無線網(wǎng)絡(luò)中的分布式信號處理與信息傳播.pdf

1、隨著MEMS技術(shù)的普及，芯片效能的提高，網(wǎng)絡(luò)的接入端體積變得越來越小，形式也越來越多樣化。無線終端可以是手持設(shè)備如手機(jī)、平板和筆記本電腦，也可以是無人控制的移動傳感器節(jié)點(diǎn)，車載節(jié)點(diǎn)等各種設(shè)備。隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，無線接入終端更是無處不在，無時不在，分布在世界的每一個角落。概括地說，下一代無線網(wǎng)絡(luò)的特征為便攜式和移動化，并且能夠隨時隨地接入互聯(lián)網(wǎng)?？v觀無線網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展趨勢，我們不難發(fā)現(xiàn):不同于傳統(tǒng)的集中式網(wǎng)絡(luò)，分布式網(wǎng)絡(luò)，或者說網(wǎng)絡(luò)中分布

2、式的特征，正在悄然代替一些傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組織模式，并開始扮演越來越重要的角色。然而，現(xiàn)今大多數(shù)成熟的通信體系，包括其基本協(xié)議棧，算法等，都是默認(rèn)針對集中式網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的。若不改變整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣M織方式、信號傳播與處理算法，以及研究分布式資源分配和性能優(yōu)化方法，是難以在現(xiàn)有框架內(nèi)直接升級到適應(yīng)于大規(guī)模分布式網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)體系的。然而針對大規(guī)模分布式網(wǎng)絡(luò)的研究尚顯不足，特別是缺乏一些基礎(chǔ)理論研究。因此，本論文主要側(cè)重于未來分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對其中一些必

3、要技術(shù)進(jìn)行了探索。具體地，我們研究了從分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)控制，信號處理算法，到分布式資源分配及容量性能優(yōu)化，再到分布式信息散播的一系列核心技術(shù)和理論，主要包括以下幾個方面:
　　我們針對分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾硪约靶盘柼幚砑夹g(shù)進(jìn)行了研究。具體地，我們研究了一種針對大規(guī)模認(rèn)知傳感網(wǎng)絡(luò)的自組織分簇方法，這是網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步執(zhí)行通信、計(jì)算、傳感等功能的基礎(chǔ)。我們將網(wǎng)絡(luò)中的通信分為簇間通信和簇內(nèi)通信兩種，提出了能量有效，魯棒性，快速收斂性等分簇性能指標(biāo)，

4、并以此為準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)出一種快速高效的分簇算法。具體地，我們引入機(jī)器學(xué)習(xí)中的分簇方法，并針對認(rèn)知傳感網(wǎng)的具體情況，提出了一種受限分簇的概念，并設(shè)計(jì)出了可行的分布式頻譜知曉分簇算法(DSAC)。該算法可以在沒有中央控制器指揮的情況下，快速將數(shù)以萬計(jì)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)所共有的信道，劃分成合適大小的簇。并且，在主用戶活動性發(fā)生變化時，能夠快速響應(yīng)，產(chǎn)生新的簇劃分來應(yīng)對。然后，我們進(jìn)一步研究了在分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，臨近節(jié)點(diǎn)如何利用頻譜

5、的稀疏性，進(jìn)行高效準(zhǔn)確的頻譜感知。具體地，我們假設(shè)待感知的頻譜帶寬非常寬廣，可達(dá)10GHz以上，而參與感知的傳感器節(jié)點(diǎn)由于自身的硬件、能量限制，無法進(jìn)行高頻率的采樣。我們利用了寬帶頻譜的稀疏性，又讓臨近節(jié)點(diǎn)高效地合作感知，以較低的采樣率合作完成超寬帶頻譜感知。我們設(shè)計(jì)了基于壓縮感知的寬帶頻譜感知算法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信令交互流程，使用非常簡單的采樣器結(jié)構(gòu)完成低速采樣、高速感知。
　　我們深入研究了分布式認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的多接入信道。我們首

6、先提出一種聯(lián)合信源信道感知算法，以在機(jī)會式頻譜接入的場景下，獲得最大的多接入容量。具體地，我們挖掘認(rèn)知傳感網(wǎng)絡(luò)中特有的信源感知和信道感知共存的特點(diǎn):在能量受限的情況下，兩種感知任務(wù)是相輔相成又相互競爭的。我們根據(jù)這種特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種聯(lián)合算法，以動態(tài)均衡節(jié)點(diǎn)資源，使得容量最大化。然后，我們針對另一種機(jī)會式接入空閑頻譜的認(rèn)知多接入信道，深入分析了其容量區(qū)。認(rèn)知信道有兩種:一種是主用戶、從用戶同時通信，而從用戶需保證其對主用戶干擾受限。第二種是

7、從用戶在接入信道前先進(jìn)行頻譜感知，感知結(jié)果作為發(fā)射機(jī)的開關(guān)，所以這又稱為“開關(guān)式”認(rèn)知信道。后者更接近實(shí)際，且更有希望首先被應(yīng)用，因此獲得了廣大認(rèn)知無線電學(xué)者的關(guān)注。我們的容量研究正是基于后者的。具體地，我們將認(rèn)知多接入信道建模為多開關(guān)信道，將主用戶占用信息看做多接入信道的邊信息，利用多用戶信息論中的邊信息理論，理論分析了多種情況下該種認(rèn)知多接入信道的容量。
　　我們研究了分布式移動網(wǎng)絡(luò)中的信息傳播現(xiàn)象，這不同于以往針對容量和能耗

8、的研究。具體地，我們先就一種較稠密的全分布式網(wǎng)絡(luò)，以及一種較經(jīng)典和實(shí)用的信息傳播算法-流言算法(GossipAlgorithm)，理論分析了其在移動網(wǎng)絡(luò)中散播信息的時間。我們創(chuàng)新地提出了一種“移動傳導(dǎo)率”的概念，其對應(yīng)地刻畫了移動網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)信息的能力。我們針對全移動、部分移動、速率受限移動、一維以及二維區(qū)域受限移動等多種模型進(jìn)行了抽象，試圖提煉出其中主導(dǎo)信息傳播效率的參數(shù)，并予以討論和總結(jié)。我們提出的方法和結(jié)論是通用的，即可適用于各種滿足