基于随机几何的全双工无线网络容量分析

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近来,先进的物理层技术实现了无线全双工通信,因此,无线终端可以在同一个频段上同时发送和接收信号。与半双工无线通信技术相比,无线全双工技术可以使单跳网络的网络吞吐量加倍。但是在大规模无线网络中,由无线全双工通信技术带来的网络容量增益仍然是一个未解的开发课题。为了解决这个课题,我们采用随机几何工具,分析无线自组织网络和蜂窝网络两种无线网络中网络容量增益。针对自组织网络,其网络拓扑建模成一个泊松簇生点过程,网络聚集干扰采用shot-noise过程建模计算。使用传输容量概念来衡量最大网络吞吐量,即在限制中断概率情况下,单位面积内网络最大的成功传输吞吐量。基于我们建立的模型,给出了在三种通信场景下半双工和全双工网络的性能分析。首先,在相同节点密度和传输速率要求的情况下,我们绘制了传输吞吐量曲线。结果表明,在低传输速率区间,全双工通信优于半双工通信;在高传输速率区间,半双工通信优于全双工通信。其次,在相同网络节点密度和中断概率要求情况下,给出了最大传输吞吐量,即传输容量,与传输速率的关系曲线图。结果与第一中通信场景一致。最后,对于半双工和全双工无线网络,设定相同的固定传输速率和中断概率要求,给出了通过最大化网络节点密度而求得的传输容量。结果表明,全双工网络传输容量始终大于半双工网络容量。证明,与半双工通信相比,全双工通信的优势是通过创造更多的传输机会实现。针对蜂窝网络,假设全双工天线安装在基站上,同时,提出了针对抵消传输对之间互干扰的互干扰消除技术。定义了理想互干扰消除技术并假设其在全双工蜂窝网络中的基站上实现。网络拓扑建模成相同点密度的双层泊松点过程,而网络聚集干扰使用shot-noise过程来分析。推导了典型上行和下行链路的覆盖概率和平均速率。针对半双工无线网络,以及使用或未使用互干扰消除技术的全双工无线网络,比较了三种网络的覆盖概率和平均速率。在零噪音及非零噪声两种场景下运行数值仿真。在零噪声场景中,可以给出闭式表达式来描述覆盖概率,而且其表达式与网络节点密度无关。因此,在零噪声场景情况下,全双工通信技术的网络容量增益与网络节点密度无关。在非零噪声场景中,覆盖概率可以在大尺度衰减参数为4时表达成闭式公式,并且这个公式使用了Q(x)函数,即标准正态分布的结尾概率函数。数值结果表明,全双工通信技术的网络容量增益随着节点密度增加而减少。这一点与无线自组织网络相同。此外,随着链路信噪比增加,全双工通信技术的网络容量增益减少。但在基站天线上使用互干扰消除技术后,全双工通信技术的网络容量增益明显增加。因此,来自全双工通信的网络容量增益是非常有限的,而且互干扰消除技术可以明显提高网络容量增益。
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