大規(guī)模無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇方案研究.pdf

1、協(xié)作中繼技術(shù)由于能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能，近年來吸引了各大高校與研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。作為一種虛擬多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)，協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中的用戶可以利用中繼節(jié)點(diǎn)的天線獲得多條獨(dú)立衰落的傳輸路徑，從而達(dá)到抗衰落與干擾的目的。因此該技術(shù)能夠很好地應(yīng)用于難以架設(shè)多個(gè)發(fā)射接收天線的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之中。協(xié)作中繼技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了最初的單中繼傳輸，多中繼傳輸，以至于目前的中繼選擇傳輸階段。對(duì)于擁有多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)來說，中繼選擇協(xié)議具有分配網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源，平

2、衡用戶需求并提升網(wǎng)絡(luò)容量的作用，因而成為了協(xié)作通信中的關(guān)鍵研究課題之一。
　　然而目前的中繼選擇方案大多專注于傳統(tǒng)少量節(jié)點(diǎn)環(huán)境的討論。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷增大，以及中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不斷增多，經(jīng)典選擇算法由于關(guān)注目標(biāo)、選擇開銷以及復(fù)雜度等問題，可能難以直接應(yīng)用于大規(guī)模中繼網(wǎng)絡(luò)之中，因此能否針對(duì)此種網(wǎng)絡(luò)的需求和限制，設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的中繼選擇方案就十分重要了?；谠撜n題，本文集中討論了大規(guī)模無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的中繼選擇方案相關(guān)設(shè)計(jì)問題，主要貢獻(xiàn)如下

3、:
　　1、針對(duì)大規(guī)模協(xié)作認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)中用戶對(duì)降低等待時(shí)延的需求問題，設(shè)計(jì)了一種基于Stackelberg博弈模型的中繼分配方案。不同于引入外來次用戶的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該方案通過將用戶劃分為臨時(shí)主次群體從而構(gòu)造出一種自形成認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，其中臨時(shí)次用戶可以作為中繼協(xié)助臨時(shí)主用戶的傳輸，并購(gòu)買其空閑時(shí)段使用授權(quán)信道，從而提升了網(wǎng)絡(luò)本身的資源利用率并避免了潛在的安全問題。在此基礎(chǔ)上，基于降低時(shí)延與控制開銷的綜合考量設(shè)計(jì)了各節(jié)點(diǎn)的收益函數(shù)，并

4、證明了任意中繼與用戶間存在有唯一的博弈均衡點(diǎn)，即最優(yōu)協(xié)作點(diǎn)。同時(shí)通過采用匈牙利算法，最終可以得到最優(yōu)的“用戶-中繼”分配策略。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所述方案能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)用戶的平均等待時(shí)延，同時(shí)性能優(yōu)于非協(xié)作的方案。
　　2、考慮到蜂窩通信網(wǎng)的分區(qū)極限，未來網(wǎng)絡(luò)可能具有大量難以枚舉的隨機(jī)分布中繼節(jié)點(diǎn)，因此用戶與中繼之間很難彼此收集實(shí)時(shí)信息。在這種大規(guī)模盲網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，針對(duì)基于窮舉對(duì)比的選擇方案難以實(shí)施等問題，設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)隙ALOHA協(xié)

5、議的隨機(jī)中繼選擇方案。該方案依據(jù)滿足用戶傳輸需求的中繼數(shù)量分布與特定區(qū)域面積之間的關(guān)系，提出了預(yù)選擇廣播機(jī)制從而大幅縮減了參與隨機(jī)選擇的中繼數(shù)量，并且其分布不受到中繼密度的影響。同時(shí)，時(shí)隙ALOHA協(xié)議的引入令滿足需求的少量中繼通過隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入的形式進(jìn)行最終選擇。此外，推導(dǎo)了方案的失敗概率與期望傳輸速率等參數(shù)表達(dá)式。仿真結(jié)果表明，與要求完整中繼信息的理想方案相比，所述方案不需要預(yù)先收集任何中繼的實(shí)時(shí)信息即能夠獲得與之相近的傳輸性能，并具

6、有較為優(yōu)秀的收斂速度。
　　3、為了進(jìn)一步提升隨機(jī)中繼選擇的性能，并且針對(duì)現(xiàn)有方案難以兼顧中繼對(duì)比與縮減開銷的不足，設(shè)計(jì)了一種基于貪婪機(jī)制的改進(jìn)型隨機(jī)中繼選擇方案。該方案允許用戶在缺少中繼密度的情況下無(wú)需調(diào)整速率需求，同時(shí)貪婪機(jī)制的引入使得用戶可以在中繼成功選擇之后進(jìn)行等待，通過犧牲部分選擇開銷來獲取性能更優(yōu)的中繼。此外，由于隨機(jī)接入過程中的參與節(jié)點(diǎn)會(huì)不斷減少，因而為中繼設(shè)計(jì)了可根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)者數(shù)量自適應(yīng)變化的接入概率來最大化每一時(shí)隙的

7、成功選擇概率，并且根據(jù)不同時(shí)隙的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系推導(dǎo)出了平均選擇時(shí)隙數(shù)以及選擇失敗概率。仿真結(jié)果表明，所述方案能夠在網(wǎng)絡(luò)中用戶同時(shí)缺少中繼實(shí)時(shí)與統(tǒng)計(jì)信息的前提下，在瞬時(shí)速率和選擇開銷間獲得平衡，最終達(dá)到優(yōu)于傳統(tǒng)隨機(jī)中繼選擇方案的性能。
　　4、由于隨機(jī)選擇難以保證最優(yōu)中繼的選取，因此其性能表現(xiàn)存在有缺陷。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)了一種在大規(guī)模隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)下基于分裂算法的最優(yōu)中繼選擇方案。方案基本思路是針對(duì)中繼區(qū)域面積不斷優(yōu)化使得只有一個(gè)中繼落入

8、其中。由于引入了隨機(jī)幾何概念，可以確保用戶傳輸需求與滿足需求的中繼數(shù)量分布之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此不同于隨機(jī)選擇，本方案可以確保獲取最優(yōu)性能中繼。同時(shí)，分裂算法的采用可以有效化解多個(gè)中繼間的沖突。針對(duì)可用中繼數(shù)量分布的不同分布模式，方案被劃分為兩個(gè)次序性階段。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了方案平均開銷的表達(dá)式，并同時(shí)給出了令選擇消費(fèi)時(shí)隙數(shù)最少的方案最優(yōu)解與基于曲線近似的低復(fù)雜度次優(yōu)解。結(jié)合仿真結(jié)果，所述方案在確保最優(yōu)中繼的前提下，具有相比隨機(jī)選