基于组播通信的分布式信道接入统计决策优化方法研究

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作为无线网络技术发展的重要方向,分布式网络具有组网灵活、抗毁能力强的特点,在智能集群构建中具有广泛应用。与集中式网络相比,分布式网络不需要中心节点对用户信道接入进行统一管理,组网开销较低。但分布式网络中多用户存在竞争,影响信道接入效率。信源到信宿无线链路的高时变性还进一步加剧低效问题。因此,需要对无线分布式网络的物理层与接入控制层进行联合设计,研究新的分布式网络信道接入方法,实现高效信道接入。组播通信技术是提升信道接入效率的有效途径。当分布式网络中多个用户请求相同的数据时,信源到多个信宿形成多条链路,即组播通信。组播通信利用无线信道的广播特性允许多用户在共享信道上传输信息,信道接入效率可得到显著提升。相比于单播通信,组播通信网络的设计要素更加复杂。一方面,由于多径效应、建筑物遮挡引起信道衰落,同一组播组内各用户经历不同信道状态,导致用户之间信道接入速率存在差异。另一方面,多个信宿难以及时向信源反馈信道状态信息,导致信源信宿之间传输缺乏可靠性保障。因此,如何设计基于组播通信的分布式信道接入方法具有重要意义,也同时存在许多技术上的挑战。本文对基于组播通信的分布式信道接入方法进行了研究,主要工作包括三部分,具体描述如下:(1)为解决分布式网络中多用户竞争与信道时变性导致的频谱利用效率低下问题,对基于可靠组播通信的分布式信道接入问题进行了研究。基于最优停止理论,建立了多组播组分布式信道接入过程统计学模型,提出了一种基于可靠组播通信的多用户分布式信道接入方法。该方法下,各信源以分布方式竞争信道,获胜信源通过对比所在组播组内信道质量最差信宿的可接入速率与固定阈值,动态决定是否接入信道,完成信源对所有信宿的可靠组播传输。理论分析证明,该方法具有系统可靠通信吞吐量的统计最优性。针对方法实现,设计了相应低复杂度信道接入算法,具有纯阈值结构,有良好的工程可实现性。数值结果表明,所提出的信道接入方法可有效提升系统平均吞吐量。(2)围绕无线网络中业务多样性导致目标信宿集合和传输时间变化的特点,对基于业务特征的组播网络最优分布式信道接入问题进行了研究。以增强型分布式信道接入(Enhanced Distributed Channel Access,EDCA)机制和最优停止理论为基础,建立了基于业务特征的组播网络吞吐量统计学模型。提出一种分布式信道接入方法,该方法利用组播组间无线链路的时间多样性和网络业务特征的多样性实现了系统平均吞吐量最优。数值仿真结果验证了所提方法的有效性,与其他接入方法相比,所提方法可显著提升网络吞吐量性能。(3)针对可靠组播通信方式带来网络吞吐量瓶颈问题,结合组播网络信道多样性,以多组播组分布式信道接入方法为基础,进一步设计传输可靠概率约束下的信道接入方法,分析网络吞吐量与可靠概率约束之间的作用影响。数值仿真结果验证了所提理论方法的有效性,并给出了所提方法与其他信道接入方法相比的性能增益。
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