基于網(wǎng)絡(luò)效用最大化的無線網(wǎng)絡(luò)資源分配研究.pdf

1、隨著無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益普遍以及復(fù)雜多媒體業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，無線網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)量急劇增加。由于無線網(wǎng)絡(luò)所能提供的傳輸能力大多是有一定限度的，如何將有限的無線資源，以合適的方式分配給不同的用戶或業(yè)務(wù)，以滿足他們對無線資源的需求就成為一個(gè)必須要考慮的問題。然而，無線網(wǎng)絡(luò)資源的稀缺性，無線網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的不穩(wěn)定性，無線網(wǎng)絡(luò)中不同類型業(yè)務(wù)的不同服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，簡稱QoS)需求，以及無線資源分配過程中體現(xiàn)的不公平性，都給無線

2、網(wǎng)絡(luò)資源分配帶來了很多挑戰(zhàn)。基于網(wǎng)絡(luò)效用最大化(Network Utility Maximization，簡稱 NUM)理論，本論文主要研究了無線 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源分配。論文主要從以下幾個(gè)方面展開了研究：
　　①對于支持實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，研究了其中的速率和功率分配問題。由于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)具有嚴(yán)格的QoS需求，因此，需要在充分考慮它們QoS需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行資源分配。首先，對于信道慢衰落的網(wǎng)絡(luò)，給出了一個(gè)基

3、于NUM的資源分配模型。在這個(gè)模型中，我們充分考慮了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對于QoS度量，即端到端時(shí)延、緩沖區(qū)溢出引起的丟包率、以及數(shù)據(jù)流可靠度的需求。其次，對于信道快衰落的網(wǎng)絡(luò)，通過允許網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷一定的信道快衰落引起的擁塞，提出了另外一個(gè)模型。在這個(gè)模型中，除了考慮上述QoS度量外，我們還考慮了信道快衰落引起的丟包率。雖然這兩個(gè)模型都是非凸的，通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換并利用拉格朗日對偶法，我們?nèi)匀唤o出了若干分布式算法。最后，通過與一個(gè)已有模型相對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)

4、果表明本論文提出的模型更適合處理實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的資源分配，它們可以使得實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的QoS需求得到很好的滿足。
　?、谘芯苛巳鹄焖ヂ洵h(huán)境中，無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中帶有鏈路中斷約束的速率和功率分配問題。此時(shí)，由于信道快衰落，無線通信可能會(huì)發(fā)生中斷，以至于大量數(shù)據(jù)包被丟棄，從而數(shù)據(jù)流目的節(jié)點(diǎn)的接收速率遠(yuǎn)小于源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率。為了處理這種情形的資源分配，作者提出了一個(gè)基于NUM的模型。在這個(gè)模型中，為了更公平地分配資源，作者假設(shè)效用函數(shù)是目的節(jié)

5、點(diǎn)接收速率的函數(shù)而非源節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率的函數(shù)。同時(shí)，為了充分考慮數(shù)據(jù)包的丟失，作者考慮了通信鏈路的中斷概率。而且，通過考慮信道快衰落的統(tǒng)計(jì)特性，給出并利用了一個(gè)近似平均信道容量。雖然所提出的模型是非凸的，通過變量替換并使用拉格朗日對偶法，仍然給出了一個(gè)分布式算法。并且，由于提出的模型充分考慮了信道快衰落的統(tǒng)計(jì)特性，鏈路功率可以不隨信道的快衰落狀態(tài)而變化。通過與基本的NUM模型相對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的模型可以更好地處理快衰落環(huán)境中的資源分配

6、。
　　③對于彈性流與非彈性流共存的信道慢衰落的無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，研究了其中的動(dòng)態(tài)速率和功率分配問題。在充分考慮彈性流和非彈性流的不同QoS需求的基礎(chǔ)上，給出了一個(gè)基于NUM的隨機(jī)最優(yōu)化模型。這個(gè)模型的目的是在動(dòng)態(tài)分配鏈路功率和數(shù)據(jù)流服務(wù)速率的基礎(chǔ)上，最大化網(wǎng)絡(luò)性能并滿足不同數(shù)據(jù)流的不同QoS需求。由于允許非彈性流的效用函數(shù)取任意非凹函數(shù)，所提出的模型是一個(gè)NP-hard問題。為了求解這一非凸優(yōu)化問題，基于隨機(jī)對偶理論和粒子群

7、優(yōu)化(PSO)方法，給出了一個(gè)動(dòng)態(tài)速率和功率分配算法。通過使用這個(gè)算法，可以在不知道網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分布的基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)分配功率和速率。并且，當(dāng)信道條件變化的隨機(jī)性非常大時(shí)，該算法可以提供一個(gè)很好的近似解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的算法可以有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源以最大化網(wǎng)絡(luò)性能，同時(shí)可以很好地滿足不同數(shù)據(jù)流的不同QoS需求。
　?、軐τ谏闲型ㄐ挪捎肙FDMA多址接入方式的無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)，研究了其中的子載波和功率分配問題。為了將子載波在具有不同信道條件的用

8、戶間公平分配，并將每個(gè)用戶的功率在該用戶使用的子載波間有效分配，給出了一個(gè)帶有公平性考慮的最優(yōu)化模型。這里的公平性是通過賦予每個(gè)用戶一個(gè)效用函數(shù)，并設(shè)置分配給每個(gè)用戶的子載波數(shù)量下限而得到保證。特別地，允許效用函數(shù)取非凹、非可微函數(shù)，以便所提模型也適合于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的資源分配。為了求解這一非凸優(yōu)化問題，作者提出了一個(gè)基于蟻群優(yōu)化(ACO)的算法。利用該算法，可以公平有效地分配子載波和功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于其它算法，所提出的算法在資源分配