【摘要】：無線通信技術(shù)的發(fā)展極大地改變了人們的生活方式。隨著大規(guī)模無線通信系統(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)接收到的信號強(qiáng)度以及干擾強(qiáng)度都直接依賴于發(fā)送機(jī)的空間位置,無線網(wǎng)絡(luò)的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其變動成為影響無線網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。為了分析和設(shè)計(jì)無線通信系統(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(jī)性,且無法得到簡單有效的閉式表達(dá)式解。隨機(jī)幾何理論,尤其是點(diǎn)過程理論,提供了一個(gè)有效的數(shù)學(xué)工具來建模無線通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)空間位置分布,而且能夠得到簡單的分析解。近幾年,隨機(jī)幾何理論在分析無線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)性能極限方面確實(shí)取得了較大的突破。 本文的研究內(nèi)容可以分成兩大類,分別是無線網(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、滿負(fù)載下時(shí)變干擾建模與分析以及突發(fā)業(yè)務(wù)下時(shí)變干擾建模與分析。本文的主要貢獻(xiàn)如下： 1)研究了兩類干擾管理機(jī)制對網(wǎng)絡(luò)性能的影響,分別為TD-LTE系統(tǒng)中的動態(tài)時(shí)分雙工技術(shù)和WLAN中RTS/CTS機(jī)制。對動態(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)際的仿真場景,從而衡量實(shí)際仿真場景與點(diǎn)過程模型之間的差異。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量的干擾來源信息能夠有效地提升網(wǎng)絡(luò)性能。針對RTS/CTS機(jī)制我們建立了一個(gè)空間分布模型來刻畫網(wǎng)絡(luò)的平均干擾,本工作提出一個(gè)標(biāo)值點(diǎn)過程來刻畫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Matern'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(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)針對異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò),本文引入隨機(jī)幾何理論來刻畫用戶和接入點(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)過程和Neyman-Scott簇過程。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)用戶和非授權(quán)用戶的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)用戶和非授權(quán)用戶的性能折衷關(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)議來減小干擾相關(guān)性的影響這一問題,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ALOHA協(xié)議對減小干擾相關(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)送概率來劃分。如果沒有MAC動態(tài),局部時(shí)延將存在重尾分布,導(dǎo)致平均局部時(shí)延為無窮大,引入FHMA和ALOHA將大幅度地減小平均局部時(shí)延。通過比較FHMA和ALOHA的結(jié)果可知,盡管兩種協(xié)議的平均局部時(shí)延表達(dá)式幾乎相同,但是方差具有較大差異。此研究內(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)無限容量的數(shù)據(jù)隊(duì)列來存放生成的數(shù)據(jù)包,通過引入排隊(duì)論和點(diǎn)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(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)了時(shí)延累積分布函數(shù)的上界和下界,數(shù)值結(jié)果表明在不同系統(tǒng)參數(shù)下,充分條件和必要條件之間的差異較小,且時(shí)延累積分布函數(shù)的上界和下界也較小。本章首次提出靜態(tài)泊松網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)突發(fā)到達(dá)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和時(shí)延。這部分研究將交互隊(duì)列問題推廣到整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中,提出了一個(gè)全新的問題,為結(jié)合排隊(duì)論和信息論的分析提供了重要的參考。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN92

【共引文獻(xiàn)】

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9 余s吤

本文編號：2773634