Cross-layer resource allocation and scheduling in wireless multicarrier networks

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出版者:ProQuest / UMI
作者:Guocong Song
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:2006-03-19
价格:USD 69.99
装帧:Paperback
isbn号码:9780542243752
丛书系列:
图书标签:
  • 无线通信
  • 多载波
  • 资源分配
  • 调度
  • 优化
  • 网络性能
  • 跨层设计
  • 无线网络
  • 信号处理
  • 通信理论
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具体描述

The current dominate layered networking architecture, in which each layer is designed and operated independently, results in inefficient and inflexible resource use in wireless networks due to the nature of the wireless medium, such as time-varying channel fading, mutual interference, and topology variations. In this thesis, we focus on resource allocation and scheduling in wireless orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) networks based on joint physical and medium access control (MAC) layer optimization. To achieve orders of magnitude gains in system performance, we use two major mechanisms in resource management: exploiting the time variance and frequency selectivity of wireless channels through adaptive modulation, coding, as well as packet scheduling and regulating resource allocation through network economics. With the help of utility functions that capture the satisfaction level of users for a given resource assignment, we establish a utility optimization framework for resource allocation in OFDM networks, in which the network utility at the level of applications is maximized subject to the current channel conditions and the modulation and coding techniques employed in the network. Although the nonlinear and combinatorial nature of the cross-layer optimization challenges algorithm development, we propose novel efficient dynamic subcarrier assignment (DSA) and adaptive power allocation (APA) algorithms that are proven to achieve the optimal or near-optimal performance with very low complexity. Based on a holistic design principle, we design max-delay-utility (MDU) scheduling, which senses both channel and queue information. The MDU scheduling can simultaneously improve the spectral efficiency and provide right incentives to ensure that all applications can receive their different required quality of service (QoS). To facilitate the cross-layer design, we also deeply investigate the mechanisms of channel-aware scheduling, such as efficiency, fairness, and stability. First, using extreme value theory, we analyze the impact of multiuser diversity on throughput and packet delay. Second, we reveal a generic relationship between a specific convex utility function and a type of fairness. Third, with rigorous proofs, we provide a method to design cross-layer scheduling algorithms that allow the queueing stability region at the network layer to approach the ergodic capacity region at the physical layer.

好的,这是一份关于《跨层资源分配与调度在无线多载波网络中的应用》的详细图书简介,专注于介绍该领域的核心概念、关键挑战以及前沿研究方向,但不包含对您提及的特定书籍内容的描述。 --- 图书名称:跨层资源分配与调度在无线多载波网络中的应用 图书简介 主题概述: 本书深入探讨了在现代无线多载波通信系统中,如何有效地进行资源分配与调度。随着无线频谱资源的日益稀缺和数据流量的爆炸式增长,如何最大化系统吞吐量、优化频谱效率、确保服务质量(QoS)以及提高能效,成为了无线网络设计中的核心挑战。多载波技术,如正交频分复用(OFDM)和正交频分多址(OFDMA),因其对频率选择性衰落的鲁棒性而被广泛采用。然而,这些技术带来了复杂的多维资源管理问题。本书的核心聚焦于“跨层设计”的视角,即如何打破传统通信协议栈中各层(物理层、数据链路层、网络层)的界限,实现全局最优的资源管理策略。 核心内容模块: 第一部分:无线多载波系统的基础与挑战 本部分首先回顾了无线多载波系统的基本原理,重点分析了OFDM/OFDMA系统中的关键特性,如载波间的干扰(ICI)与载波间串扰(ISCI)、高峰均功率比(PAPR)问题,以及多用户接入带来的资源分配挑战。 1. 多载波技术基础回顾: 详细介绍OFDM的调制解调原理、循环前缀(CP)的应用及其对多径信道的补偿作用。深入剖析OFDMA中资源单元(Resource Unit, RU)的划分和映射机制。 2. 信道感知与建模: 讨论无线信道估计的准确性对资源分配性能的影响。介绍不同环境下的信道模型(如莱斯衰落、瑞利衰落)及其在资源分配决策中的应用。 3. 系统性能指标分析: 明确定义和量化衡量多载波系统性能的关键指标,包括系统吞吐量、频谱效率、用户公平性、延迟约束和能效指标。 第二部分:跨层资源分配的理论框架 本书强调跨层方法的必要性。传统的分层架构中,各层独立优化可能导致次优的系统级性能。跨层设计旨在通过信息共享和协调机制,实现系统整体性能的提升。 1. 分层架构的局限性分析: 阐述物理层功率控制、数据链路层调度、网络层路由选择之间的耦合关系和潜在冲突。 2. 跨层信息交互机制: 探讨如何将底层(物理层信道状态信息)和高层(网络层队列长度、QoS需求)信息有效地融合,以指导资源分配决策。 3. 优化问题的数学建模: 将资源分配问题转化为复杂的非线性优化问题,包括混合整数规划(MIP)模型,用于描述功率分配、子载波指派和用户调度之间的相互依赖性。 第三部分:关键资源分配策略:功率、子载波与用户调度 本部分是全书的核心,详细介绍了针对多载波环境的资源分配算法,并着重区分不同优化目标下的策略选择。 1. 功率分配策略: 水填充算法的演进: 讨论经典的速率最大化功率分配(水填充)在多用户、多载波环境下的扩展和局限性。 约束驱动的功率控制: 针对不同业务(如VoIP、流媒体)的QoS要求,设计满足特定信噪比(SNR)阈值的功率分配方案。 能效优化: 探讨在保证特定吞吐量或延迟的前提下,最小化总发射功率的策略,这对于延长移动设备电池寿命至关重要。 2. 子载波指派(资源块分配): 贪婪算法与启发式方法: 介绍基于局部最优的子载波选择方法,如最大信道增益指派(Max-C/I)。 联合优化: 深入分析功率与子载波分配的联合优化问题,通常采用迭代或松弛技术来求解。 3. 多用户调度机制: 公平性与吞吐量的权衡: 介绍比例公平(Proportional Fairness)、最大最小公平(Max-Min Fairness)等调度准则,以及它们在多载波资源块分配中的实现方式。 基于反馈的调度: 讨论信道质量指示(CQI)反馈机制如何驱动上行和下行调度的实时决策。 第四部分:先进的跨层调度与网络协作 本部分聚焦于引入更复杂的网络维度和先进的优化技术,以应对大规模异构网络中的挑战。 1. 异构网络资源协调: 讨论在宏蜂窝/微蜂窝/皮蜂窝等多层网络架构中,如何通过跨层协调避免小蜂窝间的干扰,同时优化整体覆盖和容量。 2. 跨层路由与调度协同: 阐述网络层信息(如负载均衡、拥塞状态)如何影响物理层的调度决策,以确保端到端的用户体验。 3. 面向新兴技术的融合: 探讨在5G及未来网络中,结合大规模MIMO(Massive MIMO)、毫米波通信或认知无线电技术时,跨层资源分配面临的新范式和解决方案。 适用读者对象: 本书适合于通信工程、电子工程、计算机科学等相关专业的高年级本科生、研究生,以及致力于无线通信系统研发、网络规划与优化的工程师和研究人员。通过阅读本书,读者将能够掌握设计和分析下一代无线多载波系统资源管理算法的理论基础和实践工具。 ---

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