無線網(wǎng)絡環(huán)境下的資源分配問題算法研究.pdf

1、近年來，無線通信網(wǎng)絡發(fā)展迅速，其得到了相當長足的進步和提高。在如此強勁的發(fā)展勢頭下，通信技術的進步大大地影響了人民的生活、工作和學習娛樂等各個方面。這同時也對無線通信網(wǎng)絡的性能諸如速率和服務質(zhì)量保證(Qos)提出了更高的要求。近年來無線傳感器發(fā)展達到頂峰，然而在很多情況下（災害地區(qū)、不可入地區(qū)、無通信基礎設施)，采集區(qū)域并不具備條件來部署匯集結點，在這種情況下，該如何去采集數(shù)據(jù)以及盡量地采集并傳輸更多的數(shù)據(jù)成為了一個挑戰(zhàn)。
　　正

2、交頻分復用技術(OFDM)作為一種多載波調(diào)制技術現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地運用在諸如Wimax、LTE和LTE-Advanced網(wǎng)絡當中。為了給多播用戶提供更加好的服務質(zhì)量，就需要多播服務提供者高效地調(diào)度無線資源。為了滿足國際電信聯(lián)盟(ITU)對4G的要求，LTE-Advanced在長期演化網(wǎng)絡(Long Term Evolution，LTE)基礎上加入了諸如載波融合(Carrier Aggregation，CA)等技術。為了使這些技術能正常地工

3、作，就需要相應的資源調(diào)度算法去協(xié)調(diào)工作。同時，聯(lián)合使用無人機(Unmanned Aircraft Vehicle，UAV)和衛(wèi)星來對一些特殊地區(qū)（災害地區(qū)、不可入地區(qū)、無通信基礎設施）進行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)提供給終端用戶。為了能有效地采集到更多的數(shù)據(jù)，這就需要對其中的資源進行高效地分配和調(diào)度。本文基于上述的觀點，對相關的無線網(wǎng)絡中的資源分配問題進行了研究，其主要包括以下幾個方面:
　　1.提出了一種OFDM多播網(wǎng)絡中的最優(yōu)

4、化邊緣自適應資源分配算法。OFDM多播資源分配可以劃分為兩種類型，一種是給定一個固定的發(fā)射功率去最大化系統(tǒng)所有用戶的速率之和，稱之為速率自適應資源分配;另一種就是給定所有用戶速率之和的限制來最小化系統(tǒng)的發(fā)射功率，稱之為邊緣自適應資源分配。本文針對OFDM多播系統(tǒng)中的邊緣自適應資源分配進行建模，這個模型以系統(tǒng)所有用戶的總速率之和為限制條件來最小化系統(tǒng)所需要的總發(fā)射功率，來減低系統(tǒng)的功率消耗。通過詳細分析這個問題模型，提出了一個最優(yōu)化的基于

5、動態(tài)規(guī)劃算法的邊緣自適應資源分配算法，并證明了只要動態(tài)規(guī)劃中速率步長取得得當，該算法就可以取得全局最優(yōu)值。最后實驗結果表明，該算法和暴力破解算法一樣，都可以取得最優(yōu)值。
　　2.針對LTE-Advanced網(wǎng)絡中的載波融合問題，提出了一個更加普通的載波融合相關資源分配系統(tǒng)模型，并且提出了一個高效的集系統(tǒng)發(fā)射功率、載波、資源塊聯(lián)合的資源分配算法。LTE-Advanced是LTE的一個升級版本，把載波融合技術寫入了LTE-Advanc

6、ed的標準之中，使得LTE-Advanced網(wǎng)絡中可以同時使用多個載波進行信息傳輸。但是在現(xiàn)實生活中，由于每個用戶的硬件設備的配置的不一樣，就使得每個用戶所能支持的載波的個數(shù)是不一樣的。于是研究問題就出現(xiàn)了，就是如何給用戶分配載波以及載波包含的資源塊，如何分配發(fā)射功率。針對這個研究問題進行了建模，該模型以最大化所有用戶的速率為優(yōu)化目標，來提高所有用戶的網(wǎng)絡體驗。證明該問題為NP-hard問題。于是先在假設給定載波分配的情況下，用凸優(yōu)化的

7、方法提出了一個最優(yōu)化的功率分配和資源塊分配的算法;然后基于這個最優(yōu)化的算法，提出了一個高效的載波分配算法。最后的實驗仿真結果表明，本文提出的算法優(yōu)于現(xiàn)有的資源分配算法。
　　3.針對特殊區(qū)域(災害地區(qū)、不可入地區(qū)、無通信基礎設施)的數(shù)據(jù)收集問題，提出了一個基于衛(wèi)星和無人機的實時數(shù)據(jù)收集模型，該模型由采集節(jié)點、無人機和衛(wèi)星三部分組成，采集節(jié)點負責采集數(shù)據(jù)并傳輸給無人機，然后無人機把數(shù)據(jù)傳送給衛(wèi)星，最后由衛(wèi)星給用戶提供服務。針對該模型

8、中的實際問題，先后建立了三個模型來逐步解決相關問題。第一，針對采集節(jié)點和無人機之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捹Y源分配建立模型，該模型以最大化系統(tǒng)收益為目標，以傳輸數(shù)據(jù)的帶寬為限制條件;第二，針對采集節(jié)點和無人機之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捹Y源和節(jié)點的能量資源分配進行建模，該模型以最大化系統(tǒng)收益為目標，以傳輸數(shù)據(jù)的帶寬和采集節(jié)點的能量為限制條件;第三，該模型同樣以最大化系統(tǒng)收益為目標，以傳輸數(shù)據(jù)的帶寬和采集節(jié)點的能量為限制條件，同時考慮無人機和衛(wèi)星之間鏈路流量

9、限制。并針對三個模型分別提出了相應的算法。第一，提出了一個最優(yōu)化的貪心算法，實驗結果表明，提出的算法優(yōu)于常規(guī)的平均分配算法;第二，提出一個兩步算法，先根據(jù)模型一中的算法得出帶寬分配，之后基于帶寬分配得出采集節(jié)點的能量分配，實驗結果表明，提出的算法能獲得更好的結果;第三，提出一個兩步算法，首先根據(jù)模型二的算法得出帶寬分配和節(jié)點的能量分配，然后根據(jù)無人機和衛(wèi)星之間鏈路的流量限制情況重新調(diào)整帶寬和節(jié)點能量的分配情況，實驗結果表明，該算法可以高

10、效利用帶寬和節(jié)點能量以獲得良好的效益。
　　4.針對LTE環(huán)境下的基于無人機數(shù)據(jù)采集問題，先后建立了以下兩個問題模型并提出相關算法。第一，針對節(jié)點與無人機間數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y源塊數(shù)分配、節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送方式選擇進行建模，并提出一個動態(tài)規(guī)劃算法;第二，針對節(jié)點與無人機間數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y源塊數(shù)、節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送方式選擇以及節(jié)點能量分配進行建模，并提出了一個兩步算法，第一步先根據(jù)模型一算法來獲得節(jié)點資源塊數(shù)分配方案，第二步再根據(jù)第一步得出的資源塊數(shù)分配方