基于隨機(jī)幾何理論的無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸性能研究.pdf

1、隨后，針對認(rèn)知協(xié)作Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中授權(quán)用戶成功傳輸概率展開了研究。認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，由于認(rèn)知用戶存在頻譜檢測誤差，將不可避免的對同時發(fā)起傳輸?shù)氖跈?quán)用戶鏈路造成干擾。當(dāng)授權(quán)用戶無法正確進(jìn)行解碼接收時，考慮從能正確檢測的認(rèn)知用戶中選取唯一的節(jié)點(diǎn)作為授權(quán)用戶的協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。基于此，分析了兩種協(xié)作傳輸方案：基于距離的協(xié)作傳輸方案及基于SNR的協(xié)作傳輸方案。假設(shè)認(rèn)知用戶發(fā)送機(jī)位置是隨機(jī)的，并且服從齊次泊松點(diǎn)過
　　隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)

2、展，無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及其應(yīng)用范圍急劇擴(kuò)大，且節(jié)點(diǎn)類型與網(wǎng)絡(luò)形式多樣化發(fā)展，使得無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜。因此，在實(shí)際建網(wǎng)之前完成網(wǎng)絡(luò)性能評估，對于無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與優(yōu)化具有極其重要的意義。然而，由于無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有無控制中心、分布式等特性，任意時刻發(fā)送節(jié)點(diǎn)間無序的、未經(jīng)協(xié)調(diào)的信息傳輸會引起彼此之間的干擾，這些干擾使得影響Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素已不再是SNR，而是SINR。另外，由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的

3、動態(tài)拓?fù)洌⑶叶鄠€發(fā)送機(jī)與接收機(jī)間信道的相互干擾，使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不能按照鏈路進(jìn)行簡單的分解，因此傳統(tǒng)的基于點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)而建立的香農(nóng)信息論已不再適用于無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，探索出新的、更加合理的理論分析框架對無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的性能評估是一項(xiàng)極其復(fù)雜并且亟待解決的問題。本文將以隨機(jī)幾何理論作為數(shù)學(xué)分析工具，圍繞無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的四種通信場景展開研究，旨在構(gòu)建SINR/SIR分析模型，推導(dǎo)節(jié)點(diǎn)吞吐量、中斷概率、成功傳輸概率、容

4、量等傳輸性能指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討各種通信策略對無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸性能造成的影響，反映網(wǎng)絡(luò)傳輸能力與各個網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間的關(guān)系，最終為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。本文的主要研究成果如下：
　　首先，針對未授權(quán)頻段內(nèi)并存式Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)吞吐量性能展開研究?；陔S機(jī)幾何中散粒噪聲模型，得到了AWGN信道及Rayleigh衰落信道下網(wǎng)絡(luò)自干擾與互干擾的特征函數(shù)，基于此，推導(dǎo)了各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均吞吐量的閉合表達(dá)式。為了降低干擾，進(jìn)

5、一步分析了在設(shè)置干擾保護(hù)區(qū)域時網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均吞吐量性能：將網(wǎng)絡(luò)累積干擾近似成高斯隨機(jī)變量，利用隨機(jī)幾何理論分別得到了AWGN信道、Rayleigh衰落信道及Nakagami-m衰落信道下網(wǎng)絡(luò)自干擾與互干擾的均值與方差，進(jìn)而推導(dǎo)出設(shè)置干擾保護(hù)區(qū)域時節(jié)點(diǎn)平均吞吐量的閉合表達(dá)式。同時，假定多個Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)之間可通過集中控制的方式來協(xié)調(diào)各自的接入概率，采取了三種傳輸控制準(zhǔn)則（最大和、最大-最小公平，比例公平）對推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化。仿真結(jié)果表明

6、了理論推導(dǎo)的準(zhǔn)確性，采用干擾保護(hù)機(jī)制下的節(jié)點(diǎn)吞吐量性能要優(yōu)于未采用干擾保護(hù)機(jī)制，并且比例公平準(zhǔn)則能夠使得系統(tǒng)在高效性和公平性之間得到較好的均衡。
　　隨后，針對認(rèn)知協(xié)作Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中授權(quán)用戶成功傳輸概率展開了研究。認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，由于認(rèn)知用戶存在頻譜檢測誤差，將不可避免的對同時發(fā)起傳輸?shù)氖跈?quán)用戶鏈路造成干擾。當(dāng)授權(quán)用戶無法正確進(jìn)行解碼接收時，考慮從能正確檢測的認(rèn)知用戶中選取唯一的節(jié)點(diǎn)作為授權(quán)用戶的協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。基于此，分析了

7、兩種協(xié)作傳輸方案：基于距離的協(xié)作傳輸方案及基于SNR的協(xié)作傳輸方案。假設(shè)認(rèn)知用戶發(fā)送機(jī)位置是隨機(jī)的，并且服從齊次泊松點(diǎn)過程，利用隨機(jī)幾何方法分別推導(dǎo)了這兩種協(xié)作方案下授權(quán)用戶成功傳輸概率的閉合表達(dá)式。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的準(zhǔn)確性，說明了基于SNR的協(xié)作傳輸方案具有較好的優(yōu)越性，并且與不采用協(xié)作傳輸方案相比較，采用協(xié)作傳輸方案能夠有效提高授權(quán)用戶的成功傳輸性能。
　　接著，針對節(jié)點(diǎn)具有多天線的多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)場景，構(gòu)建了一種新

8、的評估網(wǎng)絡(luò)容量及端到端時延的分析框架。將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的空間分布建立成齊次泊松點(diǎn)過程，并將每條路由端到端的數(shù)據(jù)流傳輸建立成TASEP模型，假定每個節(jié)點(diǎn)采用SIMO模式進(jìn)行通信，定義了度量該多天線多跳網(wǎng)絡(luò)容量及端到端時延的性能指標(biāo)。針對Rayleigh衰落信道，分別推導(dǎo)了三種不同路由選擇策略（最近鄰節(jié)點(diǎn)、最遠(yuǎn)鄰節(jié)點(diǎn)、隨機(jī)鄰節(jié)點(diǎn)）下網(wǎng)絡(luò)容量及端到端的時延的閉合表達(dá)式。根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，分別探討了節(jié)點(diǎn)密度、路由跳數(shù)、接收天線個數(shù)及SIR門限值對網(wǎng)絡(luò)

9、傳輸性能的影響。該研究對在實(shí)際多天線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中采用何種路由策略提供了很好的指導(dǎo)意見。
　　最后，結(jié)合實(shí)際的調(diào)制方式與糾錯編碼方案，針對分組錯誤概率受限下的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸容量進(jìn)行了研究。將ALOHA協(xié)議下的SINR/SIR分析模型進(jìn)一步推廣到了非時隙ALOHA及CSMA協(xié)議中，并且基于不同的調(diào)制方式及糾錯編碼方案，結(jié)合CI功率控制方法，分析了在最大分組錯誤概率受限條件下系統(tǒng)中斷概率及傳輸容量。數(shù)值仿真結(jié)果表明：最大傳輸容量