基于随机几何理论的认知无线Ad Hoc网络容量及连通性研究

来源 :北京邮电大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:hwcareers
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近年来,随着国家对“互联网+”行动计划的积极推进,移动互联网产业迎来了新一轮的发展机遇。移动互联网业务的迅猛发展极大地推动了无线网络规模以及业务量的增长,而有限的频谱资源已无法满足巨大的无线业务量需求。与此同时,频谱资源却面临着严重的浪费,已授权的无线频段中有很大一部分经常处于空闲状态,频谱资源的使用效率极低。如何提升频谱使用效率,从而有效地满足日益增长的无线业务需求成为了一个亟待解决的问题。在这样的背景下,认知无线电技术得到了长足的发展。其核心思想是在不影响授权用户工作的前提下,允许非授权用户以恰当的方式动态接入频谱进行通信,从而提升了频谱的使用效率。认知无线AdHoc网络(CRAHN)同时具备了认知无线电和AdHoc网络的特点,在高效利用频谱进行通信的同时,还具有AdHoc网络的无中心和自组织等诸多特性,CRAHN在未来第五代移动通信系统(5G)中有着广阔的应用前景,其系统性能的评估和提升一直以来都是学术界关注的热点。本论文借助于随机几何和渗透论等基础理论工具,针对CRAHN的容量和连通性这两大网络性能指标展开研究。论文的主要工作和创新点包括以下三部分:1、研究了非齐次分布模型下CRAHN的传输容量问题。假设主用户与次用户共享频谱,次网络通过限制自身用户密度来满足并存网络的中断概率约束。我们假设主用户服从齐次泊松点过程(PPP)分布,次用户服从一个独立的马丁分簇过程(MCP)分布。借助于随机几何理论和其他数学工具,我们分析了非齐次CRAHN中干扰的统计特性,并分别推导了主网络和次网络的成功传输概率表达式,进而推导了满足网络中断概率限制下次网络可达的最大点密度的上下界,最终得到了该非齐次并存网络的传输容量的上下界。通过仿真分析,我们进一步讨论了非齐次分布网络的关键参数对网络传输容量的影响。2、研究了非齐次分布模型下CRAHN次网络的用户分离概率问题。用户分离概率直接反映了无线网络的局部连通性能。假设主用户与次用户共享频谱,次网络通过限制自身用户密度来满足并存网络的信干比(SIR)约束。我们同时考虑了主用户服从PPP分布且次用户服从MCP分布,以及主用户服从MCP分布且次用户服从PPP分布这两种非齐次分布的情况。借助于随机几何理论以及其他数学工具,我们分析了上述两种非齐次分布情况下干扰的统计特性,并推导了非齐次并存网络中与典型次用户保持连通的节点数目期望值的上下界,进而求得次网络的用户分离概率上下界。在此基础上我们通过仿真分析,详细讨论了非齐次分布网络的具体参数对用户分离概率的影响。3、从渗透论的角度研究了 CRAHN次网络的连通性。连通性直接反映了网络的整体连通性能,对于保证信息在网络内实现远距离传输具有重要意义。我们把主次网络用户同时建模为PPP分布,在采用物理模型的网络中,我们分析了在信干比较小的情况下次网络的连通性问题,在此基础上建立了以主用户密度和次用户密度这两个参量为维度的空间二维(2D)连通区域,进而定量分析了网络参数对连通区域的影响,给出了保证连通区域最大时的次网络参数设计方案。在采用协议模型的网络下,我们同时考虑主用户的密度和传输距离这两个参量对次网络连通性的影响,建立了以主用户密度、主用户传输距离和次用户密度这三个参量为维度的空间三维(3D)连通区域。进一步推导了保证次网络连通的充分条件和必要条件。我们希望本文的研究成果有助于进一步加深人们对CRAHN本质的理解,期待能为CRAHN在未来无线通信系统中的实际部署贡献一份力量。
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