無線網(wǎng)絡(luò)中基于干擾消除的集中式和分布式算法研究.pdf

1、無線網(wǎng)絡(luò)無需固定基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)即能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間端到端無線數(shù)據(jù)傳輸，具有成本低、擴(kuò)展能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事與民用通信、環(huán)境監(jiān)控、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域。由于受到無線信道頻譜共享以及無線節(jié)點(diǎn)資源（如功率、計(jì)算能力）受限等因素影響，無線網(wǎng)絡(luò)性能很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)對(duì)無線鏈路干擾管理能力。現(xiàn)有研究采用隨機(jī)接入（如 CSMA）或者確定接入（如 TDMA、FDMA、CDMA），在設(shè)計(jì)方法上避免網(wǎng)絡(luò)中相鄰無線鏈路間干擾。以上傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在保證鏈路傳輸成功率

2、的同時(shí)降低了無線網(wǎng)絡(luò)中并發(fā)鏈路數(shù)（譜空間重用），從而限制了網(wǎng)絡(luò)性能提升。近年來，研究者逐漸認(rèn)識(shí)到進(jìn)一步挖掘鏈路的干擾特性（如采用連續(xù)干擾消除、并行干擾消除以及中繼協(xié)作等）能夠提高網(wǎng)絡(luò)中并發(fā)鏈路數(shù)。
　　在無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，分層設(shè)計(jì)方法獨(dú)立考慮各個(gè)協(xié)議層的優(yōu)化不能充分利用整個(gè)系統(tǒng)中有限的資源。通過聯(lián)合多個(gè)協(xié)議層進(jìn)行全局優(yōu)化，跨層設(shè)計(jì)方法能夠?qū)崿F(xiàn)更高的資源利用率，網(wǎng)絡(luò)性能得到更大幅度的提升。本文以端到端網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化為優(yōu)化目標(biāo)，基于干擾

3、消除技術(shù)與跨層優(yōu)化技術(shù)，研究與設(shè)計(jì)提升無線多跳網(wǎng)絡(luò)性能的集中式與分布式算法。主要研究成果歸納如下：
　　(1)研究多傳輸速率無線網(wǎng)絡(luò)中基于干擾消除跨層優(yōu)化算法。首先，聯(lián)合路由、鏈路調(diào)度與端到端速率控制問題，基于干擾消除技術(shù)與多速率物理干擾模型建立無線多跳網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化框架；其次，為降低算法復(fù)雜度，采用列生成技術(shù)將上述問題優(yōu)化分解為速率控制子問題與路由、鏈路調(diào)度子問題，其中前者被轉(zhuǎn)化為較容易求解的線性規(guī)劃問題，后者被轉(zhuǎn)化為整數(shù)規(guī)劃問題

4、；最后，針對(duì)上述整數(shù)規(guī)劃問題提出了基于搜索樹的貪婪算法和基于模擬退火的啟發(fā)式算法。仿真結(jié)果驗(yàn)證了多速率鏈路能夠進(jìn)一步增加無線多跳網(wǎng)絡(luò)中干擾消除容量，所提出算法有利于提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
　　(2)研究聯(lián)合功率優(yōu)化與干擾消除的跨層優(yōu)化算法。考慮無線多跳網(wǎng)絡(luò)中傳輸節(jié)點(diǎn)功率控制問題，進(jìn)一步將上述基于多傳輸速率的網(wǎng)絡(luò)跨層問題擴(kuò)展為功率優(yōu)化與干擾消除聯(lián)合優(yōu)化問題。與之前研究工作的不同之處在于我們將功率控制問題劃分為離散功率控制問題與連續(xù)功率控制

5、問題，并研究聯(lián)合功率優(yōu)化與干擾消除技術(shù)在多速率無線網(wǎng)絡(luò)中的影響。引入功率控制，跨層優(yōu)化框架中調(diào)度子問題存在非線性約束條件，利用輔助變量對(duì)該約束進(jìn)行線性化處理并將調(diào)度子問題轉(zhuǎn)化為（混合）整數(shù)規(guī)劃問題。采用 CPLEX解決器求解上述問題，仿真結(jié)果表明，相比無功率控制的跨層優(yōu)化方案，聯(lián)合功率控制算法具有更高的吞吐量性能增益。
　　(3)研究無線多跳網(wǎng)絡(luò)中基于干擾消除的分布式算法。分布式算法能有效降低網(wǎng)絡(luò)中控制信息開銷，更加適合于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)