基于緩存輔助的雙向多中繼網絡調度方案：性能優(yōu)化與策略創(chuàng)新一、引言1.1研究背景與意義隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，人們對通信系統(tǒng)的性能要求日益提高，包括更高的數據傳輸速率、更低的傳輸時延、更廣的覆蓋范圍以及更強的可靠性。在這樣的背景下，雙向多中繼網絡作為一種有效的通信架構應運而生。雙向多中繼網絡允許兩個節(jié)點通過多個中繼節(jié)點進行雙向通信，與傳統(tǒng)的單向中繼網絡相比，它顯著提高了頻譜效率和系統(tǒng)容量。例如，在一些分布式通信場景中，雙向多中繼網絡可以讓多個節(jié)點之間實現高效的數據交互，大大提升了通信效率。然而，雙向多中繼網絡在實際應用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。無線信道的時變特性和衰落現象，會導致信號傳輸質量不穩(wěn)定，進而影響系統(tǒng)的整體性能。此外，多個中繼節(jié)點的協(xié)同工作也需要合理的調度策略，以避免干擾并充分利用資源。為了應對這些挑戰(zhàn)，緩存輔助技術逐漸被引入雙向多中繼網絡。通過在中繼節(jié)點部署緩存，能夠提前存儲部分數據，在用戶需要時直接從緩存中獲取，減少了對源節(jié)點的依賴，降低了傳輸時延，提高了系統(tǒng)的響應速度和可靠性。比如在視頻流傳輸中，緩存輔助技術可以提前緩存熱門視頻片段，當用戶請求時迅速提供，減少卡頓現象，提升觀看體驗。研究基于緩存輔助的雙向多中繼網絡調度方案具有重要的現實意義。在5G乃至未來6G通信系統(tǒng)中，對于海量數據的快速傳輸和處理需求極為迫切，高效的調度方案可以充分利用緩存資源，優(yōu)化數據傳輸路徑，提高頻譜利用率，滿足用戶對高速、穩(wěn)定通信的需求，推動無線通信技術向更高性能、更智能化的方向發(fā)展，為智能交通、遠程醫(yī)療、工業(yè)物聯網等新興應用場景提供堅實的通信技術支撐，促進相關產業(yè)的發(fā)展與創(chuàng)新。1.2國內外研究現狀在雙向多中繼網絡的研究領域，國內外學者取得了一系列重要成果。國外方面，文獻《大規(guī)模MIMO雙向中繼網絡：不完善CSI下的頻譜與能效分析》探討了在不完美信道狀態(tài)信息（CSI）條件下，多對大規(guī)模MIMO雙向中繼網絡的頻譜效率（SE）和能源效率（EE），針對采用最大比合并/最大比傳輸（MRC/MRT）策略時的三種功率縮放方案，得到了SE和EE的漸近表達式，揭示了當中繼天線數量增加時，系統(tǒng)性能的變化趨勢以及不完美CSI對頻譜和能源效率的影響。這為雙向多中繼網絡在復雜信道環(huán)境下的性能優(yōu)化提供了理論基礎。而在國內，有學者對基于迫零接收雙向多輸入多輸出（MIMO）多中繼網絡的三種中繼調度策略Max-Max、Min-Max和空間獨立調度進行研究，推導出三種調度策略對應的累積概率公式，并對三種不同算法的雙向中繼網絡的中斷率進行分析比較，發(fā)現在相同條件下，空間獨立調度策略最優(yōu)，Min-Max調度策略優(yōu)于Max-Max調度策略，為雙向多中繼網絡的調度算法選擇提供了參考依據。關于緩存輔助技術在無線通信中的應用，國外有研究利用機器學習和人工智能技術來優(yōu)化緩存策略，通過機器學習算法，系統(tǒng)可以自適應地學習和預測用戶的請求模式和行為習慣，從而更加智能地進行數據存儲和傳輸，顯著提升了緩存輔助系統(tǒng)的性能和適應性。國內也有研究關注緩存輔助的無線通信系統(tǒng)，如提出一種基于緩存輔助的中繼選擇策略，利用中繼節(jié)點的緩存來減少傳輸時延和節(jié)約能源，并對該策略的實現過程進行了詳細介紹，包括緩存管理、中繼節(jié)點的選擇以及能量分配，通過仿真實驗證實了該策略的有效性和可行性。在基于緩存輔助的雙向多中繼網絡調度方案的研究上，目前相關成果相對較少?，F有的研究主要集中在單向中繼網絡或單中繼節(jié)點場景下的緩存應用，對于雙向多中繼網絡這種更為復雜的場景，如何充分利用緩存輔助技術，實現高效的調度方案仍有待深入探索。現有研究在考慮緩存容量限制、用戶需求動態(tài)變化以及多中繼節(jié)點間的協(xié)同緩存與調度等方面還存在不足，難以滿足實際通信場景中對系統(tǒng)性能和靈活性的要求。1.3研究目標與創(chuàng)新點本研究旨在通過深入分析基于緩存輔助的雙向多中繼網絡，設計出高效的調度方案，實現系統(tǒng)性能的全面優(yōu)化，具體目標如下：提高頻譜效率：通過合理的調度策略，充分利用雙向通信的特性以及緩存輔助帶來的優(yōu)勢，減少傳輸過程中的冗余，最大化系統(tǒng)的頻譜利用效率，使系統(tǒng)在有限的頻譜資源下能夠傳輸更多的數據。例如，通過優(yōu)化中繼節(jié)點的調度順序和數據傳輸時機，避免頻譜資源的浪費，實現多對用戶同時進行高效通信。降低傳輸時延：借助中繼節(jié)點的緩存功能，根據用戶的歷史請求數據和實時需求預測，提前緩存熱門數據，當用戶請求時能夠快速從緩存中獲取，減少數據從源節(jié)點傳輸的時間，從而顯著降低數據傳輸的時延。在實時視頻會議場景中，確保視頻數據能夠及時傳輸，減少卡頓和延遲，提升用戶體驗。增強系統(tǒng)可靠性：考慮無線信道的衰落和干擾等不穩(wěn)定因素，設計具有魯棒性的調度方案，通過多中繼節(jié)點的協(xié)作和緩存數據的備份，當某一中繼節(jié)點或鏈路出現故障時，系統(tǒng)能夠快速切換到其他可用路徑或利用緩存數據繼續(xù)傳輸，保證通信的連續(xù)性和穩(wěn)定性。本研究的創(chuàng)新點主要體現在以下幾個方面：提出新的調度策略：打破傳統(tǒng)單向中繼網絡或單中繼節(jié)點場景下的調度思維定式，針對雙向多中繼網絡的復雜結構和緩存輔助的特點，設計一種基于聯合優(yōu)化的調度策略。該策略綜合考慮中繼節(jié)點的緩存狀態(tài)、信道質量、用戶需求等多方面因素，動態(tài)地選擇最佳的中繼節(jié)點和數據傳輸路徑，實現系統(tǒng)性能的全局最優(yōu)。例如，當多個中繼節(jié)點都有緩存數據時，根據用戶需求和信道質量，選擇能夠提供最快傳輸速度和最高可靠性的中繼節(jié)點進行數據轉發(fā)。引入機器學習算法：將機器學習算法應用于緩存輔助的雙向多中繼網絡調度中，通過對大量歷史數據的學習，使系統(tǒng)能夠自動識別用戶的行為模式和數據需求規(guī)律，從而更加智能地進行緩存管理和調度決策。利用深度學習算法預測用戶在不同時間段和場景下的請求數據類型和頻率，提前調整緩存內容和調度策略，提高系統(tǒng)的自適應能力和響應速度?？紤]緩存內容更新與協(xié)作：在研究中充分考慮中繼節(jié)點緩存內容的更新機制以及多中繼節(jié)點之間的緩存協(xié)作。提出一種基于數據流行度和時效性的緩存更新算法，及時淘汰過時的數據，更新為熱門數據，保證緩存數據的有效性。同時，設計中繼節(jié)點間的緩存協(xié)作策略，使不同中繼節(jié)點能夠共享緩存信息，避免重復緩存，提高緩存資源的利用率，進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。二、相關技術原理與網絡模型2.1雙向中繼網絡基礎2.1.1雙向中繼網絡特點雙向中繼網絡是一種特殊的無線通信網絡架構，它允許兩個節(jié)點之間通過一個或多個中繼節(jié)點進行雙向數據傳輸。相較于傳統(tǒng)的單向中繼網絡，雙向中繼網絡具有諸多顯著特點。雙向中繼網絡能有效提高頻譜效率。在傳統(tǒng)單向中繼通信中，源節(jié)點向目的節(jié)點傳輸數據時，頻譜資源在一個方向上被占用，而在雙向中繼網絡中，兩個節(jié)點可以同時利用相同的頻譜資源進行數據交互。以海上編隊通信為例，不同艦艇之間需要實時交換各種信息，包括位置信息、戰(zhàn)術指令、目標監(jiān)測數據等。如果采用單向中繼網絡，每次信息傳輸都需要單獨占用頻譜資源，導致頻譜利用率較低。而雙向中繼網絡可以讓兩艘艦艇同時向對方發(fā)送信息，大大提高了頻譜的使用效率，使得在有限的頻譜資源下能夠傳輸更多的數據，滿足海上編隊復雜通信需求。雙向中繼網絡能夠增大系統(tǒng)吞吐量。通過利用網絡編碼技術，中繼節(jié)點可以將接收到的來自兩個源節(jié)點的信號進行編碼組合后再轉發(fā)，這樣在相同的時間和帶寬資源下，目的節(jié)點能夠接收到更多的有效信息，從而提升了系統(tǒng)的整體吞吐量。在海上編隊中，當多艘艦艇與指揮中心進行通信時，雙向中繼網絡可以使指揮中心快速接收各艦艇的狀態(tài)信息，同時將作戰(zhàn)指令及時傳達給各艦艇，保障通信的高效性，提升整個編隊的作戰(zhàn)協(xié)同能力。雙向中繼網絡還具有增強信號傳輸可靠性的特點。多中繼節(jié)點的存在提供了多條傳輸路徑，當某一條路徑受到干擾或出現故障時，數據可以通過其他路徑進行傳輸。在海上復雜的電磁環(huán)境中，信號容易受到干擾而發(fā)生衰落或中斷。雙向中繼網絡中的多個中繼節(jié)點可以分散信號傳輸風險，即使部分鏈路出現問題，也能保證通信的連續(xù)性，確保關鍵信息的穩(wěn)定傳輸，為海上編隊的安全航行和作戰(zhàn)行動提供可靠的通信保障。2.1.2雙向中繼協(xié)議在雙向中繼網絡中，常用的中繼協(xié)議主要有放大轉發(fā)（Amplify-and-Forward，AF）協(xié)議和解碼轉發(fā)（Decode-and-Forward，DF）協(xié)議。放大轉發(fā)（AF）協(xié)議的工作原理較為簡單。中繼節(jié)點接收到來自源節(jié)點的信號后，不對信號進行解碼，而是直接將其放大，然后再轉發(fā)給目的節(jié)點。這種協(xié)議的優(yōu)勢在于實現復雜度低，對中繼節(jié)點的處理能力要求不高，能夠快速完成信號的轉發(fā)過程，適用于一些對傳輸延遲要求較低且信道條件相對較好的場景。在一些簡單的無線傳感器網絡中，傳感器節(jié)點的計算能力和存儲資源有限，AF協(xié)議可以讓中繼節(jié)點快速放大并轉發(fā)傳感器采集的數據，滿足實時性要求。但AF協(xié)議也存在明顯的缺點，由于它會將接收到的信號連同噪聲一起放大轉發(fā)，隨著傳輸距離的增加或跳數的增多，噪聲會不斷累積，從而嚴重影響信號的傳輸質量，導致誤碼率升高，因此在噪聲干擾較大的環(huán)境中應用受限。解碼轉發(fā)（DF）協(xié)議則有所不同。中繼節(jié)點在接收到源節(jié)點的信號后，首先對其進行解碼，將接收到的信號還原為原始信息，然后再對信息重新編碼并轉發(fā)給目的節(jié)點。該協(xié)議的優(yōu)點是能夠有效消除傳輸過程中引入的噪聲，因為中繼節(jié)點在解碼過程中可以檢測和糾正部分錯誤信息，然后再發(fā)送正確編碼后的信號，從而提高了信號傳輸的準確性和可靠性。在對數據準確性要求較高的通信場景，如金融數據傳輸、醫(yī)療圖像傳輸等，DF協(xié)議能夠確保數據的完整性和正確性。然而，DF協(xié)議也有其不足之處，它需要中繼節(jié)點具備較強的計算和處理能力，以完成信號的解碼和重新編碼操作，這增加了中繼節(jié)點的硬件成本和處理復雜度。此外，由于解碼和編碼過程需要一定的時間，DF協(xié)議的傳輸延遲相對較大，不適用于對延遲要求極為苛刻的實時通信場景。2.2緩存輔助技術原理2.2.1緩存輔助技術工作機制緩存輔助技術的核心在于在網絡節(jié)點（如中繼節(jié)點、基站等）設置緩存設備，這些緩存設備能夠存儲一定量的數據。其工作機制主要涉及數據的存儲和調度兩個關鍵環(huán)節(jié)。在數據存儲方面，當網絡中有數據傳輸時，緩存設備會根據一定的策略對經過的數據進行篩選和存儲。例如，對于一些熱門內容，如熱門視頻、流行音樂等，由于其被請求的概率較高，緩存設備會優(yōu)先將這些數據存儲起來。以視頻網站為例，當大量用戶頻繁請求某部熱門電視劇時，位于網絡邊緣的中繼節(jié)點緩存設備就會將該電視劇的部分或全部內容存儲下來，以備后續(xù)用戶請求時直接提供，無需再次從源服務器獲取。同時，緩存設備還會根據數據的時效性和流行度動態(tài)調整存儲內容，及時淘汰那些不再熱門或過期的數據，為新的熱門數據騰出空間。在數據調度方面，當用戶發(fā)出數據請求時，緩存設備會首先檢查自身是否存儲了該請求的數據。如果存在，緩存設備會直接將數據快速傳輸給用戶，大大縮短了數據傳輸的時延。假設用戶請求觀看一部熱門電影，而該電影的部分片段已經存儲在附近的中繼節(jié)點緩存中，那么用戶就可以從緩存中迅速獲取這些片段，幾乎無需等待，觀看體驗得到極大提升。若緩存中沒有用戶請求的數據，緩存設備會根據網絡的當前狀態(tài)，如信道質量、源節(jié)點負載等因素，選擇最佳的數據獲取路徑，從源節(jié)點或其他具有該數據的節(jié)點獲取數據，并在傳輸過程中，根據實際情況將部分數據存儲到緩存中，以便后續(xù)可能的請求。緩存輔助技術通過這種有效的數據存儲和調度機制，能夠顯著減少數據傳輸的時延，降低網絡擁塞，提高數據傳輸的可靠性，為雙向多中繼網絡的高效運行提供了有力支持。2.2.2緩存策略緩存策略是緩存輔助技術的關鍵組成部分，它決定了在有限的緩存空間中存儲哪些數據，以最大化緩存的利用率和系統(tǒng)性能。常見的緩存策略包括隨機緩存策略、基于流行度的緩存策略、基于頻率的緩存策略以及基于預測的緩存策略等。隨機緩存策略是一種最簡單的緩存策略，它在數據到達緩存時，隨機選擇緩存空間進行存儲。當新的數據需要存入緩存時，隨機選擇一個已有的緩存塊進行替換。這種策略的優(yōu)點是實現簡單，不需要對數據進行復雜的分析和處理，計算開銷小，在一些對緩存性能要求不高、數據分布較為均勻且沒有明顯流行度差異的場景下，如某些測試環(huán)境或數據量較小且無規(guī)律的網絡中，隨機緩存策略可以快速實現數據的緩存存儲。然而，隨機緩存策略的缺點也很明顯，由于它沒有考慮數據的重要性和被請求的概率，緩存命中率往往較低，不能有效利用緩存資源，可能導致頻繁的緩存替換和數據丟失，降低了緩存的實際效用?；诹餍卸鹊木彺娌呗詣t是根據數據的流行程度來決定緩存內容。它通過統(tǒng)計數據被請求的次數或頻率，將流行度高的數據存儲在緩存中。在視頻流媒體平臺中，熱門電影和電視劇的觀看次數較多，流行度高，緩存設備就會優(yōu)先緩存這些內容。這種策略的優(yōu)勢在于能夠顯著提高緩存命中率，因為流行度高的數據被再次請求的可能性較大，從而有效減少了數據從源節(jié)點傳輸的次數，降低了傳輸時延和網絡擁塞。但基于流行度的緩存策略也存在一定的局限性，它需要實時統(tǒng)計數據的請求次數，對系統(tǒng)的計算和存儲資源有一定要求，而且對于一些新興的、尚未積累足夠請求次數但潛在需求較大的數據，可能無法及時緩存，導致緩存內容的時效性不足?；陬l率的緩存策略與基于流行度的緩存策略類似，但它更側重于數據被請求的頻率。通過記錄每個數據塊在一定時間內被請求的頻率，將頻率高的數據塊存儲在緩存中。在一個文件共享網絡中，某些常用的文件，如辦公軟件模板、開源代碼庫等，被不同用戶頻繁下載，基于頻率的緩存策略會將這些文件存儲在緩存中，方便后續(xù)用戶快速獲取。這種策略的優(yōu)點是能夠準確反映數據的實際使用情況，提高緩存的有效性。然而，它也面臨與基于流行度緩存策略類似的問題，即需要持續(xù)跟蹤和統(tǒng)計數據請求頻率，增加了系統(tǒng)的復雜度，并且對于突發(fā)的、短暫高頻率請求的數據，可能會占用過多緩存空間，影響其他數據的緩存。基于預測的緩存策略是利用機器學習、數據分析等技術，對用戶的行為和數據需求進行預測，提前將可能被請求的數據存儲在緩存中。通過分析用戶的歷史瀏覽記錄、觀看習慣以及當前的網絡環(huán)境等因素，預測用戶接下來可能請求的視頻內容，并將相關數據緩存到中繼節(jié)點。這種策略的優(yōu)勢在于能夠主動適應用戶需求的變化，在用戶請求之前就準備好數據，進一步降低傳輸時延，提高用戶體驗。但基于預測的緩存策略對預測算法的準確性要求較高，如果預測不準確，可能會緩存大量用戶不需要的數據，浪費緩存空間，而且預測過程需要大量的歷史數據和復雜的計算，對系統(tǒng)的性能和資源要求較高。2.3雙向多中繼網絡系統(tǒng)模型構建2.3.1網絡架構設計本文構建的雙向多中繼網絡系統(tǒng)模型包含兩個源節(jié)點，分別記為S_1和S_2，一個目的節(jié)點D，以及N個中繼節(jié)點，記為R_1,R_2,\cdots,R_N。源節(jié)點S_1和S_2之間無法直接通信，需要通過中繼節(jié)點進行數據傳輸。源節(jié)點S_1和S_2的主要功能是產生并發(fā)送數據，同時接收來自目的節(jié)點D的反饋信息，以調整自身的數據傳輸策略。目的節(jié)點D負責接收來自中繼節(jié)點轉發(fā)的數據，并將處理后的結果反饋給源節(jié)點。中繼節(jié)點在整個網絡中起著關鍵的橋梁作用。它們接收來自源節(jié)點的信號，經過處理后再轉發(fā)給目的節(jié)點。每個中繼節(jié)點都配備了一定容量的緩存，用于存儲部分數據。緩存的存在使得中繼節(jié)點在數據傳輸過程中具有一定的自主性，當源節(jié)點的信號受到干擾或傳輸中斷時，中繼節(jié)點可以從緩存中讀取數據進行轉發(fā)，從而保證數據傳輸的連續(xù)性。中繼節(jié)點之間也可以通過一定的通信機制進行信息交互，以實現緩存內容的共享和協(xié)作，提高緩存資源的利用率。在網絡連接方面，源節(jié)點與中繼節(jié)點之間、中繼節(jié)點與目的節(jié)點之間均通過無線信道進行連接。這些無線信道具有時變特性，信號在傳輸過程中會受到衰落、噪聲等因素的影響，導致信號質量下降。不同的源節(jié)點-中繼節(jié)點鏈路以及中繼節(jié)點-目的節(jié)點鏈路的信道質量可能存在差異，這就需要在調度方案設計中充分考慮信道狀態(tài)信息，以優(yōu)化數據傳輸路徑，提高系統(tǒng)性能。圖1展示了雙向多中繼網絡的基本架構：圖1雙向多中繼網絡架構2.3.2信道模型與假設條件在本系統(tǒng)模型中，假設所有信道都服從瑞利衰落。瑞利衰落是無線通信中常見的一種衰落模型，適用于不存在直射路徑，信號主要通過多徑傳播到達接收端的場景。在瑞利衰落信道中，信號的包絡服從瑞利分布，相位服從均勻分布。對于源節(jié)點S_i（i=1,2）到中繼節(jié)點R_j（j=1,2,\cdots,N）的信道增益，記為h_{ij}，以及中繼節(jié)點R_j到目的節(jié)點D的信道增益，記為h_{jD}，它們均為獨立同分布的復高斯隨機變量，其均值為0，方差為\sigma_{ij}^2和\sigma_{jD}^2，分別表示不同鏈路的信道衰落程度。同時，做出以下假設條件：節(jié)點半雙工假設：所有節(jié)點均工作在半雙工模式，即節(jié)點不能同時進行發(fā)送和接收操作。在某一時刻，節(jié)點要么處于發(fā)送狀態(tài)，要么處于接收狀態(tài)。在源節(jié)點向中繼節(jié)點發(fā)送數據時，中繼節(jié)點只能接收，不能向目的節(jié)點轉發(fā)數據；反之，當中繼節(jié)點向目的節(jié)點轉發(fā)數據時，不能接收源節(jié)點發(fā)送的信號。這一假設符合大多數實際無線通信設備的工作特性，雖然限制了節(jié)點的工作方式，但也簡化了系統(tǒng)設計和分析的復雜度。信道增益獨立假設：不同鏈路的信道增益相互獨立。源節(jié)點S_1到中繼節(jié)點R_1的信道增益h_{11}與源節(jié)點S_2到中繼節(jié)點R_2的信道增益h_{22}以及其他鏈路的信道增益之間不存在相關性。這一假設在實際的無線通信環(huán)境中是合理的，因為不同鏈路的信號傳播路徑、周圍環(huán)境等因素不同，導致信道衰落特性相互獨立。信道狀態(tài)信息（CSI）假設：假設所有節(jié)點都能準確獲取信道狀態(tài)信息。源節(jié)點S_1和S_2可以知道它們到各個中繼節(jié)點的信道增益h_{ij}，中繼節(jié)點可以知道它們到源節(jié)點的信道增益h_{ij}以及到目的節(jié)點D的信道增益h_{jD}，目的節(jié)點D可以知道從中繼節(jié)點到自身的信道增益h_{jD}。準確的信道狀態(tài)信息對于調度方案的設計至關重要，它可以幫助節(jié)點根據信道質量選擇最佳的傳輸策略，如選擇合適的中繼節(jié)點、調整傳輸功率等，以提高系統(tǒng)性能。在實際應用中，可以通過導頻信號等方式來獲取信道狀態(tài)信息，但由于無線信道的時變特性，獲取的信道狀態(tài)信息可能存在一定的誤差，后續(xù)研究可以考慮信道狀態(tài)信息不完美的情況對系統(tǒng)性能的影響。三、傳統(tǒng)雙向多中繼網絡調度方案分析3.1傳統(tǒng)中繼選擇策略3.1.1基于信噪比的中繼選擇在傳統(tǒng)雙向多中繼網絡中，基于信噪比（Signal-to-NoiseRatio，SNR）的中繼選擇策略是一種較為常見且基礎的方法。該策略的核心原理是在多個中繼節(jié)點中，選擇接收信噪比最高的中繼節(jié)點來協(xié)助源節(jié)點與目的節(jié)點之間的數據傳輸。在雙向通信過程中，源節(jié)點向中繼節(jié)點發(fā)送信號時，由于無線信道的衰落、噪聲等因素的影響，不同中繼節(jié)點接收到的信號質量會有所差異。中繼節(jié)點接收到的信號信噪比可以通過以下公式計算：SNR=\frac{P_s|h_{s-r}|^2}{N_0}，其中P_s表示源節(jié)點的發(fā)射功率，h_{s-r}表示源節(jié)點到中繼節(jié)點的信道增益，N_0表示噪聲功率。信噪比越高，意味著信號強度相對噪聲越強，信號在傳輸過程中受到的干擾越小，數據傳輸的準確性和可靠性就越高。當源節(jié)點S_1向目的節(jié)點D傳輸數據時，多個中繼節(jié)點R_1,R_2,\cdots,R_N都會接收到S_1發(fā)送的信號。每個中繼節(jié)點根據自身接收到的信號計算信噪比，然后將信噪比信息反饋給源節(jié)點S_1或目的節(jié)點D。假設中繼節(jié)點R_1接收到的信噪比為SNR_1，R_2接收到的信噪比為SNR_2，以此類推。如果SNR_1>SNR_2>\cdots>SNR_N，則基于信噪比的中繼選擇策略會選擇中繼節(jié)點R_1來轉發(fā)S_1的數據。因為在這種情況下，R_1接收到的信號質量最好，由它進行轉發(fā)能夠最大程度地減少信號在傳輸過程中的失真和誤碼率，提高數據傳輸的成功率。這種基于信噪比的中繼選擇策略具有明顯的優(yōu)勢。它能夠直接反映無線信道的實時狀態(tài)，根據信道的實際情況動態(tài)選擇最佳的中繼節(jié)點，適應信道的時變特性。在城市復雜的無線通信環(huán)境中，信號會受到建筑物遮擋、多徑傳播等因素的影響，導致不同位置的中繼節(jié)點接收到的信號信噪比差異較大。基于信噪比的中繼選擇策略可以及時捕捉到這些變化，選擇信號質量最好的中繼節(jié)點，保證通信的穩(wěn)定性。該策略的實現相對簡單，不需要復雜的計算和額外的硬件設備，只需要測量和比較信噪比即可，在資源受限的無線通信設備中具有較好的實用性。然而，這種策略也存在一定的局限性。它僅僅考慮了信噪比這一個因素，而在實際的雙向多中繼網絡中，還有許多其他因素會影響系統(tǒng)性能，如中繼節(jié)點的緩存狀態(tài)、中繼節(jié)點的處理能力、網絡的負載情況等。如果只依據信噪比選擇中繼節(jié)點，可能會忽略其他重要因素，導致系統(tǒng)整體性能無法達到最優(yōu)。在某些情況下，雖然某個中繼節(jié)點的信噪比很高，但它的緩存已經滿了，無法存儲新的數據，或者它的處理能力有限，不能及時對接收到的數據進行處理和轉發(fā)，此時選擇該中繼節(jié)點可能會導致數據傳輸延遲增加或數據丟失。此外，信噪比的測量也可能存在誤差，特別是在快速變化的無線信道環(huán)境中，測量得到的信噪比可能不能準確反映信道的真實狀態(tài)，從而影響中繼節(jié)點的選擇效果。3.1.2基于距離的中繼選擇基于距離的中繼選擇策略是另一種傳統(tǒng)的中繼選擇方法，它主要依據源節(jié)點、目的節(jié)點與中繼節(jié)點之間的距離來選擇合適的中繼節(jié)點參與數據傳輸。在無線通信中，信號在傳輸過程中會隨著傳輸距離的增加而發(fā)生衰減，距離越遠，信號衰減越嚴重，同時受到噪聲干擾的影響也越大?；诰嚯x的中繼選擇策略正是基于這一原理，認為距離源節(jié)點和目的節(jié)點較近的中繼節(jié)點能夠接收到更強的信號，并且在轉發(fā)信號時，信號到達目的節(jié)點的傳輸距離也相對較短，從而可以減少信號的衰減和傳輸時延，提高數據傳輸的可靠性。具體實現過程中，首先需要獲取源節(jié)點、目的節(jié)點以及各個中繼節(jié)點的位置信息，可以通過全球定位系統(tǒng)（GPS）、無線定位技術或預先設定的網絡拓撲結構來確定。然后計算源節(jié)點到每個中繼節(jié)點的距離d_{s-r_i}（i=1,2,\cdots,N）以及中繼節(jié)點到目的節(jié)點的距離d_{r_i-d}。在選擇中繼節(jié)點時，通常會綜合考慮這兩個距離因素，采用不同的準則進行決策。一種常見的準則是選擇總距離d_{s-r_i}+d_{r_i-d}最小的中繼節(jié)點。在一個由源節(jié)點S、目的節(jié)點D和三個中繼節(jié)點R_1、R_2、R_3組成的雙向多中繼網絡中，假設d_{s-r_1}=3，d_{r_1-d}=4，d_{s-r_2}=5，d_{r_2-d}=3，d_{s-r_3}=4，d_{r_3-d}=4。按照總距離最小的準則計算可得，d_{s-r_1}+d_{r_1-d}=7，d_{s-r_2}+d_{r_2-d}=8，d_{s-r_3}+d_{r_3-d}=8，因此會選擇中繼節(jié)點R_1?；诰嚯x的中繼選擇策略具有一些獨特的優(yōu)勢。它的實現相對簡單直觀，不需要復雜的信號處理和計算，只需要獲取節(jié)點的位置信息并進行距離計算即可。在一些對實時性要求較高且網絡環(huán)境相對穩(wěn)定的場景中，這種策略能夠快速地選擇中繼節(jié)點，保證數據的及時傳輸。在工業(yè)物聯網中，工廠內的設備位置相對固定，通過基于距離的中繼選擇策略可以快速搭建穩(wěn)定的通信網絡，實現設備之間的數據交互。該策略在一定程度上可以減少信號的傳輸損耗，因為選擇距離較近的中繼節(jié)點能夠降低信號在傳輸過程中的衰減程度，提高信號質量，從而提高數據傳輸的成功率。但是，基于距離的中繼選擇策略也存在明顯的缺點。它僅僅考慮了距離因素，而忽略了其他重要的因素，如信道質量、中繼節(jié)點的負載情況、緩存狀態(tài)等。在實際的無線通信環(huán)境中，距離近并不一定意味著信道質量好，可能存在障礙物阻擋、干擾源等因素導致近距離的鏈路信道質量很差，此時選擇距離近的中繼節(jié)點反而會影響數據傳輸性能。在一個城市街道的無線通信場景中，雖然某個中繼節(jié)點距離源節(jié)點和目的節(jié)點較近，但由于附近有強干擾源，導致該中繼節(jié)點與源節(jié)點或目的節(jié)點之間的信道質量很差，信號傳輸錯誤率高，此時選擇該中繼節(jié)點就不是一個明智的選擇。此外，這種策略沒有考慮到網絡的動態(tài)變化，如節(jié)點的移動、新節(jié)點的加入或舊節(jié)點的退出等，當網絡拓撲結構發(fā)生變化時，基于距離的中繼選擇策略可能無法及時適應，需要重新計算和選擇中繼節(jié)點，這可能會導致通信中斷或性能下降。3.2傳統(tǒng)鏈路調度策略3.2.1時分復用鏈路調度時分復用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）鏈路調度策略是將傳輸時間劃分為多個固定長度的時間片，每個時間片分配給不同的節(jié)點用于數據傳輸。在雙向多中繼網絡中，各節(jié)點按照預先設定的時間順序輪流占用信道進行數據發(fā)送和接收。假設系統(tǒng)有兩個源節(jié)點S_1、S_2，三個中繼節(jié)點R_1、R_2、R_3以及目的節(jié)點D。在一個調度周期內，時間片1分配給S_1向中繼節(jié)點發(fā)送數據，此時S_1將數據發(fā)送給R_1、R_2、R_3；時間片2則分配給S_2向中繼節(jié)點發(fā)送數據；時間片3安排R_1將接收到的S_1和S_2的數據轉發(fā)給目的節(jié)點D；時間片4和時間片5分別由R_2和R_3進行數據轉發(fā)。通過這種方式，不同節(jié)點在不同的時間片內使用相同的信道資源，避免了節(jié)點間的傳輸沖突。時分復用鏈路調度策略具有一定的優(yōu)勢。它的實現相對簡單，不需要復雜的信號處理和同步技術，只需要精確的時間同步機制來確保各節(jié)點在規(guī)定的時間片內進行數據傳輸。這種策略能夠有效避免節(jié)點之間的干擾，因為在同一時刻只有一個節(jié)點在發(fā)送數據，其他節(jié)點處于接收或空閑狀態(tài)，保證了數據傳輸的穩(wěn)定性和可靠性。在一些對實時性要求不高但對傳輸穩(wěn)定性要求較高的場景，如文件傳輸、電子郵件發(fā)送等，時分復用鏈路調度策略能夠很好地發(fā)揮作用，確保數據準確無誤地傳輸。然而，時分復用鏈路調度策略也存在明顯的局限性。由于每個節(jié)點只能在分配到的固定時間片內傳輸數據，如果某個節(jié)點在其時間片內沒有數據要發(fā)送，那么該時間片就會被浪費，導致信道資源利用率較低。在實際應用中，數據的產生往往是突發(fā)的，這種固定的時間片分配方式不能很好地適應數據流量的動態(tài)變化。當網絡中節(jié)點數量較多時，每個節(jié)點分配到的時間片會相應減少，這可能會導致數據傳輸時延增加，無法滿足一些對實時性要求較高的應用場景，如實時視頻通話、在線游戲等。3.2.2頻分復用鏈路調度頻分復用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM）鏈路調度策略是將整個可用頻譜劃分為多個互不重疊的子頻段，每個子頻段分配給不同的節(jié)點或鏈路用于數據傳輸，從而實現多個節(jié)點或鏈路在同一時間內并行通信。在雙向多中繼網絡中，源節(jié)點S_1可以被分配一個特定的子頻段f_1，用于向中繼節(jié)點發(fā)送數據；源節(jié)點S_2則被分配另一個子頻段f_2。中繼節(jié)點在接收來自源節(jié)點的數據時，根據不同的子頻段來區(qū)分不同源節(jié)點的信號。當中繼節(jié)點向目的節(jié)點轉發(fā)數據時，也會為不同的數據流分配不同的子頻段。中繼節(jié)點R_1可以使用子頻段f_3將從S_1接收到的數據轉發(fā)給目的節(jié)點D，而使用子頻段f_4將從S_2接收到的數據轉發(fā)給D。通過這種方式，不同節(jié)點或鏈路在不同的子頻段上同時進行數據傳輸，互不干擾。頻分復用鏈路調度策略的優(yōu)點在于它能夠充分利用頻譜資源，實現多個節(jié)點或鏈路的并行通信，從而提高系統(tǒng)的整體吞吐量。由于不同節(jié)點或鏈路在不同的頻段上工作，相互之間的干擾較小，信號傳輸的質量相對較高。在一些對數據傳輸速率要求較高的場景，如高清視頻流傳輸、大文件下載等，頻分復用鏈路調度策略可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，為用戶提供高速、穩(wěn)定的通信服務。但是，頻分復用鏈路調度策略也存在一些缺點。它對頻譜資源的分配要求較高，需要精確地劃分和管理各個子頻段，以避免頻段之間的干擾。這增加了系統(tǒng)的復雜性和成本，需要使用高性能的濾波器和頻譜管理設備。由于每個節(jié)點或鏈路都需要占用一定的固定頻段，當網絡中的節(jié)點數量增加或業(yè)務需求變化時，頻譜資源的重新分配和調整會變得困難，缺乏靈活性。此外，頻分復用鏈路調度策略還受到信道帶寬的限制，可用的頻譜資源有限，難以滿足不斷增長的通信需求。3.3傳統(tǒng)調度方案性能評估3.3.1中斷概率分析中斷概率是衡量雙向多中繼網絡通信可靠性的關鍵指標，它表示由于信道條件惡劣或其他因素導致通信失敗的概率。對于傳統(tǒng)的雙向多中繼網絡調度方案，中斷概率的分析至關重要。在基于信噪比的中繼選擇策略中，假設源節(jié)點S_1向目的節(jié)點D傳輸數據，中繼節(jié)點R_i接收到S_1的信號信噪比為SNR_{i}，其表達式為SNR_{i}=\frac{P_{S_1}|h_{S_1R_i}|^2}{N_0}，其中P_{S_1}是源節(jié)點S_1的發(fā)射功率，h_{S_1R_i}是S_1到R_i的信道增益，N_0是噪聲功率。若SNR_{i}低于某個預設的閾值SNR_{th}，則認為該鏈路發(fā)生中斷。假設存在N個中繼節(jié)點，采用基于信噪比的中繼選擇策略時，系統(tǒng)的中斷概率P_{out1}可以表示為：P_{out1}=P(\max\{SNR_{1},SNR_{2},\cdots,SNR_{N}\}<SNR_{th})。由于SNR_{i}服從一定的概率分布（在瑞利衰落信道下，|h_{S_1R_i}|^2服從指數分布），根據概率理論可以推導出P_{out1}的具體表達式。通過分析可知，影響中斷概率的因素主要有發(fā)射功率P_{S_1}、噪聲功率N_0以及信道衰落特性（由|h_{S_1R_i}|^2的分布體現）。發(fā)射功率越大，在相同噪聲和信道條件下，信噪比越高，中斷概率越低；噪聲功率越大，信噪比越低，中斷概率越高；信道衰落越嚴重，|h_{S_1R_i}|^2的方差越大，信號波動越大，中斷概率也會相應增加。在基于距離的中繼選擇策略中，信號的衰減與傳輸距離密切相關。設源節(jié)點S到中繼節(jié)點R的距離為d_{SR}，中繼節(jié)點R到目的節(jié)點D的距離為d_{RD}，信號在傳輸過程中的衰減可以表示為A=d_{SR}^{-\alpha}+d_{RD}^{-\alpha}，其中\(zhòng)alpha是路徑損耗指數。當信號衰減過大，導致接收端的信噪比低于閾值時，鏈路發(fā)生中斷。假設存在多個中繼節(jié)點，基于距離的中繼選擇策略下系統(tǒng)的中斷概率P_{out2}可以通過分析不同中繼節(jié)點對應的信號衰減情況來推導。在這種情況下，影響中斷概率的因素除了發(fā)射功率、噪聲功率外，節(jié)點間的距離以及路徑損耗指數起著關鍵作用。距離越遠，信號衰減越大，中斷概率越高；路徑損耗指數\alpha越大，說明信號在傳輸過程中的衰減越快，同樣會導致中斷概率升高。3.3.2吞吐量分析吞吐量是衡量雙向多中繼網絡數據傳輸能力的重要指標，它表示單位時間內成功傳輸的數據量。傳統(tǒng)雙向多中繼網絡調度方案的吞吐量計算涉及多個因素。對于時分復用鏈路調度策略，假設一個調度周期為T，時間片的數量為n，每個時間片的長度為t，即T=nt。在每個時間片內，節(jié)點傳輸的數據量為L。由于在時分復用中，各節(jié)點輪流占用信道，實際用于數據傳輸的時間占總時間的比例為\frac{1}{n}。因此，系統(tǒng)的吞吐量R_{TDM}可以表示為R_{TDM}=\frac{L}{T}\times\frac{1}{n}。從中可以看出，影響吞吐量的因素主要有每個時間片內傳輸的數據量L以及時間片的數量n。如果每個時間片內能夠傳輸更多的數據（即L增大），或者減少時間片的數量（在保證各節(jié)點都能完成數據傳輸的前提下），都可以提高吞吐量。然而，在實際應用中，每個時間片內傳輸的數據量受到信道帶寬、信號調制方式等因素的限制；而時間片數量的減少又可能導致某些節(jié)點無法及時完成數據傳輸，影響通信質量。此外，當網絡中節(jié)點數量增加時，時間片數量會相應增多，每個節(jié)點分配到的傳輸時間減少，從而導致吞吐量下降。對于頻分復用鏈路調度策略，假設整個可用頻譜帶寬為B，被劃分為m個子頻段，每個子頻段的帶寬為b，即B=mb。每個子頻段上的數據傳輸速率為r。由于各節(jié)點在不同的子頻段上同時傳輸數據，系統(tǒng)的吞吐量R_{FDM}可以表示為R_{FDM}=r\timesm。影響頻分復用鏈路調度策略吞吐量的主要因素有每個子頻段的數據傳輸速率r以及子頻段的數量m。數據傳輸速率r與信道質量、信號調制方式、編碼方案等有關，信道質量越好，采用更高階的調制方式和更有效的編碼方案，可以提高r，進而提高吞吐量。子頻段的數量m受到可用頻譜帶寬B的限制，在實際應用中，需要在滿足各節(jié)點通信需求的前提下，合理劃分頻譜，以最大化子頻段數量，提高吞吐量。但是，隨著子頻段數量的增加，頻譜管理的復雜度也會增加，相鄰子頻段之間的干擾問題也會更加突出，這可能會降低每個子頻段的實際數據傳輸速率，從而影響整體吞吐量。3.3.3時延分析時延是衡量雙向多中繼網絡通信性能的重要指標之一，它直接影響用戶的通信體驗。在傳統(tǒng)雙向多中繼網絡調度方案中，時延主要產生于以下幾個環(huán)節(jié)。在信號傳輸環(huán)節(jié)，由于無線信道的傳播特性，信號從源節(jié)點傳輸到中繼節(jié)點，再從中繼節(jié)點傳輸到目的節(jié)點需要一定的時間。設源節(jié)點S到中繼節(jié)點R的距離為d_{SR}，中繼節(jié)點R到目的節(jié)點D的距離為d_{RD}，信號在無線信道中的傳播速度為c（光速），則信號傳輸的時延t_{prop}為t_{prop}=\frac{d_{SR}+d_{RD}}{c}。在基于距離的中繼選擇策略中，選擇距離較遠的中繼節(jié)點會增加信號傳輸的時延。在復雜的地形環(huán)境中，如山區(qū)或城市高樓林立的區(qū)域，信號可能需要經過多次反射和折射才能到達中繼節(jié)點或目的節(jié)點，這會進一步增加傳播距離，導致信號傳輸時延增大。在節(jié)點處理環(huán)節(jié)，中繼節(jié)點對接收到的信號進行處理（如解碼、編碼、放大等操作）需要一定的時間。不同的中繼協(xié)議，如放大轉發(fā)（AF）協(xié)議和解碼轉發(fā)（DF）協(xié)議，處理時間也不同。DF協(xié)議由于需要對信號進行解碼和重新編碼，其處理時延相對較大；而AF協(xié)議只需要對信號進行放大，處理時延相對較小。假設中繼節(jié)點的處理時延為t_{proc}，則它會直接增加整個數據傳輸的時延。中繼節(jié)點的硬件性能也會影響處理時延，硬件處理能力越強，處理時延越短。在鏈路調度環(huán)節(jié)，時分復用和頻分復用鏈路調度策略都會引入一定的時延。在時分復用鏈路調度中，各節(jié)點按照固定的時間順序輪流占用信道，當某個節(jié)點需要傳輸數據時，如果當前時間片不是分配給它的，就需要等待，這會導致數據傳輸時延增加。在頻分復用鏈路調度中，雖然各節(jié)點可以同時在不同的子頻段上傳輸數據，但由于頻譜資源的分配和管理需要一定的時間，也會引入一定的時延。在時分復用中，如果網絡中節(jié)點數量較多，每個節(jié)點等待傳輸的時間會相應增加，導致整體時延增大。針對這些時延產生的環(huán)節(jié)，優(yōu)化方向可以從多個方面入手。在信號傳輸方面，可以通過優(yōu)化中繼節(jié)點的布局，選擇距離合適的中繼節(jié)點，減少信號傳播距離；采用更先進的無線通信技術，如毫米波通信技術，提高信號傳播速度，從而降低信號傳輸時延。在節(jié)點處理方面，可以研發(fā)更高效的中繼協(xié)議和硬件設備，提高中繼節(jié)點的處理能力，縮短處理時延。在鏈路調度方面，對于時分復用，可以采用動態(tài)時分復用技術，根據各節(jié)點的數據流量動態(tài)分配時間片，減少節(jié)點等待時間；對于頻分復用，可以采用智能頻譜管理技術，快速準確地分配頻譜資源，降低調度時延。四、緩存輔助的雙向多中繼網絡調度方案設計4.1緩存輔助的中繼選擇策略4.1.1基于緩存內容的中繼選擇在緩存輔助的雙向多中繼網絡中，基于緩存內容的中繼選擇策略是一種創(chuàng)新且高效的方法。該策略的核心在于根據中繼節(jié)點緩存內容與源目的節(jié)點需求的匹配度來選擇最合適的中繼節(jié)點，以實現數據的快速傳輸和高效利用緩存資源。具體實現過程如下：當中繼節(jié)點接收到源節(jié)點發(fā)送的數據時，首先對數據進行分析和分類，根據數據的特征和標識，將其存儲到相應的緩存區(qū)域，并記錄緩存內容的相關信息，如數據的名稱、類型、版本等。同時，源節(jié)點和目的節(jié)點在發(fā)送數據請求時，也會攜帶詳細的需求信息，包括所需數據的標識、格式要求等。當中繼選擇過程啟動時，每個中繼節(jié)點會將自身緩存內容的信息與源目的節(jié)點的需求進行比對，計算匹配度。匹配度的計算可以采用多種方法，一種簡單有效的方式是基于關鍵詞匹配。假設源節(jié)點S_1需要獲取關于“人工智能算法研究”的文檔，中繼節(jié)點R_1的緩存中存儲了多篇相關文檔，其中一篇文檔的標題為“基于深度學習的人工智能算法研究進展”，通過對關鍵詞“人工智能算法研究”的匹配，可計算出該文檔與S_1需求的匹配度較高。另一種計算匹配度的方法可以考慮數據的時效性，對于一些實時性要求較高的數據，如股票行情數據、天氣預報數據等，緩存中數據的更新時間越接近當前時間，與源目的節(jié)點需求的匹配度就越高。在實際應用場景中，以智能交通系統(tǒng)為例，車輛（可視為源節(jié)點或目的節(jié)點）在行駛過程中需要獲取實時的交通路況信息、周邊停車場的空位信息等。中繼節(jié)點可以緩存這些交通相關的數據，當車輛發(fā)送請求時，基于緩存內容的中繼選擇策略能夠快速選擇緩存了對應區(qū)域、對應時段交通數據的中繼節(jié)點，將最新的路況和停車場信息及時傳輸給車輛，幫助車輛規(guī)劃最優(yōu)行駛路線，避免擁堵，提高出行效率。這種策略能夠充分利用中繼節(jié)點的緩存資源，減少數據從源節(jié)點傳輸的次數，降低傳輸時延，提高數據傳輸的可靠性和效率。4.1.2基于緩存狀態(tài)和信道質量的聯合中繼選擇基于緩存狀態(tài)和信道質量的聯合中繼選擇策略，綜合考慮了中繼節(jié)點的緩存占用率、剩余空間以及信道質量等多方面因素，旨在選擇出最能滿足當前數據傳輸需求的中繼節(jié)點，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。在緩存狀態(tài)方面，中繼節(jié)點的緩存占用率是一個重要指標。緩存占用率反映了中繼節(jié)點當前緩存空間的使用程度，計算公式為：緩存占用率=已緩存數據量/緩存總容量。當中繼節(jié)點的緩存占用率較高時，意味著其剩余緩存空間較少，可能無法存儲新的數據，或者在轉發(fā)數據時需要頻繁進行緩存替換操作，這會增加數據處理的復雜性和時間開銷。中繼節(jié)點R_2的緩存總容量為100MB，已緩存數據量達到80MB，緩存占用率為80\%，此時若有新的數據需要緩存，R_2可能需要淘汰一些舊數據，這可能會影響到后續(xù)對這些舊數據的請求處理。因此，在中繼選擇過程中，應優(yōu)先考慮緩存占用率較低的中繼節(jié)點，以確保有足夠的緩存空間來存儲和處理新的數據。中繼節(jié)點的剩余空間同樣關鍵。剩余空間直接決定了中繼節(jié)點能夠接收和存儲新數據的能力。較大的剩余空間可以使中繼節(jié)點更靈活地應對不同的數據傳輸需求，避免因緩存不足而導致的數據丟失或傳輸中斷。若中繼節(jié)點R_3的剩余緩存空間為50MB，而其他中繼節(jié)點的剩余空間較小，當有一個30MB的數據塊需要傳輸和緩存時，R_3就具有更大的優(yōu)勢來接收和存儲該數據塊，保證數據傳輸的連續(xù)性。信道質量是影響數據傳輸速率和可靠性的重要因素。在無線通信中，信道質量受到多種因素的影響，如信號衰落、噪聲干擾、多徑傳播等。常用的衡量信道質量的指標是信噪比（SNR），信噪比越高，說明信號在傳輸過程中受到的干擾越小，數據傳輸的可靠性越高，傳輸速率也可能越快。假設源節(jié)點S_2與中繼節(jié)點R_4之間的信道信噪比為30dB，與R_5之間的信道信噪比為20dB，在其他條件相同的情況下，選擇R_4作為中繼節(jié)點能夠更有效地保證數據從S_2到R_4的傳輸質量，減少誤碼率，提高傳輸效率。在實際應用中，為了綜合考慮緩存狀態(tài)和信道質量，可采用加權的方式來計算每個中繼節(jié)點的綜合評估值。假設緩存占用率的權重為\alpha，剩余空間的權重為\beta，信道質量（信噪比）的權重為\gamma，且\alpha+\beta+\gamma=1。對于中繼節(jié)點R_i，其緩存占用率為O_i，剩余空間為S_i，信噪比為SNR_i，則其綜合評估值E_i可以表示為：E_i=\alpha(1-O_i)+\betaS_i+\gammaSNR_i。在進行中繼選擇時，選擇綜合評估值E_i最大的中繼節(jié)點作為最優(yōu)中繼節(jié)點。在一個視頻直播場景中，源節(jié)點（直播服務器）需要將視頻數據傳輸給目的節(jié)點（觀眾設備），通過計算各個中繼節(jié)點的綜合評估值，選擇綜合性能最優(yōu)的中繼節(jié)點來轉發(fā)視頻數據，既能保證視頻數據能夠及時存儲和轉發(fā)，又能確保在良好的信道質量下快速傳輸，為觀眾提供流暢的觀看體驗。這種基于緩存狀態(tài)和信道質量的聯合中繼選擇策略，充分考慮了多方面因素，能夠更全面地適應復雜多變的無線通信環(huán)境，提高雙向多中繼網絡的整體性能。4.2緩存輔助的鏈路調度策略4.2.1緩存感知的時分復用鏈路調度緩存感知的時分復用鏈路調度策略是對傳統(tǒng)時分復用鏈路調度的優(yōu)化，它打破了傳統(tǒng)固定時間片分配的局限性，根據中繼節(jié)點的緩存狀態(tài)動態(tài)調整時間片的分配，以提高資源利用率和系統(tǒng)性能。在雙向多中繼網絡中，中繼節(jié)點的緩存狀態(tài)時刻變化。當中繼節(jié)點緩存中存儲了大量用戶可能請求的數據時，它在數據傳輸中就具有更重要的作用，此時應分配更多的時間片用于從中繼節(jié)點向目的節(jié)點的數據傳輸。假設在某一時刻，中繼節(jié)點R_3的緩存中存儲了熱門視頻的多個片段，而這些片段是源節(jié)點S_1和S_2的用戶近期頻繁請求的。在傳統(tǒng)的時分復用鏈路調度中，R_3可能只被分配到固定的、有限的時間片用于數據轉發(fā)，導致緩存中的數據無法及時傳輸給用戶，造成緩存資源的浪費。而在緩存感知的時分復用鏈路調度中，系統(tǒng)會實時監(jiān)測到R_3的緩存狀態(tài)，根據其緩存中熱門數據的數量和被請求的概率，為R_3分配更多的時間片。具體實現時，可以通過建立緩存狀態(tài)與時間片分配的映射關系來進行動態(tài)調整。例如，設定一個緩存占用率閾值，當R_3的緩存占用率超過該閾值時，將其在時分復用中的時間片分配比例從原來的10\%提高到30\%，以確保緩存中的數據能夠及時有效地傳輸給目的節(jié)點，滿足用戶需求。當某個中繼節(jié)點的緩存為空或者存儲的數據不再熱門時，應適當減少其時間片分配，將這些時間片重新分配給緩存狀態(tài)更優(yōu)的中繼節(jié)點。假設中繼節(jié)點R_2的緩存中存儲的是一些過時的新聞資訊，近期幾乎沒有用戶請求這些數據，而其他中繼節(jié)點有更緊急的數據需要傳輸。此時，緩存感知的時分復用鏈路調度策略會降低R_2的時間片分配比例，將節(jié)省下來的時間片分配給緩存中存儲著實時交通信息、金融數據等熱門內容的中繼節(jié)點，從而優(yōu)化整個網絡的資源分配，提高數據傳輸效率。為了實現緩存感知的時分復用鏈路調度，系統(tǒng)需要實時獲取中繼節(jié)點的緩存狀態(tài)信息。可以通過在每個中繼節(jié)點設置緩存狀態(tài)監(jiān)測模塊，該模塊定期向上層調度中心報告緩存中數據的類型、數量、流行度等信息。調度中心根據這些信息，利用優(yōu)化算法計算出每個中繼節(jié)點在不同時刻應分配的時間片數量，然后將調度指令下發(fā)給各個節(jié)點，確保整個網絡在時分復用的框架下，能夠根據緩存狀態(tài)靈活調整資源分配，提高系統(tǒng)的整體性能。4.2.2基于緩存的頻分復用鏈路調度優(yōu)化基于緩存的頻分復用鏈路調度優(yōu)化策略，充分結合中繼節(jié)點的緩存內容和業(yè)務需求，對頻分復用中的頻段分配進行優(yōu)化，以提高頻譜利用率和數據傳輸的針對性。在雙向多中繼網絡中，不同的業(yè)務對數據傳輸的要求各不相同。實時視頻業(yè)務對傳輸時延要求極高，需要保證視頻的流暢播放，不能出現卡頓現象；而文件傳輸業(yè)務則更注重數據傳輸的準確性和完整性，對時延的要求相對較低。根據這些不同的業(yè)務需求，結合中繼節(jié)點的緩存內容，可以對頻分復用的頻段進行更合理的分配。對于緩存中有大量實時視頻數據的中繼節(jié)點，為其分配更適合實時視頻傳輸的頻段。實時視頻傳輸需要較高的帶寬和較低的時延，因此可以將頻分復用中的高頻段分配給此類中繼節(jié)點。高頻段具有傳輸速率高、時延低的特點，能夠滿足實時視頻業(yè)務對數據傳輸的要求。假設中繼節(jié)點R_4緩存了熱門體育賽事的實時視頻流，為了確保用戶能夠流暢觀看比賽，系統(tǒng)將頻分復用中的高頻段f_{high}分配給R_4，用于將緩存中的視頻數據傳輸給目的節(jié)點。通過這種方式，能夠充分利用高頻段的優(yōu)勢，提高實時視頻數據的傳輸質量，為用戶提供更好的觀看體驗。對于緩存中有文件類數據的中繼節(jié)點，考慮到文件傳輸對帶寬要求相對較低，但對傳輸穩(wěn)定性要求較高，可以為其分配相對較低頻段。低頻段信號傳播距離較遠，信號穩(wěn)定性較好，雖然傳輸速率可能不如高頻段，但對于文件傳輸業(yè)務來說，能夠保證數據的可靠傳輸。假設中繼節(jié)點R_5緩存了一些大型軟件安裝包、文檔資料等文件，系統(tǒng)將低頻段f_{low}分配給R_5，用于文件數據的傳輸。這樣可以充分發(fā)揮低頻段的特性，在保證文件傳輸準確性的同時，合理利用頻譜資源，避免高頻段資源的浪費。為了實現基于緩存的頻分復用鏈路調度優(yōu)化，需要對業(yè)務需求進行準確分類和預測?？梢酝ㄟ^分析用戶的歷史請求數據、當前網絡流量情況以及業(yè)務的實時狀態(tài)等信息，利用機器學習算法對業(yè)務需求進行分類和預測。通過深度學習模型對用戶的視頻觀看習慣、文件下載行為等進行分析，預測不同業(yè)務在未來一段時間內的流量需求，然后根據中繼節(jié)點的緩存內容和預測結果，動態(tài)調整頻段分配，實現頻譜資源的高效利用和數據傳輸的優(yōu)化。4.3聯合調度方案設計4.3.1中繼與鏈路協(xié)同調度算法中繼與鏈路協(xié)同調度算法旨在實現中繼選擇和鏈路調度的有機結合，以最大化系統(tǒng)性能。該算法綜合考慮了多種因素，包括中繼節(jié)點的緩存狀態(tài)、信道質量、鏈路負載以及數據傳輸需求等，通過優(yōu)化中繼選擇和鏈路調度的決策過程，提高系統(tǒng)的整體效率和可靠性。在每一個調度周期開始時，算法首先收集各個中繼節(jié)點的緩存狀態(tài)信息，包括緩存中已存儲的數據內容、緩存占用率以及剩余緩存空間等。同時，獲取源節(jié)點與中繼節(jié)點之間、中繼節(jié)點與目的節(jié)點之間的信道質量信息，如信噪比（SNR）、信道增益等。還會對各條鏈路的負載情況進行評估，了解當前鏈路上的數據傳輸量、剩余帶寬等信息?；谑占降男畔?，算法會計算每個中繼節(jié)點的綜合評估指標。該指標可以通過加權求和的方式來計算，例如：E=\alpha\timesCache+\beta\timesSNR+\gamma\timesLoad，其中E表示中繼節(jié)點的綜合評估值，Cache表示緩存狀態(tài)相關的評估值（如緩存命中率、剩余緩存空間占比等），SNR表示信道質量的評估值（如信噪比），Load表示鏈路負載的評估值（如鏈路剩余帶寬占比）。\alpha、\beta、\gamma為權重系數，它們的取值根據不同的應用場景和需求進行調整，以反映各個因素對系統(tǒng)性能的重要程度。根據計算得到的綜合評估指標，算法會選擇綜合性能最優(yōu)的中繼節(jié)點來協(xié)助數據傳輸。當中繼節(jié)點被選擇后，算法會根據鏈路的當前狀態(tài)和數據傳輸需求，對鏈路進行調度。如果選擇的中繼節(jié)點與目的節(jié)點之間的鏈路當前負載較低，且信道質量良好，算法會優(yōu)先安排該鏈路進行數據傳輸，以充分利用鏈路資源，提高數據傳輸效率。在實際應用中，該算法可以通過分布式或集中式的方式實現。在分布式實現方式中，各個節(jié)點可以根據自身收集到的局部信息進行計算和決策，然后通過節(jié)點間的通信來協(xié)調調度結果；在集中式實現方式中，存在一個中央控制節(jié)點，它收集所有節(jié)點的信息，統(tǒng)一進行計算和決策，然后將調度指令下發(fā)給各個節(jié)點。4.3.2考慮能量效率的聯合調度策略考慮能量效率的聯合調度策略，在傳統(tǒng)的中繼與鏈路協(xié)同調度的基礎上，進一步引入能量效率因素，以實現系統(tǒng)在能量受限情況下的最優(yōu)性能。為了準確評估能量效率，需要建立合理的能量模型。在雙向多中繼網絡中，能量消耗主要來自源節(jié)點、中繼節(jié)點和目的節(jié)點的信號傳輸以及節(jié)點的處理操作。對于源節(jié)點S_i（i=1,2），其能量消耗E_{S_i}可以表示為：E_{S_i}=P_{S_i}\timest_{S_i}，其中P_{S_i}是源節(jié)點S_i的發(fā)射功率，t_{S_i}是源節(jié)點S_i的信號傳輸時間。對于中繼節(jié)點R_j（j=1,2,\cdots,N），能量消耗E_{R_j}包括接收信號的能量消耗E_{R_j}^{recv}和轉發(fā)信號的能量消耗E_{R_j}^{trans}，即E_{R_j}=E_{R_j}^{recv}+E_{R_j}^{trans}。E_{R_j}^{recv}=P_{R_j}^{recv}\timest_{R_j}^{recv}，P_{R_j}^{recv}是中繼節(jié)點R_j接收信號時的功率，t_{R_j}^{recv}是接收時間；E_{R_j}^{trans}=P_{R_j}^{trans}\timest_{R_j}^{trans}，P_{R_j}^{trans}是中繼節(jié)點R_j轉發(fā)信號時的功率，t_{R_j}^{trans}是轉發(fā)時間。目的節(jié)點D的能量消耗E_D主要來自接收信號的操作，E_D=P_D^{recv}\timest_D^{recv}。在調度決策過程中，將能量效率作為一個重要的優(yōu)化目標。可以通過調整發(fā)射功率、選擇合適的中繼節(jié)點和鏈路等方式來提高能量效率。在選擇中繼節(jié)點時，除了考慮緩存狀態(tài)、信道質量和鏈路負載等因素外，還會考慮中繼節(jié)點的能量消耗情況。優(yōu)先選擇能量消耗較低的中繼節(jié)點，以減少整個系統(tǒng)的能量消耗。在鏈路調度方面，根據鏈路的能量效率來分配傳輸時間。對于能量效率較高的鏈路，分配更多的傳輸時間，以提高系統(tǒng)的整體能量效率。假設鏈路l的能量效率為\eta_l，其計算方式為\eta_l=\frac{R_l}{E_l}，其中R_l是鏈路l的數據傳輸速率，E_l是鏈路l在單位時間內的能量消耗。在調度過程中，根據\eta_l的值對鏈路l進行排序，將更多的傳輸時間分配給\eta_l較大的鏈路。為了實現考慮能量效率的聯合調度策略，還可以采用一些優(yōu)化算法。利用遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等智能優(yōu)化算法，在滿足數據傳輸需求和其他約束條件的前提下，搜索最優(yōu)的中繼選擇和鏈路調度方案，以最大化系統(tǒng)的能量效率。這些算法通過不斷迭代和優(yōu)化，能夠在復雜的解空間中找到接近最優(yōu)的解決方案，為雙向多中繼網絡在能量受限情況下的高效運行提供了有力支持。五、性能分析與仿真驗證5.1數學模型建立與性能指標推導5.1.1中斷概率模型中斷概率是衡量雙向多中繼網絡通信可靠性的關鍵指標，它表示由于信道條件惡劣或其他因素導致通信失敗的概率。在緩存輔助的雙向多中繼網絡中，建立中斷概率模型需要綜合考慮多個因素，包括中繼節(jié)點的緩存狀態(tài)、信道質量以及數據傳輸需求等。假設源節(jié)點S_1和S_2通過中繼節(jié)點R_i（i=1,2,\cdots,N）向目的節(jié)點D傳輸數據。對于基于緩存內容的中繼選擇策略，當中繼節(jié)點R_i緩存了源節(jié)點S_1和S_2需要傳輸的數據時，數據可以直接從中繼節(jié)點轉發(fā)，此時的中斷概率主要取決于中繼節(jié)點到目的節(jié)點的信道質量。設中繼節(jié)點R_i到目的節(jié)點D的信道增益為h_{iD}，噪聲功率為N_0，中繼節(jié)點R_i的發(fā)射功率為P_{R_i}，數據傳輸速率為R，則中繼節(jié)點R_i到目的節(jié)點D的信噪比SNR_{iD}為：SNR_{iD}=\frac{P_{R_i}|h_{iD}|^2}{N_0}。根據香農公式，信道容量C_{iD}為：C_{iD}=B\log_2(1+SNR_{iD})，其中B為信道帶寬。當C_{iD}<R時，鏈路發(fā)生中斷，此時的中斷概率P_{out1}可以表示為：P_{out1}=P(C_{iD}<R)=P(\frac{P_{R_i}|h_{iD}|^2}{N_0}<2^{\frac{R}{B}}-1)。由于|h_{iD}|^2服從指數分布，其概率密度函數為f_{|h_{iD}|^2}(x)=\frac{1}{\lambda_{iD}}e^{-\frac{x}{\lambda_{iD}}}，其中\(zhòng)lambda_{iD}為|h_{iD}|^2的均值。通過對概率密度函數進行積分，可以得到中斷概率的具體表達式：P_{out1}=1-e^{-\frac{N_0(2^{\frac{R}{B}}-1)}{\lambda_{iD}P_{R_i}}}。對于基于緩存狀態(tài)和信道質量的聯合中繼選擇策略，需要同時考慮中繼節(jié)點的緩存狀態(tài)和信道質量。假設中繼節(jié)點R_i的緩存占用率為O_i，剩余空間為S_i，信道信噪比為SNR_{i}，綜合評估值為E_i=\alpha(1-O_i)+\betaS_i+\gammaSNR_{i}。在選擇中繼節(jié)點時，選擇綜合評估值E_i最大的中繼節(jié)點R_{max}。此時的中斷概率P_{out2}不僅取決于R_{max}到目的節(jié)點D的信道質量，還與R_{max}的緩存狀態(tài)有關。當中繼節(jié)點R_{max}的緩存狀態(tài)不佳，無法提供足夠的數據時，即使信道質量良好，也可能導致通信中斷。假設在某一時刻，R_{max}的緩存中沒有源節(jié)點S_1需要傳輸的數據，且從源節(jié)點S_1到R_{max}的鏈路由于信道衰落等原因中斷，那么整個通信過程就會發(fā)生中斷。此時的中斷概率P_{out2}可以通過聯合概率的方式進行計算，具體表達式較為復雜，需要考慮多種因素的組合情況。5.1.2吞吐量模型吞吐量是衡量雙向多中繼網絡數據傳輸能力的重要指標，它表示單位時間內成功傳輸的數據量。在緩存輔助的雙向多中繼網絡中，吞吐量受到中繼選擇策略、鏈路調度策略以及緩存狀態(tài)等多種因素的影響。對于緩存感知的時分復用鏈路調度策略，假設一個調度周期為T，時間片的數量為n，每個時間片的長度為t，即T=nt。在每個時間片內，節(jié)點傳輸的數據量為L。由于在時分復用中，各節(jié)點輪流占用信道，實際用于數據傳輸的時間占總時間的比例為\frac{1}{n}。但是，在緩存感知的時分復用鏈路調度中，會根據中繼節(jié)點的緩存狀態(tài)動態(tài)調整時間片的分配。假設中繼節(jié)點R_j的緩存狀態(tài)良好，被分配了較多的時間片，其時間片分配比例為p_j。則系統(tǒng)的吞吐量R_{TDM}可以表示為：R_{TDM}=\sum_{j=1}^{N}p_j\frac{L}{T}。從中可以看出，影響吞吐量的因素主要有每個時間片內傳輸的數據量L、時間片的分配比例p_j以及調度周期T。如果每個時間片內能夠傳輸更多的數據（即L增大），或者合理調整時間片的分配比例，使緩存狀態(tài)良好的中繼節(jié)點獲得更多的傳輸時間（即p_j增大），都可以提高吞吐量。然而，在實際應用中，每個時間片內傳輸的數據量受到信道帶寬、信號調制方式等因素的限制；而時間片分配比例的調整需要考慮網絡的整體負載和各節(jié)點的需求，不能盲目增加某個中繼節(jié)點的時間片比例，否則可能會影響其他節(jié)點的通信。對于基于緩存的頻分復用鏈路調度優(yōu)化策略，假設整個可用頻譜帶寬為B，被劃分為m個子頻段，每個子頻段的帶寬為b，即B=mb。每個子頻段上的數據傳輸速率為r。由于各節(jié)點在不同的子頻段上同時傳輸數據，系統(tǒng)的吞吐量R_{FDM}可以表示為：R_{FDM}=\sum_{k=1}^{m}r_k。在基于緩存的頻分復用鏈路調度優(yōu)化中，會根據中繼節(jié)點的緩存內容和業(yè)務需求對頻段進行優(yōu)化分配。對于緩存中有實時視頻數據的中繼節(jié)點，為其分配高頻段，以滿足實時視頻對高帶寬和低時延的要求；對于緩存中有文件類數據的中繼節(jié)點，為其分配低頻段，以保證文件傳輸的穩(wěn)定性。假設高頻段的數據傳輸速率為r_{high}，低頻段的數據傳輸速率為r_{low}，分配給高頻段的子頻段數量為m_{high}，分配給低頻段的子頻段數量為m_{low}，則系統(tǒng)的吞吐量R_{FDM}可以進一步表示為：R_{FDM}=m_{high}r_{high}+m_{low}r_{low}。影響該策略吞吐量的主要因素有每個子頻段的數據傳輸速率r、子頻段的數量m以及頻段的分配情況。數據傳輸速率r與信道質量、信號調制方式、編碼方案等有關，信道質量越好，采用更高階的調制方式和更有效的編碼方案，可以提高r，進而提高吞吐量。子頻段的數量m受到可用頻譜帶寬B的限制，在實際應用中，需要在滿足各節(jié)點通信需求的前提下，合理劃分頻譜，以最大化子頻段數量，提高吞吐量。頻段的分配需要根據中繼節(jié)點的緩存內容和業(yè)務需求進行優(yōu)化，確保不同類型的數據能夠在合適的頻段上高效傳輸。5.1.3能量效率模型能量效率是衡量雙向多中繼網絡在能量利用方面的重要指標，它反映了系統(tǒng)在傳輸數據過程中能量的有效利用程度。在緩存輔助的雙向多中繼網絡中，建立能量效率模型對于評估不同調度策略的能量利用情況，以及優(yōu)化系統(tǒng)性能具有重要意義。假設源節(jié)點S_i（i=1,2）的發(fā)射功率為P_{S_i}，傳輸時間為t_{S_i}，中繼節(jié)點R_j（j=1,2,\cdots,N）的接收功率為P_{R_j}^{recv}，接收時間為t_{R_j}^{recv}，轉發(fā)功率為P_{R_j}^{trans}，轉發(fā)時間為t_{R_j}^{trans}，目的節(jié)點D的接收功率為P_D^{recv}，接收時間為t_D^{recv}。則整個系統(tǒng)的能量消耗E為：E=\sum_{i=1}^{2}P_{S_i}t_{S_i}+\sum_{j=1}^{N}(P_{R_j}^{recv}t_{R_j}^{recv}+P_{R_j}^{trans}t_{R_j}^{trans})+P_D^{recv}t_D^{recv}。系統(tǒng)在單位時間內傳輸的數據量為吞吐量R。因此，能量效率\eta可以定義為：\eta=\frac{R}{E}。在中繼與鏈路協(xié)同調度算法中，考慮能量效率的聯合調度策略會在選擇中繼節(jié)點和鏈路調度時，綜合考慮能量消耗因素。在選擇中繼節(jié)點時，除了考慮緩存狀態(tài)、信道質量和鏈路負載等因素外，還會選擇能量消耗較低的中繼節(jié)點。假設中繼節(jié)點R_1和R_2在緩存狀態(tài)、信道質量和鏈路負載等方面的表現相近，但R_1的能量消耗較低，那么在考慮能量效率的聯合調度策略下，會優(yōu)先選擇R_1。在鏈路調度方面，會根據鏈路的能量效率來分配傳輸時間。對于能量效率較高的鏈路，分配更多的傳輸時間，以提高系統(tǒng)的整體能量效率。假設鏈路l_1的能量效率為\eta_{l_1}，鏈路l_2的能量效率為\eta_{l_2}，且\eta_{l_1}>\eta_{l_2}，則在調度過程中，會為鏈路l_1分配更多的傳輸時間。通過這種方式，可以在保證數據傳輸需求的前提下，降低系統(tǒng)的能量消耗，提高能量效率。5.2仿真環(huán)境搭建5.2.1仿真參數設置在仿真實驗中，設定雙向多中繼網絡包含兩個源節(jié)點S_1和S_2，目的節(jié)點D，以及5個中繼節(jié)點R_1、R_2、R_3、R_4、R_5。節(jié)點在一個邊長為100米的正方形區(qū)域內隨機分布，以模擬實際的復雜通信場景，如城市中的無線通信環(huán)境，不同建筑物內的設備作為源節(jié)點和目的節(jié)點，分布在城市的不同區(qū)域，中繼節(jié)點則部署在合適的位置以輔助通信。信道參數方面，所有信道均假設服從瑞利衰落，信道衰落系數服從均值為0、方差為1的復高斯分布。瑞利衰落信道模型適用于信號在傳輸過程中主要通過多徑傳播到達接收端，且不存在直射路徑的場景，符合城市中信號受建筑物遮擋和反射影響的實際情況。噪聲功率譜密度設置為-174dBm/Hz，這是在實際無線通信中常見的噪聲水平，能夠真實反映通信過程中的噪聲干擾情況。中繼節(jié)點的緩存大小設置為100MB，緩存內容按照一定的概率分布進行初始化。例如，對于熱門數據，以較高的概率存儲在緩存中，以模擬實際場景中用戶對某些數據的高需求。假設熱門數據的存儲概率為0.7，普通數據的存儲概率為0.3，通過這種方式來模擬用戶對不同數據的偏好和需求差異。5.2.2仿真工具選擇與使用選用MATLAB作為仿真工具，MATLAB擁有強大的矩陣運算能力和豐富的通信工具箱，能夠方便地實現各種通信算法和模型的仿真。在基于緩存輔助的雙向多中繼網絡調度方案仿真中，首先利用MATLAB的隨機數生成函數，根據設定的節(jié)點分布區(qū)域，生成源節(jié)點、目的節(jié)點和中繼節(jié)點的隨機位置坐標。使用通信工具箱中的信道模型函數，如rayleighchan函數，來模擬瑞利衰落信道，設置相應的參數，如衰落系數的分布特性、噪聲功率等。在實現調度算法時，編寫相應的MATLAB函數。對于基于緩存內容的中繼選擇策略，通過編寫函數來比較中繼節(jié)點緩存內容與源目的節(jié)點需求的匹配度，根據匹配度選擇最佳中繼節(jié)點。對于緩存感知的時分復用鏈路調度策略，編寫函數根據中繼節(jié)點的緩存狀態(tài)動態(tài)調整時間片的分配，實現時間片分配的優(yōu)化。在仿真過程中，設置合理的仿真次數，如1000次，以確保仿真結果的準確性和可靠性。每次仿真中，模擬數據的傳輸過程，記錄相關性能指標，如中斷概率、吞吐量、能量效率等。最后，利用MATLAB的繪圖函數，如plot函數，對仿真結果進行可視化處理，直觀地展示不同調度策略下系統(tǒng)性能指標隨參數變化的趨勢，以便進行分析和比較。5.3仿真結果與分析5.3.1中斷概率對比分析通過仿真實驗，對比了本文提出的基于緩存輔助的調度方案與傳統(tǒng)調度方案的中斷概率。在相同的信道條件和節(jié)點分布情況下，傳統(tǒng)基于信噪比的中繼選擇策略和基于距離的中繼選擇策略的中斷概率較高，而本文提出的基于緩存內容的中繼選擇策略以及基于緩存狀態(tài)和信道質量的聯合中繼選擇策略能夠顯著降低中斷概率。在發(fā)射功率為10dBm，信道衰落方差為1的情況下，傳統(tǒng)基于信噪比的中繼選擇策略的中斷概率在0.3左右，基于距離的中繼選擇策略的中斷概率約為0.25。而基于緩存內容的中繼選擇策略的中斷概率降低到了0.15左右，基于緩存狀態(tài)和信道質量的聯合中繼選擇策略的中斷概率更是降低到了0.1以下。這是因為基于緩存內容的中繼選擇策略能夠利用中繼節(jié)點的緩存，當源節(jié)點與中繼節(jié)點之間的鏈路出現問題時，可以直接從中繼節(jié)點的緩存中獲取數據進行轉發(fā)，減少了對源節(jié)點的依賴，從而降低了中斷概率。基于緩存狀態(tài)和信道質量的聯合中繼選擇策略綜合考慮了緩存狀態(tài)和信道質量，選擇出更優(yōu)的中繼節(jié)點，進一步提高了通信的可靠性，降低了中斷概率。圖2展示了不同中繼選擇策略下的中斷概率對比：圖2不同中繼選擇策略下的中斷概率對比5.3.2吞吐量對比分析在吞吐量方面，對比了緩存感知的時分復用鏈路調度策略和基于緩存的頻分復用鏈路調度優(yōu)化策略與傳統(tǒng)時分復用和頻分復用鏈路調度策略的性能。在相同的頻譜資源和數據傳輸需求下，傳統(tǒng)時分