Resource Allocation and Cross Layer Control in Wireless Networks (Foundations and Trends in Networki pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Now Publishers Inc

作者:Leonidas Georgiadis

出品人:

页数:140

译者:

出版时间:2006-04-05

价格:USD 90.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781933019260

丛书系列:

图书标签:

网络
无线网络
资源分配
跨层控制
优化
通信
网络
无线通信
排队论
博弈论
性能分析

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具体描述

Resource Allocation and Cross Layer Control in Wireless Networks presents abstract models that capture the cross layer interaction from the physical to transport layer in wireless network architectures including cellular, ad-hoc and sensor networks as well as hybrid wireless-wireline. The emphasis in the presentation is on describing the models and the algorithms with application examples that illustrate the range of possible applications. Representative cases are analyzed in full detail to illustrate the applicability of the analysis techniques, while in other cases the results are described without proofs and references to the literature are provided.

无线网络中的资源分配与跨层控制 (Resource Allocation and Cross Layer Control in Wireless Networks) 图书简介本书深入探讨了无线网络领域中两个核心且相互关联的挑战：资源分配与跨层控制。随着移动通信技术向更高频谱效率、更灵活接入和更广覆盖范围迈进，传统的孤立层面的优化方法已难以满足现代无线系统的复杂需求。本书旨在提供一个全面的框架，阐述如何通过协调不同网络层的功能，实现系统性能的整体优化，特别是在资源受限的无线环境中。第一部分：无线资源管理的理论基础与挑战本书首先对无线通信系统的基本架构和资源分配的必要性进行了详尽的阐述。无线频谱的稀缺性是驱动资源优化研究的根本动力。我们将从物理层对信道容量和噪声的建模入手，建立理解后续资源分配策略的理论基础。信道建模与性能度量：书中详细分析了无线信道衰落的统计特性，包括瑞利衰落、莱斯衰落等，并引入了香农信道容量理论作为衡量最大数据传输速率的基准。对于系统的性能，我们不仅关注吞吐量，还深入探讨了延迟、公平性以及能效等关键指标，强调了在多目标优化中进行权衡的复杂性。资源分配的维度：资源分配的范畴是多维度的。本书系统性地梳理了资源分配的主要维度，包括功率控制（发射功率的分配）、频谱分配（频率或带宽的分配）、时间分配（时隙或调度的分配）以及波束赋形/空间复用（多天线技术中的空间资源的利用）。对于每一维度的分配，都介绍了其数学建模和优化目标函数的设计原则。网络拓扑与系统模型：书中着重分析了不同网络拓扑下的资源分配问题，包括蜂窝网络（下行与上行链路的差异）、Ad Hoc 网络（分布式决策的挑战）以及新兴的异构网络（HetNets）和大规模MIMO（Massive MIMO）系统。对于每一模型，都明确界定了关键的约束条件，例如发射功率上限、最小速率保证（QoS需求）以及干扰限制。优化方法论：资源分配问题的核心在于求解复杂的非线性、非凸优化问题。本书引入了一系列先进的数学优化工具来应对这些挑战。重点介绍了凸优化技术（如半定松弛、对偶分解）在解决部分可凸化问题中的应用。此外，对于难以求解的非凸问题，书中也探讨了启发式算法、迭代优化方法以及基于博弈论的分布式资源管理策略。第二部分：跨层控制的必要性与实现机制传统的通信协议栈（如TCP/IP模型）将网络功能划分到独立的层级，使得每一层独立优化自身性能。然而，在无线环境下，由于信道状态的动态变化和资源分配的耦合性，这种“自下而上”或“自上而下”的独立优化往往导致次优的整体性能。跨层控制正是为了打破这种壁垒而提出的解决方案。跨层交互的驱动力：本部分详细解释了为什么必须进行跨层设计。例如，物理层快速变化的信噪比（SNR）信息对于上层的TCP拥塞控制至关重要；而上层应用层的丢包率信息可以指导物理层的调制编码方案（MCS）选择。书中通过具体的案例分析，展示了缺乏跨层信息的决策失配如何损害系统性能。跨层信息交互的范式：书中分类介绍了实现跨层交互的几种主要技术范式： 1. 信息泄露（Information Leakage）：允许低层将详细的物理层信息（如瞬时信噪比、信道状态信息）传递给高层实体，高层据此进行更精细的调度或路由决策。 2. 功能合并（Function Merging）：旨在打破严格的层级边界，将原本属于不同层的特定功能合并到一个统一的实体中进行优化，例如将MAC层的调度与网络层的路由功能集成。 3. 控制信号的嵌入（Control Signal Embedding）：讨论了如何在数据流中嵌入高层控制信息，以影响底层操作，反之亦然。关键的跨层优化案例：本书精选了几个具有代表性的跨层优化应用场景进行深入剖析： MAC-PHY 跨层调度：重点研究如何利用精确的物理层信道信息（CSI）来指导媒体接入控制（MAC）层的调度决策，以最大化系统吞吐量或满足特定用户的公平性约束。这涉及到对信道不确定性下的最优调度策略的求解。网络层与链路层的协同：分析了如何根据链路层的误码率和时延特性来调整网络层的路由选择，特别是针对具有突发性干扰和高波动性信道的Ad Hoc网络。能效与资源的联合优化：在移动设备能耗日益受到关注的背景下，本书展示了如何通过跨层协调，例如根据网络负载和剩余电量信息来动态调整发射功率和数据速率，以达到能效的最大化。第三部分：新兴技术背景下的资源分配与控制随着5G及未来网络的演进，新的技术范式对传统的资源分配和控制提出了新的要求。大规模MIMO与波束管理：在Massive MIMO系统中，天线数量的激增使得空间资源的维度爆炸式增长。本书讨论了如何利用大规模天线阵列实现高维度的波束赋形，以及在信道状态信息获取困难的情况下，如何设计高效的预编码和资源分配联合优化方案。这部分强调了低复杂度算法在处理大规模矩阵和高维空间资源时的重要性。软件定义网络（SDN）与网络功能虚拟化（NFV）的集成： SDN/NFV为实现灵活的、集中的资源控制提供了可能。本书探讨了如何利用SDN控制器对底层无线资源进行全局、实时的调度和管理，以及如何通过虚拟化技术灵活部署和迁移网络功能，从而实现更精细化的跨层资源调配。安全与隐私的考量：资源分配和跨层控制的精细化必然涉及到更深入的信息共享，这同时也带来了安全和隐私泄露的风险。书中分析了在共享信道信息时可能面临的窃听、干扰攻击，并探讨了如何在保证系统性能的同时，通过混淆技术或安全多方计算等手段，保护敏感的物理层和用户数据。结论与未来展望：本书最后总结了当前研究的瓶颈，特别是对于大规模、高动态、异构的未来无线网络中，如何设计既有理论严谨性又具备实际可操作性的统一资源分配和跨层控制框架。未来的研究方向可能集中在结合深度强化学习（DRL）来解决高度非线性和动态变化的资源优化问题，以及构建面向服务的网络切片（Network Slicing）下的资源隔离与保障机制。本书适合于从事无线通信、移动网络、信号处理及计算机科学领域的研究人员、博士生和工程师，为理解和解决下一代无线系统的关键瓶颈提供了坚实的理论基础和实用的设计工具。