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下一代无线多跳中继网络资源分配与组网技术研究

作　者: 向征
导　师: 方旭明
学　校: 西南交通大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 多跳中继正交频分多址接入路由算法切换策略资源分配比例公平性非合作博弈能效比
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,无线移动通信技术取得了巨大的进步,其中最具有代表性的两项技术就是多跳中继技术和正交频分多址接入(OFDMA)技术。多跳中继技术将原来的信道质量较差的单跳无线链路,分解成信道质量较好的多跳无线链路,从而实现了提升链路容量、扩展网络覆盖区域等目的。另一方面,在正交频分复用(OFDM)技术上所发展而来的OFDMA多址技术,不仅可以通过在子载波上适当添加循环前缀来消除码间干扰,更能灵活地为不同用户分配不同的子载波以及子载波上的功率,借助多用户分集技术使网络吞吐量显著提高。因此,有必要对主要应用以上两种新技术的下一代无线多跳中继网络的各项关键组网技术进行讨论。本文采用最优化理论、博弈论和定价机制等多种研究手段,围绕下一代无线多跳中继网络的路由算法、切换策略、以及资源分配等问题,进行了深入的分析和研究,最终达到提升网络整体性能的目的。首先,为了提高无线多跳网络端到端吞吐量,并且减小端到端延时,本文提出了一种基于网络编码的AODV路由算法。路由算法对无线多跳网络性能起着至关重要的作用,而网络编码作为一个新兴的通信技术也被广泛应用。本文提出的基于网络编码的AODV路由算法通过在原有AODV路由算法中加入包含队列和定时器的网络编码模块,以及在数据包的包头也加入网络编码包头,实现了对网络编码的融合。该方案既简单且易于实现,产生的开销也较少。仿真结果表明,在设定的拓扑场景下,该方案能提高网络的吞吐量,同时也能减少数据包的平均端到端延时,达到提升网络性能的目的。由于该路由算法是针对一般无线多跳网络的网络层所提出,与具体节点的物理层和MAC层实现方式无关,因此可以应用于使用各种物理层及MAC层技术的下一代无线多跳中继网络的组网之中。接着,为了解决与GSM-R网络可靠性有重要联系的越区切换问题,本文提出了一种基于多跳中继技术的切换策略。由于列车的高速移动更会给接收信号带来严重的多普勒频移,使用传统GSM-R网络切换策略无法达到较高的切换成功率。在本文提出的利用中继站辅助切换的策略中,多个中继站被设置在相邻小区的重叠区中,为列车提供辅助切换的信号。而GSM-R网络控制信道复帧也作了相应修改,以避免中继站与基站的同频干扰。移动台在切换时不仅要检测相邻基站的信号,而且还将对重叠区中的中继站信号进行检测,最后再进行切换判决。数值仿真结果表明,采用本文提出的基于中继站辅助切换策略的切换中断率明显小于采用传统GSM-R网络切换策略时的情况,因此提高了列车越区切换的成功率。随后,本文运用最优化理论,研究了基于OFDMA多址技术的无线多跳蜂窝网资源分配问题。以前对基于OFDMA多址技术的无线网络资源分配的研究,通常只是考虑单小区、单跳下行或单跳上行的场景,所提出的算法不能直接应用到无线多跳蜂窝网场景之中。为了减少无线多跳蜂窝网资源分配策略研究的复杂度,首先用树形分层拓扑结构描述了整个OFDMA无线多跳蜂窝网,作为后续建立优化目标函数的基础。随后,对应速率自适应(RA)和余量自适应(MA)两种优化类型,分别建立了以网络吞吐量和系统总发射功率为优化目标的目标函数,并且给出了各目标函数的约束限制条件。在尽量减少计算复杂度的前提下,提出了分别对应两个目标函数的次优子载波及功率分配策略。通过仿真分析可以得出,相比于传统的OFDM-TDMA等固定资源分配策略,本文所提出的资源分配策略,在提升网络吞吐量或减小系统发射功率的情况下,能有效地保持系统链路的比例公平性。最后,本文引入博弈论及定价机制,研究了基于OFDMA多址技术的无线多跳中继网络上行链路资源分配问题。首先,在最大发射功率等约束条件下,建立了多小区OFDMA无线多跳中继网络上行链路的资源分配优化模型。将非合作博弈论和定价机制引入后,该优化问题可转化为在每个子信道上独立地进行功率分配。基于非合作博弈的功率分配模型中的纳什均衡点的存在性和唯一性得到了证明,并给出了具体的分布式迭代求解算法。该算法只与小区数量和系统子载波数量等系统参数有关,因而具有广泛的适用场景。仿真结果表明,所提算法能在大幅减少系统总发射功率的情况下,有效地提升系统吞吐量,达到较高的能效比。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-16
第1章绪论  16-26
  1.1 无线多跳中继技术概述  16-19
    1.1.1 无线多跳中继网络结构  17
    1.1.2 无线多跳中继网络关键技术及其研究现状  17-19
  1.2 基于多跳中继技术的无线蜂窝网高可靠性切换算法研究现状  19
  1.3 基于最优化理论的OFDMA无线网络资源分配研究现状  19-22
  1.4 博弈论及定价机制概述  22-24
    1.4.1 博弈的要素及分类  23
    1.4.2 纳什均衡与定价机制  23-24
    1.4.3 博弈论及定价机制在OFDMA无线网络资源分配研究中的应用  24
  1.5 本文的研究思路、论文内容组织及主要贡献  24-26
第2章基于网络编码的无线多跳网络路由机制  26-35
  2.1 网络编码原理及研究现状  26-29
    2.1.1 网络编码原理  26-27
    2.1.2 网络编码研究现状  27-28
    2.1.3 网络编码在无线多跳网络路由算法研究中的应用  28-29
  2.2 基于网络编码的AODV路由算法  29-31
    2.2.1 无线Ad hoc网络AODV路由算法  29-30
    2.2.2 基于网络编码的AODV路由算法的实现  30-31
  2.3 算法仿真与性能评价  31-34
  2.4 本章小结  34-35
第3章基于中继站辅助的GSM-R网络切换策略  35-49
  3.1 GSM-R网络简介  35-36
  3.2 GSM-R网络切换策略概述  36-39
    3.2.1 GSM-R网络越区切换过程及评价参数  37-38
    3.2.2 GSM-R网络切换策略研究现状  38-39
  3.3 GSM-R网络切换原理分析  39-43
    3.3.1 GSM-R网络传统切换策略  39-40
    3.3.2 GSM-R网络基于中继站辅助的切换策略分析  40-43
    3.3.3 GSM-R网络基于中继站辅助的切换策略信令交互过程  43
  3.4 数值仿真与分析  43-48
  3.5 本章小结  48-49
第4章基于最优化理论的OFDMA无线多跳蜂窝网资源分配策略  49-74
  4.1 基于OFDMA多址技术的无线多跳蜂窝网  49-50
  4.2 基于OFDMA多址技术的无线网络资源分配研究现状  50-51
  4.3 OFDMA无线多跳蜂窝网的树形分层结构  51-53
  4.4 基于系统容量最大化的资源分配策略  53-65
    4.4.1 OFDMA无线多跳蜂窝网优化目标函数  53-54
    4.4.2 次优化自适应资源分配策略  54-61
    4.4.3 数值仿真与分析  61-65
  4.5 基于系统发射功率最小化的资源分配策略  65-73
    4.5.1 OFDMA无线多跳蜂窝网优化目标函数  65-66
    4.5.2 次优化自适应资源分配策略  66-70
    4.5.3 数值仿真与分析  70-73
  4.6 本章小结  73-74
第5章基于非合作博弈的OFDMA无线多跳中继网络上行链路资源分配算法  74-87
  5.1 OFDMA无线多跳中继网络资源分配研究现状  74-75
  5.2 系统模型  75-77
  5.3 基于非合作博弈的资源分配算法  77-86
    5.3.1 非合作博弈模型  77-78
    5.3.2 纳什均衡点的存在性和唯一性  78-80
    5.3.3 求解算法  80-81
    5.3.4 数值仿真与分析  81-86
  5.4 本章小结  86-87
第6章结论与展望  87-90
  6.1 本文工作总结  87-88
  6.2 今后工作展望  88-90
致谢  90-91
参考文献  91-100
攻读博士学位期间发表、录用和完成的论文  100-101

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