無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瞬態(tài)與時(shí)變干擾建模與分析.pdf

1、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展極大地改變了人們的生活方式。隨著大規(guī)模無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)（如ad hoc網(wǎng)絡(luò)、傳感網(wǎng)以及異構(gòu)蜂窩網(wǎng)）的出現(xiàn)，用戶(hù)以及接入點(diǎn)的空間位置往往并非完全規(guī)則部署，由于接收機(jī)接收到的信號(hào)強(qiáng)度以及干擾強(qiáng)度都直接依賴(lài)于發(fā)送機(jī)的空間位置，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其變動(dòng)成為影響無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。為了分析和設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，需要從數(shù)學(xué)上準(zhǔn)確地建模網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的空間位置。傳統(tǒng)網(wǎng)格模型無(wú)法有效地建模分析大規(guī)模無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的空間部署的隨機(jī)性，且無(wú)法得

2、到簡(jiǎn)單有效的閉式表達(dá)式解。隨機(jī)幾何理論，尤其是點(diǎn)過(guò)程理論，提供了一個(gè)有效的數(shù)學(xué)工具來(lái)建模無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)空間位置分布，而且能夠得到簡(jiǎn)單的分析解。近幾年，隨機(jī)幾何理論在分析無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)性能極限方面確實(shí)取得了較大的突破。
　　本文的研究?jī)?nèi)容可以分成兩大類(lèi)，分別是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)干擾瞬時(shí)狀態(tài)和時(shí)變特性建模與性能分析。進(jìn)一步又可以分為四個(gè)子問(wèn)題:干擾協(xié)調(diào)機(jī)制瞬態(tài)建模與分析、資源管理機(jī)制瞬態(tài)建模與分析、滿(mǎn)負(fù)載下時(shí)變干擾建模與分析以及突發(fā)業(yè)務(wù)

3、下時(shí)變干擾建模與分析。本文的主要貢獻(xiàn)如下:
　　1)研究了兩類(lèi)干擾管理機(jī)制對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，分別為T(mén)D-LTE系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)時(shí)分雙工技術(shù)和WLAN中RTS/CTS機(jī)制。對(duì)動(dòng)態(tài)時(shí)分雙工技術(shù)的研究一個(gè)重要的目的是建模實(shí)際的仿真場(chǎng)景，從而衡量實(shí)際仿真場(chǎng)景與點(diǎn)過(guò)程模型之間的差異。根據(jù)理論分析的結(jié)論，提出了三種基于過(guò)載指示信息的分布式干擾協(xié)調(diào)機(jī)制。仿真結(jié)果表明基于基站到基站測(cè)量的干擾來(lái)源信息能夠有效地提升網(wǎng)絡(luò)性能。針對(duì)RTS/CTS機(jī)制我們建

4、立了一個(gè)空間分布模型來(lái)刻畫(huà)網(wǎng)絡(luò)的平均干擾，本工作提出一個(gè)標(biāo)值點(diǎn)過(guò)程來(lái)刻畫(huà)RTS/CTS機(jī)制下發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的空間分布，而RTS/CTS機(jī)制的影響與Matérn's硬核模型中的稀釋過(guò)程類(lèi)似。本文提出了一種通用的方法來(lái)推導(dǎo)典型接收機(jī)接收到的平均干擾功率，該方法可以用于分析更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
　　2)針對(duì)異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，本文引入隨機(jī)幾何理論來(lái)刻畫(huà)用戶(hù)和接入點(diǎn)的空間位置分布，考慮了兩種不同的情況:家庭基站接入點(diǎn)的空間位置分布為泊松點(diǎn)過(guò)程和

5、Neyman-Scott簇過(guò)程。相應(yīng)地推導(dǎo)了關(guān)鍵的系統(tǒng)性能指標(biāo)，如平均可達(dá)速率，授權(quán)用戶(hù)和非授權(quán)用戶(hù)的SINR分布，得到了一般情況下的積分表達(dá)式，之后再在特殊情況下簡(jiǎn)化為閉式表達(dá)式，根據(jù)所獲得的結(jié)果，可以得到授權(quán)用戶(hù)和非授權(quán)用戶(hù)的性能折衷關(guān)系。相關(guān)的分析和結(jié)果為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。
　　3)本文研究了引入MAC協(xié)議來(lái)減小干擾相關(guān)性的影響這一問(wèn)題，并推導(dǎo)了局部時(shí)延的均值和方差，量化分析了FHMA協(xié)議和ALOH

6、A協(xié)議對(duì)減小干擾相關(guān)性的影響。同時(shí)，本工作還優(yōu)化了FHMA協(xié)議中最優(yōu)的子信道個(gè)數(shù)和ALOHA協(xié)議中最優(yōu)的發(fā)送概率以最小化平均局部時(shí)延。結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)存在兩種狀態(tài)，即相關(guān)受限狀態(tài)和帶寬受限狀態(tài)，由FHMA中最優(yōu)子信道個(gè)數(shù)及ALOHA中最優(yōu)發(fā)送概率來(lái)劃分。如果沒(méi)有MAC動(dòng)態(tài)，局部時(shí)延將存在重尾分布，導(dǎo)致平均局部時(shí)延為無(wú)窮大，引入FHMA和ALOHA將大幅度地減小平均局部時(shí)延。通過(guò)比較FHMA和ALOHA的結(jié)果可知，盡管兩種協(xié)議的平均局部時(shí)延

7、表達(dá)式幾乎相同，但是方差具有較大差異。此研究?jī)?nèi)容的重要意義在于為研究干擾相關(guān)性提供了參考，并能有效地用于指導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)時(shí)延優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　4)本文研究了靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的空間分布為泊松雙極模型時(shí)，離散時(shí)間ALOHA網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定域和時(shí)延。假設(shè)每個(gè)發(fā)送機(jī)維護(hù)一個(gè)無(wú)限容量的數(shù)據(jù)隊(duì)列來(lái)存放生成的數(shù)據(jù)包，通過(guò)引入排隊(duì)論和點(diǎn)過(guò)程理論，并提出一些基于優(yōu)勢(shì)系統(tǒng)的全新的方法來(lái)研究此系統(tǒng)的穩(wěn)定性和時(shí)延。推導(dǎo)了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的充分條件和必要條件，并推導(dǎo)