双向中继系统传输策略与性能研究

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1、博士学位论文双向中继系统传输策略与性能研究StudyonTwo-WayRelayingProtocolandPer-formanceAnalysis作者：史士杰导师：李世银教授中国矿业大学2016年6月中图分类号TN925学校代码10290UDC621.396密级公开中国矿业大学博士学位论文双向中继系统传输策略与性能研究StudyonTwo-WayRelayingProtocolandPerfor-manceAnalysis作者史士杰导师李世银申请学位工学博士学位培养单位信电学院学科专业通信与信息系统研究方向无线通信答辩委员会主席赵力评阅人盲审

2、二〇一六年六月论文审阅认定书研究生史士杰在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年月日致谢感谢我的恩师李世银教授对我长期的悉心教导和指引，李老师治学严谨、学识渊博、务实求新、精益求精、言传身教，在我硕士、博士阶段的学习中，李老师像灯塔一样指引着我的前进方向，像阳光一样照耀着我的求学之路，像雨露一样滋润着我的身心成长。在读博的漫长日日夜夜，遇到学术上

3、、物质上、精神上的困境之时，李老师总能给予无微不至的照顾。师爱如父，师恩如山，李老师的教诲将一直恩泽我今后的人生之路。在此，谨向李老师表示最崇高的敬意和最真挚的感谢。感谢RenPingLiu，WeiNi，CSIRO和国家留学基金委提供的留学机会，让我在学术之路上开阔了眼界，增长了见识，RenPingLiu和WeiNi专业的学术素养、严谨的治学态度使我的科研能力得到了升华。感谢中国矿业大学和信电学院的老师们多年来对我的关怀和培养，感谢李宗艳、卢兆林等老师们在论文开题和写作时的帮助。感谢我的师兄黄远江，在我论文写作时给出的宝贵鼓励和帮助；感谢Nik

4、olaZlatanov和VahidJamali在我论文遇到问题时给予的热情建议和帮助；感谢实验室的师弟师妹们在学习和生活中带来的关怀和帮助。特别感谢我的家人，尤其是我年迈的父母几十年的日夜操劳、无私的奉献，一切以我学业为中心，谢谢你们的坚守。最后，感谢所有支持和帮助过我的人。摘要无线双向中继通信系统作为一种常见的通信方式，其用户节点通过中继节点的协作来实现数据的交换，中继节点可以采用网络编码的方式来提高数据的传输效率、降低数据传输的单位能量消耗。在无线双向传输中，数据负载的传输伴随着大量的附加开销，如PLCP（物理层汇聚协议）层中的前导符，以及

5、信道信息的获取和调度信息的传输，因此在传输策略的设计和性能分析时，开销需要被考虑进来，但是目前已有的研究均没有考虑开销对系统性能的影响。缓存空间作为一种有限资源，可以在中继转发过程中用来存储已经正确接收到的数据包，使中继节点在更合适的时隙将之发送出去，从而提高系统的平均吞吐量。然而目前对双向中继系统的研究大都集中于系统可达速率的优化，提高吞吐量与降低能量消耗之间的折中，以及在特定排队时延限制下系统所能取得的性能，有限缓存空间对双向中继系统性能的影响尚未被充分研究。另外，由于无线链路的损耗特性，数据包在无线链路的传输中必然存在着一定的非零失败概率

6、，而目前已有的相关研究大都是建立在数据可以无误差传输的假设上。为此，本文在已有相关文献的基础上，对基于有限缓存、链路有损以及开销不可忽略的双向中继系统传输策略和性能进行分析。本文主要的创新和贡献可以归纳为：（1）在高斯信道下，提出一种无调度双向中继传输策略：针对调度需要大量信令开销，从而造成系统吞吐量严重受损的现象，提出了一种无需调度的随机网络编码传输策略，该策略考虑了缓存有限、链路存在损耗、信令开销不可忽略等特点。经过数学分析，给出了系统吞吐量、平均队长、溢出概率以及排队时延等性能的闭式解。通过对闭式解进行分析，文章给出四条定理以及证明，定理

7、指出：在考虑信令开销、链路存在损耗、缓存有限、没有调度的情况下，基于网络编码的双向中继系统吞吐量是一个关于缓存大小的单调递增凹函数；当缓存空间大于一定值时，双向中继系统的缓存溢出概率是一个关于缓存大小的单调递减凸函数；当缓存大于特定值时，双向中继系统的平均队列长度是一个关于缓存大小的递增近似线性函数；双向中继系统的平均排队时延是一个关于缓存大小的递增线性函数。无调度的传输策略在考虑信令开销、链路损耗、有限缓存等条件下，在数据包不太大时，所取得的系统吞吐量要优于已有的最好双向中继传输策略，在考虑信令开销的情况下，相比于已有最优策略，文章所提策略的

8、吞吐量增益达到近20%。另外文章所推导出的定理显示，通过增加缓存空间可以有效地提高系统的吞吐量。在考虑信令开销的情况下，通过增加缓存空间，可以增加9.