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无线协作网络的中继节点选择问题研究

作　者: 刘刚
导　师: 黄刘生
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 无线网络协作通信传输对中继选择中继分配算法
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

无线网络已经受到了广泛关注,而信道衰退效应是其最为严重的缺点之一,该效应会降低无线信道的传输性能。空间分集技术通过在—个无线节点上安装并使用多根传输天线(例如,MIMO),被证明可以有效地克服无线信道衰退。然而随着微电子技术的飞速发展,节点体积越来越小,因而在一个节点上配置多根天线在实际中有时并不可行。从而为了克服多天线的缺陷,研究人员提出了使用分布式单天线节点的协作通信技术来同样达到空间分集效果。在这种模式下,每个节点只安装了一根天线,但是它可以使用网络中其它节点(中继节点)上的天线为自己传输数据,从而达到空间分集效果。然而在协作通信技术中,使用不同的中继节点将极大地影响协作通信的最终性能。因此本文研究如何在无线网络中选择合适的中继节点来进行协作通信,以达到提高无线网络传输容量,降低其能量消耗的目的。特别地,对于无线网络,我们分别考虑了单跳网络和多跳网络环境；而对于协作通信技术,我们则分别考虑了只使用一个中继节点和同时使用多个中继节点的情况。本文主要研究内容和贡献如下：·无线协作网络的多传输对最大寿命调度问题我们首先考虑最多只使有一个中继节点的协作通信模式。对于该模式,在单跳网络的中继分配问题中,已有的工作大都假设网络中存在多个传输对和多个中继节点且每个节点只能担任传输节点或中继节点一种角色。而在实际的网络环境当中,可能每个节点都有传输任务,从而不能只作为其它节点的中继节点。因此,我们研究了基于无线协作网络的容量保证的最大寿命调度问题,在该网络中存在多个传输对,但每个节点可以担任传输节点和中继节点两种角色。我们提出采用两个传输对之间相互协作以应用协作通信的方法来提高单个传输对的寿命。随后设计了一个最优的多项式时间算法来最大化整个网络的寿命,并对该算法的最优性进行了证明。最后的实验仿真表明本算法相对于直接传输能够延长199%的网络寿命。·无线协作网络的可信诚实中继分配问题由于不同的中继节点对协作通信的最终性能会产生极大影响,且网络中多个传输对竞争同一组中继节点,因此传输对之间可能会互相欺诈以骗取相对于自己较优的中继节点来提高自身的收益。然而这些欺诈行为会极大地影响整个网络的性能。因此,我们为协作通信设计了一个中继分配协议(RA-VCG)来最大化总共社会价值(所有传输对的总共真实价值),并同时通过收取每个传输对一定的惩罚费用来保证传输对间的可信诚实性。随后,我们在理论上证明了该协议的有效性,并利用仿真实验验证了该协议的性能。·无线协作网络的多中继分配问题很多工作在研究多个传输对的中继分配问题上都局限于为每个传输对分配至多一个中继节点。而对于一个给定的传输对,采用多个中继节点进行协作通信时所达到的传输容量很可能远大于只采用一个中继节点。因此,我们研究了无线协作网络中的多中继分配问题,其中,多个传输对竞争同一集合的多个中继节点,但是每个传输对可以使用多个中继节点进行协作通信,以达到在所有传输对中最大化最小传输容量的目标。我们首先形式化该问题为一个0-1非线性整数规划问题。由于此类问题一般是NP难的,因此我们设计了一个高效地近似算法来解决该问题,并对算法的近似比进行了分析。最终,实验结果表明,相对于ORA和NCR算法,该算法能够分别提高目标值大约56%和65%。·能量高效的基于树的协作数据聚集问题最后,我们将协作通信技术应用到一个多跳无线网络环境中,即考虑如何利用协作通信技术来节省无线传感器网络中数据聚集操作的能量消耗。数据聚集在基于环境监测的无线传感器网络中是一个很基本的操作,基于树的拓扑结构由于其本身的简单性和能量高效性经常被用来支持该操作。而在基于树的数据聚集的动态过程中,可能存在很多个节点的聚集数据相同,因此我们可以引入协作通信技术来减少其能量消耗。特别地,我们首先形式化描述了基于树的协作数据聚集问题,并设计了一个最优的集中式算法来解决该问题。随后,我们把该集中式算法扩展为一个在实际中可使用的只利用节点局部信息的分布式算法。最终的仿真实验结果表明,本文提出的算法相对于MCT和PEDAP算法,能够分别降低23%和31%的网络能耗。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-19
第一章绪论  19-29
  1.1 引言  19-20
  1.2 协作通信模型简介  20-22
  1.3 无线协作网络的中继节点选择问题的主要挑战  22-24
  1.4 论文主要研究内容和创新点  24-27
  1.5 论文组织结构  27-29
第二章无线协作网络的多传输对最大寿命调度问题  29-53
  2.1 引言  29-31
  2.2 相关工作  31-32
  2.3 网络模型及问题描述  32-38
    2.3.1 三个节点协作通信模型  32-34
    2.3.2 两个传输对之间的协作调度关系描述  34-36
    2.3.3 问题定义和形式化  36-38
  2.4 单传输对能量分析  38-40
  2.5 最大寿命调度算法  40-46
    2.5.1 算法详述  40-45
    2.5.2 时间复杂度分析  45-46
  2.6 MLS算法最优性证明  46-47
  2.7 仿真实验  47-52
    2.7.1 仿真实验场景设置  47
    2.7.2 仿真实验结果  47-52
  2.8 本章小结  52-53
第三章无线协作网络的可倍诚实中继分配问题  53-77
  3.1 引言  53-56
  3.2 相关工作  56-57
  3.3 网络模型及问题描述  57-60
  3.4 诚实可信的中继分配协议  60-68
    3.4.1 协议主要思想  61-62
    3.4.2 中继发现阶段  62-64
    3.4.3 中继分配阶段  64-67
    3.4.4 数据传输阶段  67
    3.4.5 复杂度分析  67-68
  3.5 RA-VCG协议分析  68-71
  3.6 仿真实验  71-74
    3.6.1 仿真实验场景设置  72
    3.6.2 RA-VCG协议的可信诚实性  72-73
    3.6.3 欺诈行为对总共社会价值的影响  73-74
  3.7 本章小结  74-77
第四章无线协作网络的多中继分配问题  77-93
  4.1 引言  77-79
  4.2 网络模型及问题描述  79-84
    4.2.1 多中继协作通信模型的容量分析  79-81
    4.2.2 多中继分配问题  81-83
    4.2.3 问题形式化  83-84
  4.3 多中继分配算法  84-87
    4.3.1 算法详述  84-87
    4.3.2 时间复杂度分析  87
  4.4 算法近似比分析  87-89
  4.5 仿真实验  89-90
    4.5.1 仿真实验场景设置  89
    4.5.2 仿真实验结果  89-90
  4.6 本章小结  90-93
第五章能量高效的基于树的协作数据聚集问题  93-113
  5.1 引言  93-96
  5.2 相关工作  96-98
  5.3 网络模型及问题描述  98-102
    5.3.1 多中继协作通信模型的能量消耗分析  98-100
    5.3.2 基于树的协作数据聚集问题  100-102
  5.4 基于树的协作数据聚集算法  102-106
    5.4.1 算法详述  102-105
    5.4.2 最优性证明  105-106
    5.4.3 时间复杂度分析  106
  5.5 分布式的基于树的协作数据聚集算法  106-109
  5.6 仿真实验  109-112
    5.6.1 仿真实验场景设置  110
    5.6.2 仿真实验结果  110-112
  5.7 本章小结  112-113
第六章总结和展望  113-117
  6.1 全文总结  113-115
  6.2 下一步工作展望  115-117
参考文献  117-123
致谢  123-125
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  125-127

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