支持干擾管理的無(wú)線并發(fā)通信協(xié)議及算法.pdf

1、伴隨著各類移動(dòng)設(shè)備和智能終端的迅猛普及，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)得到飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。但是，目前的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在傳輸性能、可靠性與可擴(kuò)展性等方面已經(jīng)不能滿足不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用需求。因此，提升無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的并發(fā)通信能力，是一項(xiàng)十分重要且迫在眉睫的任務(wù)。
　　并發(fā)通信帶來(lái)的同信道干擾會(huì)影響傳輸信號(hào)的正確接收，這嚴(yán)重限制了無(wú)線通信的傳輸并發(fā)度，成為制約無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的關(guān)鍵因素。以干擾消除及MIMO為代表的干擾管理技術(shù)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)物理層技術(shù)的新進(jìn)展，通過(guò)從干擾

2、信號(hào)中解碼多個(gè)報(bào)文來(lái)挖掘并發(fā)通信能力，突破了無(wú)線通信傳統(tǒng)技術(shù)思路對(duì)并發(fā)通信的限制，從而極大地提高了無(wú)線通信的傳輸性能。但干擾管理技術(shù)對(duì)無(wú)線并發(fā)通信及網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的促進(jìn)和提升，需要借助于相應(yīng)的傳輸協(xié)議及調(diào)度算法，如信道資源分配、鏈路調(diào)度、能耗優(yōu)化、可擴(kuò)展性以及分布式策略等。
　　本文系統(tǒng)研究了利用干擾管理技術(shù)提高無(wú)線并發(fā)通信傳輸性能的關(guān)鍵技術(shù)：在支持干擾管理技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，研究建立新的干擾模型及信號(hào)接收模型，使其滿足無(wú)線網(wǎng)絡(luò)并發(fā)通

3、信的需求、約束與目標(biāo)；為支持干擾管理技術(shù)，設(shè)計(jì)、優(yōu)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)并發(fā)通信傳輸協(xié)議及調(diào)度算法。論文的主要研究?jī)?nèi)容與研究成果如下：
　?。?）針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)頻繁沖突，傳輸性能低效的問(wèn)題，研究了利用已知干擾消除技術(shù)來(lái)處理其中的報(bào)文沖突，設(shè)計(jì)了部分報(bào)文重傳機(jī)制以增強(qiáng)沖突信號(hào)消解的可能性，并以此為基礎(chǔ)提出了一個(gè)全分布式的沖突消解 MAC協(xié)議——CR-MAC。相比于傳統(tǒng)的基于報(bào)文重傳的MAC協(xié)議，由于充分利用了沖突信號(hào)所包含的有效報(bào)文信息，CR

4、-MAC協(xié)議能夠精簡(jiǎn)發(fā)生報(bào)文沖突后所需的報(bào)文重傳時(shí)間。此外，擴(kuò)展經(jīng)典的Bianchi模型和Malone模型，分別分析了CR-MAC協(xié)議在飽和及非飽和兩種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的傳輸性能，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了性能分析模型的準(zhǔn)確性。最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在網(wǎng)絡(luò)吞吐率及預(yù)期報(bào)文時(shí)延這兩項(xiàng)指標(biāo)上， CR-MAC協(xié)議較IEEE802.11 DCF協(xié)議具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。
　?。?）在支持相繼干擾消除技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中將鏈路調(diào)度及功率控制兩個(gè)相關(guān)問(wèn)題統(tǒng)一成為

5、一個(gè)聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題；針對(duì)該聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題，在累積干擾模型的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)刻畫SIC順序檢測(cè)特性的干擾模型SIC-PHY，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一個(gè)評(píng)估算法 LTC-EA來(lái)求解并發(fā)鏈路集中的鏈路傳輸容量；以數(shù)學(xué)規(guī)劃的方式建立了一個(gè)SIC網(wǎng)絡(luò)最大容量問(wèn)題的形式化模型CMP-SIC，兼顧了鏈路調(diào)度以及功率控制的影響，并證明CMP-SIC的問(wèn)題復(fù)雜度為NP-hard；針對(duì)CMP-SIC問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于遺傳算法的高效求解算法GA-SIC，最后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了GA

6、-SIC的良好性能。
　　（3）在多用戶 MIMO網(wǎng)絡(luò)中研究了其最小長(zhǎng)度鏈路調(diào)度問(wèn)題 MU-MIMO MLLS：為刻畫多用戶 MIMO網(wǎng)絡(luò)中各并發(fā)通信鏈路之間的多干擾關(guān)系，提出了一個(gè)基于超圖的多干擾模型HG-MI；對(duì)MU-MIMO MLLS問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)學(xué)形式化描述，分別建立了其整數(shù)規(guī)劃模型IP-MU MLLS以及基于超圖的數(shù)學(xué)模型HG-MU MLLS，并證明了MU-MIMO MLLS的問(wèn)題復(fù)雜度為NP-hard；設(shè)計(jì)了兩個(gè)相應(yīng)的求

7、解算法，第一個(gè)是確保性能的近似算法，其近似比被證明至多為，第二個(gè)是基于干擾度貪婪思想的啟發(fā)式算法，大幅度地降低了求解算法的時(shí)間復(fù)雜度；最后，對(duì)兩個(gè)求解算法進(jìn)行了性能評(píng)測(cè)，為將來(lái)可能的實(shí)際應(yīng)用指明了方向。
　　（4）研究基于MIMO鏈路的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能效路由協(xié)議設(shè)計(jì)，提出了一種基于貪婪思想的能效路由協(xié)議GEER。在該協(xié)議中，建立了一個(gè)MIMO鏈路的能耗模型，該模型能夠通過(guò)權(quán)衡復(fù)用增益和分集增益之間的取舍，并以此調(diào)整天線陣列傳輸模式來(lái)最小

8、化MIMO鏈路的能量消耗；提出了一個(gè)貪心路由發(fā)現(xiàn)算法和自適應(yīng)路由應(yīng)答機(jī)制，加速了路由創(chuàng)建過(guò)程并減少了相應(yīng)的協(xié)議開銷；設(shè)計(jì)了一種輕量級(jí)的路由維護(hù)機(jī)制以自適應(yīng)調(diào)整路由路徑的修復(fù)和重建。最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GEER協(xié)議可以顯著降低MIMO無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸能耗。
　　綜上所述，本文結(jié)合無(wú)線通信中干擾管理技術(shù)的最新進(jìn)展，改變了盡量避免干擾、減少?zèng)_突的傳統(tǒng)思路，提出了處理及挖掘干擾信號(hào)來(lái)支持并發(fā)通信的新思路，突破了傳統(tǒng)無(wú)線通信對(duì)并發(fā)通信的限制，