最小化的优化模型,考虑物理层的链路传输功率和MAC(Media Access Control)层的链路传输时间这些资源的分配,来调节源节点的发送速率,从而可以控制网络的拥塞,有效地利用网络资源,最终达到网络利用率最大化和网络整体功耗最小化之间的折中。本文通过仿真实验验证了在满足服务质量要求的条件下,所提出的资源分配算法可以节省网络功率的消耗、提高网络的整体性能。由于网络的能量是有限的,所以应该尽量节省网络能量的消耗。于是,本论文先说明网络能量的消耗与节点的传输速率之间的密切关系,进而提出了关于节点传输速率的网络利用率函数和网络寿命函数最大化的联合最优化模型,从而实现了传输层的速率控制、MAC层的竞争控制和节点的能耗限制。本论文运用凸优化理论,将该最优化问题优化分解为若干子问题,逐个解决,每个子问题就是关于一种网络资源的配置,进而提出相应的分布式算法。通过链路的拥塞代价和节点的能量代价进行实时地交互,使各个子问题及时地做出正确的决策。尽管网络利用率和网路寿命是两个相互冲突指标,但是本论文所提出的算法还是可以达到网络利用率和网络寿命最大化之间的平衡。最后,本论文通过在一个简单的无线Ad Hoc网络上进行仿真实验,验证了本论文所提出的分布式算法的有效性和收敛性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 无线Ad Hoc 网络概述
• 1.1.1 无线Ad Hoc 网络的概念
• 1.1.2 无线Ad Hoc 网络的主要特征
• 1.2 无线Ad Hoc 网络的国内外研究现状和应用
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 无线Ad Hoc 网络的应用
• 1.3 论文研究的目的和意义
• 1.3.1 论文研究的目的
• 1.3.2 论文研究的意义
• 1.4 论文的研究工作
• 2 跨层优化理论
• 2.1 跨层设计概述
• 2.1.1 跨层设计的基本思想
• 2.1.2 跨层设计的方法和优势
• 2.1.3 跨层设计的应用
• 2.2 最优化理论
• 2.2.1 凸优化问题
• 2.2.2 拉格朗日对偶理论
• 2.2.3 子梯度方法
• 2.3 跨层联合优化框架
• 2.4 本章小结
• 3 基于网络资源优化的配置模型及通信系统的性能
• 3.1 基于效用函数的资源配置模型
• 3.1.1 基于NUM 的网络资源分配
• 3.1.2 网络资源配置中的公平性模型
• 3.2 通信系统的性能
• 3.2.1 信道容量
• 3.2.2 网络中节点能量消耗和节能机制
• 3.3 本章小结
• 4 联合拥塞控制和资源分配的跨层研究
• 4.1 相关研究
• 4.2 系统模型
• 4.2.1 网络模型
• 4.2.2 问题构建
• 4.3 最优资源分配的分布式算法
• 4.3.1 拥塞控制子问题的算法
• 4.3.2 资源分配调度子问题的算法
• 4.3.3 Column generation 算法
• 4.3.4 Column generation 的收敛性证明
• 4.4 数值仿真结果与算法性能分析
• 4.5 本章小结
• 5 联合速率控制和资源调度的网络效用-寿命的优化研究
• 5.1 相关研究
• 5.2 网络利用率-寿命平衡模型
• 5.2.1 速率控制模型
• 5.2.2 网络寿命模型
• 5.2.3 网络利用率-网络寿命平衡模型
• 5.3 网络效用-寿命跨层优化算法实现
• 5.3.1 整体优化策略
• 5.3.2 速率控制策略
• 5.3.3 竞争控制策略
• 5.4 数值仿真结果和算法性能分析
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录