基于可再生能源的M2M网络优化研究

论文摘要

M2M网络是最近无线通信领域的一个新兴的研究课题，同时绿色通信是无线通信中所倡导的主题，可再生能源的利用，正体现了这一主题的要求。本论文把M2M网络和绿色通信结合在一起进行探讨，研究在M2M网络中，存在可再生能源节点的情况下，如何利用可再生能源的特性，进行流控制及传输算法的设计，使网络的性能达到最优或渐近最优。M2M网络的特点在于具有基站，且节点数量巨大，使其在算法设计及分析上，与传统蜂窝网络及无线传感网络有所不同；并且由于网络节点是利用可再用能源的节点，使得能量约束条件不再是最小化能量消耗，而是如何最充分最合理地对能量进行利用，使得能量的利用即不透支，也不浪费。首先，我们研究了单跳单链路、时隙固定分配、以及新的能量约束条件下，如何确定发送速率，使得开销最小的问题。我们采用求导求极值的方法，得到了最优解。第二，为了解决时隙动态分配情况下的网络性能优化问题，我们提出了虚拟队列的概念，并采用了Lyapunov Drift分析法，给出了流控制及传输算法，得到了渐近最优的吞吐量下界。所提出的算法具有计算复杂度低、与数据产生及信道的统计模型等无关的特点，能够满足实时性及普适性的要求。第三，我们把问题扩展到多跳多链路的情况，提出了低复杂度的流控制及传输算法，得到了多条数据链路同时传输、并且满足延迟及能量约束的情况下的渐近最优的吞吐量下界。最后，我们进一步考虑节点的公平性要求，分别构建了节点能量消耗，以及传输费用这两个“公平性”模型，提出了相应的流控制及传输算法，在满足公平性条件的情况下得到了渐近最优的网络性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 M2M 网络
• 1.1.1 什么是 M2M 网络
• 1.1.2 M2M 网络的网络架构
• 1.1.3 M2M 网络与传统的峰窝网络的对比
• 1.1.4 M2M 网络与无线传感网的对比
• 1.1.5 M2M 网络结合可再生能源的意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 利用传统电池能量的算法研究
• 1.2.2 利用可再生能量的算法研究
• 1.3 研究方法
• 1.4 论文结构
• 第2章 单跳时隙静态分配网络的优化问题
• 2.1 网络模型
• 2.2 优化目标
• 2.3 分析求解
• 2.4 仿真结果
• 2.5 小结
• 第3章 单跳时隙动态分配网络优化问题
• 3.1 引言
• 3.2 网络模型
• 3.3 优化目标
• 3.3.1 虚拟能量队列
• 3.3.2 次优化目标
• 3.4 流控制及传输算法
• 3.5 性能分析
• 3.5.1 吞吐量的下界
• 3.5.2 延迟上界
• 3.5.3 平均剩余能量
• 3.6 仿真结果
• 3.7 小结
• 第4章 多跳时隙动态分配网络优化问题
• 4.1 引言
• 4.2 网络模型
• 4.3 优化目标
• 4.4 流控制及传输算法
• 4.5 性能分析
• 4.5.1 吞吐量的下界
• 4.5.2 队列长度的上界
• 4.5.3 延迟的上界
• 4.5.4 平均剩余能量
• 4.6 仿真结果
• 4.7 小结
• 第5章 能量消耗公平性算法
• 5.1 引言
• 5.2 优化目标
• 5.3 流控制及传输算法
• 5.4 性能分析
• 5.4.1 吞吐量的下界
• 5.4.2 公平性的分析
• 5.5 小结
• 第6章 收支公平性算法
• 6.1 引言
• 6.2 网络模型
• 6.3 优化目标
• 6.4 流控制及传输算法
• 6.5 性能分析
• 6.6 小结
• 第7章 论文的总结和未来的研究工作
• 7.1 论文的总结
• 7.2 未来的研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A Lyapunov drift 分析法
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果