無線網絡瞬態(tài)與時變干擾建模與分析.pdf

1、無線通信技術的發(fā)展極大地改變了人們的生活方式。隨著大規(guī)模無線通信系統(tǒng)（如ad hoc網絡、傳感網以及異構蜂窩網）的出現(xiàn)，用戶以及接入點的空間位置往往并非完全規(guī)則部署，由于接收機接收到的信號強度以及干擾強度都直接依賴于發(fā)送機的空間位置，無線網絡的空間拓撲結構及其變動成為影響無線網絡性能的關鍵。為了分析和設計無線通信系統(tǒng)，需要從數(shù)學上準確地建模網絡中節(jié)點的空間位置。傳統(tǒng)網格模型無法有效地建模分析大規(guī)模無線通信系統(tǒng)的空間部署的隨機性，且無法得

2、到簡單有效的閉式表達式解。隨機幾何理論，尤其是點過程理論，提供了一個有效的數(shù)學工具來建模無線通信網絡中節(jié)點空間位置分布，而且能夠得到簡單的分析解。近幾年，隨機幾何理論在分析無線通信系統(tǒng)的基礎性能極限方面確實取得了較大的突破。
　　本文的研究內容可以分成兩大類，分別是無線網絡干擾瞬時狀態(tài)和時變特性建模與性能分析。進一步又可以分為四個子問題:干擾協(xié)調機制瞬態(tài)建模與分析、資源管理機制瞬態(tài)建模與分析、滿負載下時變干擾建模與分析以及突發(fā)業(yè)務

3、下時變干擾建模與分析。本文的主要貢獻如下:
　　1)研究了兩類干擾管理機制對網絡性能的影響，分別為TD-LTE系統(tǒng)中的動態(tài)時分雙工技術和WLAN中RTS/CTS機制。對動態(tài)時分雙工技術的研究一個重要的目的是建模實際的仿真場景，從而衡量實際仿真場景與點過程模型之間的差異。根據理論分析的結論，提出了三種基于過載指示信息的分布式干擾協(xié)調機制。仿真結果表明基于基站到基站測量的干擾來源信息能夠有效地提升網絡性能。針對RTS/CTS機制我們建

4、立了一個空間分布模型來刻畫網絡的平均干擾，本工作提出一個標值點過程來刻畫RTS/CTS機制下發(fā)送機和接收機的空間分布，而RTS/CTS機制的影響與Matérn's硬核模型中的稀釋過程類似。本文提出了一種通用的方法來推導典型接收機接收到的平均干擾功率，該方法可以用于分析更為復雜的網絡協(xié)議。
　　2)針對異構蜂窩網絡，本文引入隨機幾何理論來刻畫用戶和接入點的空間位置分布，考慮了兩種不同的情況:家庭基站接入點的空間位置分布為泊松點過程和

5、Neyman-Scott簇過程。相應地推導了關鍵的系統(tǒng)性能指標，如平均可達速率，授權用戶和非授權用戶的SINR分布，得到了一般情況下的積分表達式，之后再在特殊情況下簡化為閉式表達式，根據所獲得的結果，可以得到授權用戶和非授權用戶的性能折衷關系。相關的分析和結果為網絡參數(shù)的選擇和系統(tǒng)設計提供了有價值的參考。
　　3)本文研究了引入MAC協(xié)議來減小干擾相關性的影響這一問題，并推導了局部時延的均值和方差，量化分析了FHMA協(xié)議和ALOH

6、A協(xié)議對減小干擾相關性的影響。同時，本工作還優(yōu)化了FHMA協(xié)議中最優(yōu)的子信道個數(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延。結果表明，網絡存在兩種狀態(tài)，即相關受限狀態(tài)和帶寬受限狀態(tài)，由FHMA中最優(yōu)子信道個數(shù)及ALOHA中最優(yōu)發(fā)送概率來劃分。如果沒有MAC動態(tài)，局部時延將存在重尾分布，導致平均局部時延為無窮大，引入FHMA和ALOHA將大幅度地減小平均局部時延。通過比較FHMA和ALOHA的結果可知，盡管兩種協(xié)議的平均局部時延

7、表達式幾乎相同，但是方差具有較大差異。此研究內容的重要意義在于為研究干擾相關性提供了參考，并能有效地用于指導實際系統(tǒng)時延優(yōu)化設計。
　　4)本文研究了靜態(tài)網絡中當發(fā)送機和接收機的空間分布為泊松雙極模型時，離散時間ALOHA網絡的穩(wěn)定域和時延。假設每個發(fā)送機維護一個無限容量的數(shù)據隊列來存放生成的數(shù)據包，通過引入排隊論和點過程理論，并提出一些基于優(yōu)勢系統(tǒng)的全新的方法來研究此系統(tǒng)的穩(wěn)定性和時延。推導了網絡穩(wěn)定的充分條件和必要條件，并推導