面向移动互联网的无线接入及传输机制研究

【摘要】移动互联网是通过移动网络进行接入的互联网,它是移动通信同互联网的融合。近年来已成为工业界、学术界研究的热点之一。随着移动互联网访问需求的不断增加,传统移动网络的接入、传输能力面临重大挑战。为应对这一挑战,一方面,出现了各种新的支持用户接入的网络结构,比如Femtocell网络(飞蜂网)等；另一方面,在接入技术发展的同时,新型的移动网络传输模式被提出,比如机会传输等。Femtocell网络技术的引入,改善了传统蜂窝网络接入中数据传输速率低、能量利用效率低等问题。机会传输模式的引入,使得数据传输可通过节点间“存储-携带-转发”方式进行,降低了骨干网络负载,提升了服务能力。在Femtocell网络中,不同用户同基站间的通信相互影响。为达到全局网络性能的优化,我们研究了用户关联基站的选择、信道分配及功率控制。进一步地,在无Femtocell基站覆盖的区域,我们考虑了机会传输。网络中仅需要部分节点直接接入因特网,其余节点经由它们获得数据,这些节点被称为移动无线网络同因特网间的网关。为使用户快速获取数据,我们对网关选择方法进行研究,以期从所选网关开始,广播数据报文所需要的期望时间最短。当网关节点从因特网获取到数据之后,它们通过机会传输方式进行共享。特别地,在移动用户感兴趣的因特网数据中,视频文件等大数据(BulkData)是其中重要组成部分,我们研究了针对大数据如何设计端到端传输机制,以达到高吞吐量。最后,针对混合传输模式并存的移动无线网络(对于两个用户而言,他们既可通过接入点、Femtocell基站等经由骨干网络通信,亦可以机会传输方式通信),我们分析了容量、时延等传输性能如何随节点数量而演化。本文主要贡献可以概括为以下个方面：(1)针对基于Femtocell接入的通信资源分配,我们以最大化最小蜂窝吞吐量为目标,研究了其中的用户-基站关联、信道分配、功率控制问题。在基站功率连续可调的场景中,我们将其建模为一类非凸的混合整型非线性问题(Non-convexMixedIntegerNon-linearProblem,MINLP),证明了信道分配及用户关联都是NP-Complete的,特别的,当可分配信道数目大于等于3时,对信道分配问题,当且仅当NP=P时存在近似比大于等于1的多项式时间复杂度近似算法。类似的,对用户关联问题,证明了当且仅当NP=P时存在近似比大于1小于2的多项式时间复杂度近似算法。为解决此问题,我们提出一种基于轮循优化思想的算法,迭代地对用户关联、信道分配和功率控制进行优化。在设备功率离散可调的场景中,我们研究了当用户、基站关联关系确定时信道、功率分配问题。基于粒子群优化,我们提出了一种新的分配算法PCASO,其中,为产生新的粒子,定义了三个操作：变异、局部交叉和全局交叉。实验显示,PCASO极大地提升了网络的性能。(2)针对移动无线网络同因特网互联的网关选择问题,我们证明其为#P难,并提出了四种启发式算法：Random,MCS,CBS和FT。基于生成函数理论,我们对Random算法的性能进行了理论分析,其对应的广播时延可近似作为MCS、CBS和FT算法结果的上界。通过模拟实验,我们对四种算法性能进行了比较,其中当网络节点数为30时,FT算法对应平均时延低于Random算法15%；当网络节点数为40,…,50时,CBS算法对应平均时延低于Random算法10%。(3)针对移动无线网络中的大数据传输,我们引入了无反馈的分段网络编码机制。首先,基于节点间通信机会的概率分布,利用微分方程对目的端的数据接收过程进行建模,并给出了其在一段时间内成功接收K个编码报文概率的闭解。基于此,我们对端到端数据传输的最大持续吞吐量进行了分析,给出了其上限的闭解表达,并分析了达到此上限的必要条件。进一步的,我们设计了一种基于分段网络编码的传输机制,模拟实验表明,实验结果同理论分析相吻合,同时,所提出的传输机制也逼近于理论上的最优值。(4)针对有骨干网络支持的移动无线网络,我们对其容量、平均报文时延等传输性能指标进行了分析。讨论了独立同分布、固定速率的随机游走、列维飞行三类模型。对独立同分布、固定速率为(?)(1/√n)的随机游走模型,我们给出当容量为(?)(1)、(?)(1/√n)时的平均报文时延,其中,n为网络节点数目。证明当网络容量的上限为时,平均报文时延可达最优,其中,K为骨干网接入点数目。对三类模型,求得了平均报文时延同容量间的比率,分析了同固定混合无线网络相比的关键平均时延；我们的工作为该类型网络传输性能分析提供了理论支持。
【作者】李卓；
【导师】陆桑璐；陈道蓄；
【作者基本信息】南京大学，计算机软件与理论，2012，博士
【关键词】移动互联网；无线接入；网关选择；机会传输；网络容量；时延；

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