(理论与算法)无线网络中的资源配置Resource allocation in wireless networks

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出版者:
作者:Boche, Holger
出品人:
页数:189
译者:
出版时间:2006-12
价格:372.90元
装帧:
isbn号码:9783540462484
丛书系列:
图书标签:
  • 通信
  • 无线
  • IT
  • 无线网络
  • 资源配置
  • 理论
  • 算法
  • 通信工程
  • 网络优化
  • 资源调度
  • 分布式系统
  • 无线通信
  • 网络设计
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具体描述

The wireless industry is in the midst of a fundamental shift from providing voice-only services to offering customers an array of multimedia services, including a wide variety of audio, video and data communications capabilities. Future wireless networks will be integrated into every aspect of daily life, and therefore could affect our life in a magnitude similar to that of the Internet and cellular phones. This monograph demonstrates that these emerging applications and directions require fundamental understanding on how to design and control wireless networks that lies far beyond what the currently existing theory can provide. It is shown that mathematics is the key technology to cope with central technical problems in the design of wireless networks since the complexity of the problem simply precludes the use of engineering common sense alone to identify good solutions. The main objective of this book is to provide tools for better understanding the fundamental tradeoffs and interdependencies in wireless networks, with the goal of designing resource allocation strategies that exploit these interdependencies to achieve significant performance gains. The book consists of three largely independent parts: theory, applications and appendices. The latter contain foundational apects to make the book more understandable to readers who are not familiar with some basic concepts and results from linear algebra and convex analysis.

探寻无线通信的优化之道 无线网络已成为现代社会不可或缺的基石,其发展速度和普及程度日新月异。从智能手机到物联网设备,再到日益增长的5G和未来6G通信,我们身处的连接世界正以前所未有的方式扩展。然而,随着用户数量的激增和数据需求的爆炸式增长,如何高效、公平地利用有限的无线资源,成为了一项持续的挑战。这不仅关乎用户体验,更直接影响到通信系统的性能、能源效率以及整体的经济效益。 本书将深入探讨无线网络资源配置的核心理论与前沿算法。我们不仅仅是罗列技术概念,而是致力于揭示这些技术背后深刻的数学模型、优化原理以及实际应用中的权衡取舍。从最基础的频谱分配到复杂的动态资源调度,本书旨在为读者提供一个全面且深入的视角,理解无线网络资源配置的复杂性与重要性。 核心理论基石:理解资源配置的本质 资源配置的根源在于信息的传递与处理。在无线环境中,这些资源主要体现在: 频谱资源 (Spectrum Resources): 这是无线通信中最宝贵的资源。频谱的有效利用直接决定了网络的容量和速度。本书将从香农-哈特利的信道容量公式出发,介绍不同通信标准(如LTE, Wi-Fi)下频谱分配的基本原则,包括固定分配、动态频谱共享(DSS)和认知无线电(CR)等技术。我们将详细阐述如何通过功率控制、多址技术(TDMA, FDMA, CDMA, OFDMA)以及波束成形等手段,最大化频谱的利用效率。 功率资源 (Power Resources): 在无线传输中,功率的分配直接影响到信号的覆盖范围、数据速率以及设备的能耗。本书将讨论功率分配的策略,包括如何平衡传输速率与能耗,如何通过功率控制来减少干扰,以及在多用户场景下如何实现公平的功率分配。 计算与存储资源 (Computational and Storage Resources): 随着网络功能的复杂化,如移动边缘计算(MEC)和网络功能虚拟化(NFV),计算和存储资源也成为无线网络资源配置的重要组成部分。本书将探讨如何在终端、基站和云端之间进行计算卸载和数据存储的优化分配,以降低延迟、提高响应速度。 信道资源 (Channel Resources): 无线信道具有时变性和衰落性。本书将深入分析信道模型,并介绍如何利用信道状态信息(CSI)来进行有效的资源分配,例如自适应调制与编码(AMC)、分层调度和多输入多输出(MIMO)技术中的预编码。 前沿算法探索:应对复杂挑战的利器 为了应对日益复杂的无线网络环境,一系列先进的算法应运而生。本书将重点介绍并分析这些算法: 凸优化 (Convex Optimization): 许多资源配置问题可以被建模为凸优化问题。本书将介绍凸优化理论的基础,以及如何将其应用于功率分配、速率优化和干扰协调等问题。我们将详细讲解使用梯度下降、内点法等经典算法求解优化问题的方法。 博弈论 (Game Theory): 在多用户、自私的用户场景下,博弈论为分析和设计资源分配机制提供了强大的工具。我们将探讨纳什均衡、价格机制和激励兼容性等概念,并分析如何设计公平且高效的资源分配策略。 机器学习与深度学习 (Machine Learning and Deep Learning): 机器学习,特别是深度学习,在处理高维、非线性的资源配置问题上展现出巨大潜力。本书将介绍如何利用强化学习(RL)来进行动态调度和功率控制,如何使用深度神经网络(DNN)来预测信道状态和用户需求,以及如何通过迁移学习来加速模型的收敛。 排队论 (Queueing Theory): 对于分析网络中的缓冲和等待现象,排队论是必不可少的。本书将结合排队论模型,研究数据包的调度策略、服务质量(QoS)保证以及资源配置对网络延迟的影响。 近似算法与启发式算法 (Approximation Algorithms and Heuristic Algorithms): 许多资源配置问题属于NP-hard问题,无法在多项式时间内找到最优解。本书将介绍一些有效的近似算法和启发式算法,如贪婪算法、模拟退火和遗传算法,它们能够在可接受的时间内找到接近最优的解决方案。 贯穿全书的关注点: 性能评估与分析: 我们不仅会介绍算法,还会强调如何通过数学分析和仿真来评估不同资源配置策略的性能,包括吞吐量、延迟、公平性、能耗和稳定性等关键指标。 实际应用场景: 本书将结合具体的无线网络应用场景,如蜂窝网络(4G, 5G)、Wi-Fi网络、物联网(IoT)、车联网(V2X)以及卫星通信,来展示资源配置理论与算法的实际落地。 未来的发展趋势: 随着技术的不断演进,新的挑战和机遇也在不断涌现。本书将对未来无线网络资源配置的发展趋势进行展望,包括智能体的协作、分布式资源管理、以及与人工智能更深层次的融合。 通过对本书的学习,读者将能够: 建立扎实的理论基础: 深刻理解无线网络资源配置的数学原理和优化模型。 掌握前沿的算法技术: 能够选择、设计和实现适用于不同场景的资源配置算法。 具备解决实际问题的能力: 能够分析和解决无线网络中的资源瓶颈问题,提升系统性能。 展望未来发展方向: 能够跟上无线通信技术的发展步伐,为未来的研究和创新打下基础。 无论您是通信工程领域的学生、研究人员,还是致力于无线网络产品开发的工程师,本书都将是您深入理解和掌握无线网络资源配置这一核心技术的宝贵参考。

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读后感

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用户评价

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最近有幸拜读了《理论与算法》系列的一本新作,虽然这本书的主题是《无线网络中的资源配置Resource allocation in wireless networks》,但它所展现出的严谨学术态度和深刻洞察力,无疑为我对整个系列增添了更多期待。我尤其欣赏作者在引入新概念时所展现的循序渐进的叙事方式。即使是像“优化理论在现代通信系统中的应用”这样相对抽象的主题,也被作者巧妙地拆解成易于理解的构成部分。书中对经典算法如匈牙利算法的详细阐述,以及如何将其巧妙地应用于解决实际问题,让我印象深刻。作者并没有仅仅停留在理论层面,而是深入探讨了这些算法在不同场景下的性能表现,并提供了详实的仿真数据来佐证。

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令人欣喜的是,这本书并没有回避“小规模MIMO(Massive MIMO)系统中的资源管理挑战”。这是一个当前研究的热点,也是无线通信领域面临的重要技术难题。作者在这部分内容中,深入分析了Massive MIMO系统在部署和运行过程中所遇到的独特资源分配问题,例如大规模天线端口的管理、用户间的干扰协调、以及如何高效地分配有限的计算和通信资源。书中提出的一系列创新性的算法和理论框架,为解决这些挑战提供了新的思路和方法。作者在解释这些复杂算法时,并没有遗漏关键的数学推导和理论基础,同时又尽可能地贴近实际应用,使得读者能够理解这些理论的实际价值。

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这本书最让我惊叹的是其对“模糊逻辑控制”在资源管理中的独特视角。在以往的学习中,我更多地将其应用于机器人控制或模式识别,但作者却别出心裁地将其引入到无线网络领域,探讨如何利用模糊逻辑来处理资源分配的非线性、不确定性特点。这种跨领域的创新思维,着实令人耳目一新。书中通过大量的案例分析,展示了模糊逻辑如何能够有效地应对动态变化的网络环境,比如用户需求的多样性、信道质量的波动等,从而实现更精细化、更具适应性的资源调度。作者在解释模糊规则的设计和隶属度函数的选择时,也显得非常细致,能够帮助读者逐步掌握这一复杂的技术。

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我一直对“博弈论在通信协议设计中的作用”这一课题颇感兴趣,而这本书恰恰提供了非常深入的探讨。作者并没有简单地介绍博弈论的基本概念,而是着重阐述了如何利用纳什均衡、逆向归纳等工具来分析和设计资源竞争场景下的通信协议。例如,在讨论用户行为和网络运营商策略时,书中通过构建一个直观的博弈模型,生动地解释了不同参与者如何在追求自身利益最大化的同时,影响整个网络的资源分配效率。作者的分析逻辑非常清晰,推导过程严谨,并且结合了实际的网络场景,使得原本枯燥的数学模型变得生动起来。

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阅读过程中,我被作者对于“深度强化学习在动态资源调度中的应用”这一部分的讲解深深吸引。在当前人工智能飞速发展的背景下,将深度学习的强大能力与无线网络的复杂性相结合,是未来发展的重要方向。这本书不仅介绍了深度强化学习的基本框架,如Q-learning、DQN等,更重要的是,作者详细阐述了如何将其应用于无线网络的实时资源分配,比如动态调整传输功率、选择合适的信道、优化用户调度策略等。书中通过对实际案例的分析,展示了深度强化学习在提升网络吞吐量、降低时延、增强能效等方面的显著优势,为读者提供了宝贵的实践指导。

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