可变频宽无线网络资源分配研究

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随着无线应用的不断涌现和业务需求的与日俱增,无线频谱资源的稀缺性与当前无线通信系统频谱利用率低下的矛盾日益凸显,严重制约着无线通信技术的进一步发展。针对频谱资源紧缺现状,无线研究领域提出了多种解决方案,分别从时域、空域和频域等多个方面提升频谱资源的利用率。在众多的解决方案中,可变频宽技术易于实现,能够推广应用于现有通信系统。因此,可变频宽无线网络的研究具有重大的学术意义以及广泛的应用前景。可变频宽技术作为一种新的资源调控手段,能够更加灵活地改变网络运行状态和性能,但同时也增加了信道划分的维度,导致无线网络资源分配更加复杂。本文以提升IEEE802.11网络性能为目的,结合可变频宽技术对无线网络中的资源分配问题进行研究。论文首先对可变频宽技术的实现方法进行了概述,并分析和总结了IEEE802.11网络资源分配的研究问题和现状,然后对其中三个典型的网络场景中的资源分配问题分别展开探讨,最后分别设计了相应的资源分配算法,并通过大量的仿真实验验证了算法的性能。本文的主要工作包括以下几个方面:(1)在合作的单跳接入网络场景中,信道分配和用户关联是资源分配的两个主要问题。考虑信道频宽对无线链路通信距离的影响,论文首先分析了信道分配与用户关联的相互影响,指出信道分配与用户关联应当联合优化处理;接着,以最大化系统吞吐量与网络公平性两个系统性能为优化目标,建立了联合优化问题的数学模型;最后,基于粒子群优化框架提出了信道分配和用户关联算法。仿真实验结果验证了联合优化机制能够显著提升网络性能。(2)在非合作的单跳接入网络场景中,由于用户的自私性,用户以最大化个体接入收益为目的选择不同的无线接入点。考虑信道频宽对接入性能的影响以及用户QoS要求,论文首先设计了可变频宽无线网络中的用户效用函数;然后在用户有限理性的假定下,基于演化博弈理论建模了无线接入点选择问题;最后设计了一种基于复制者动态的分布式学习算法,引导用户得到此问题中的演化稳定策略。仿真的实验验证了本文所提出的分布式算法能够有效地收敛到演化均衡。(3)在多跳无线网状网络中,所有路由节点统一部署且具备中心调度的能力,信道分配和路由是此场景下资源分配的两个主要问题。论文首先建立了可变频宽无线网络中的网络连通性模型和累积干扰模型;然后考虑信道分配与路由的耦合关系,建立了联合优化问题的数学模型;最后基于列生成优化框架对联合优化问题进行解耦,并设计了一种基于对偶价格的贪心式算法求解信道分配策略。仿真实验结果表明本文所提出的算法能够有效求解信道分配与路由联合优化问题。本文的研究工作对可变频宽无线网络中的资源分配问题进行了较为全面的分析和研究,并分别设计了相应的资源分配算法和解决方案,能够为可变频宽技术的应用及无线网络资源分配优化设计提供参考。
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