服务质量优先的无线通信网络功率和速率容错控制研究

The objective of existing power and rate control methods for wireless communication networks is to maximize the system capacity and network throughput, which did not consider the priority of quality-of-service (QoS) and the network faults. This project will research on the theoretical problems and key technologies of power and rate control for wireless communication networks by using fault-tolerant control techniques and based on the priority of QoS. The research contents are as follows: a quantitative index of QoS will be obtained, and a unified model of fault-tolerant power and rate control systems with the QoS index will be established. A dual closed-loop fault-tolerant power and rate controller will be designed. The transmission rate is controlled by the outer loop, while the transmit power is controlled by the inner loop. A set of fault-tolerant power and rate control theories and methods based on the priority of QoS will be presented for wireless communication networks. In addition, combined with the game theory and convex optimization methods, optimal and fairness-based allocations of the limited network resources of wireless communication networks with guaranteed QoS will be achieved. This project will provide a new way and a theoretical basis for the repidly developing wireless communication technology, and can also provide valuable references for computer networks and wireless sensor networks. It has important theoretical value and practical significance.

现有的无线通信网络功率和速率控制方法所追求的目标是系统容量最大化和网络吞吐量最大化，并没有优先考虑服务质量，也没有考虑网络故障的影响。本项目将从容错控制这一新的角度、以服务质量优先这一新的思路来研究无线通信网络功率和速率控制中的理论问题和关键技术。研究内容包括：确定网络服务质量的量化指标并将其融入到功率和速率控制中，建立服务质量优先的功率和速率容错控制系统的统一模型；在此基础上，采用双闭环的功率和速率容错控制器结构，外环进行速率控制，内环进行功率控制，提出一套服务质量优先的无线通信网络功率和速率容错控制理论和方法，并结合博弈论和凸优化方法，在保证服务质量的前提下，对无线通信网络有限的网络资源进行容错优化配置，并使用户之间的利益公平均衡。本项目的研究将对飞速发展的无线通信技术提供一种新的研究途径和理论依据，也可为计算机网络和无线传感器网络提供借鉴，具有重要的理论价值和实际意义。

当前及未来的无线通信网络支持语音、图像、视频、数据等多种形式的媒体信息，人们期望能够以最低的发射功率获得最大的传输速率，并保证网络的服务质量(QoS-Quality of Service)，这就需要有效的功率和速率控制。然而，现有的无线通信网络功率和速率控制方法所追求的目标是系统容量最大化和网络吞吐量最大化，并没有优先考虑服务质量，也没有考虑网络故障的影响。本项目综合考虑了无线通信网络中的传输时滞、信道衰落和网络故障等影响因素，以服务质量优先的思想，研究了无线通信网络的功率和速率控制问题，主要成果包括：1）确定了网络服务质量的量化指标并将其融入到功率和速率控制中，建立了服务质量优先的功率和速率控制系统的统一模型；2）同时考虑了功率控制和速率控制中的状态时滞和输入时滞、状态和输入具有不同时滞、具有多重时滞以及时变时滞的情况，提出了一系列有效的功率和速率控制方法；3）为了有效地处理复杂的非线性信道衰落，通过理论推导，得出了可用信道衰落的变化量来代替信道衰落，从而将未知的复杂非线性信道衰落转化为简单的有界非线性信道衰落的变化量，从而使问题简化。在此基础上，针对具有非线性信道衰落的无线通信网络，提出了有效的自适应控制、预测控制、鲁棒控制、以及滑模控制方法，并应用李雅普诺夫稳定性理论，证明了闭环系统的稳定性；4）针对无线通信网络出现故障的情况，提出了有效的故障检测和容错控制方法；5）针对无线通信网络建模困难的问题，提出了神经网络控制、自适应模糊控制以及数据驱动控制方法；6）应用博弈论和凸优化方法，提出了无线通信网络的网络资源容错优化配置方法。本项目的研究将对飞速发展的无线通信技术提供一种新的研究途径和理论依据，也可为计算机网络和无线传感器网络提供借鉴。