干擾場景下車輛移動通信網(wǎng)絡(luò)性能分析及優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)和國家交通事業(yè)的飛速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)作為第五代(5G)移動通信系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用，越來越受到人們的關(guān)注。在未來車輛移動通信網(wǎng)絡(luò)中，不僅要在“量”上要滿足移動用戶多樣化業(yè)務(wù)需求，還要在“質(zhì)”上確保移動用戶以更低的時延獲得更大的傳輸速率。隨著車載用戶數(shù)量不斷增加，在信息傳輸過程中，接收節(jié)點受到干擾的可能性越來越大。針對干擾和移動這兩大問題，本文考慮干擾處于高動態(tài)場景下，即每一時刻，都會有新的干擾節(jié)點產(chǎn)生，從理論上分析了車輛移動通

2、信網(wǎng)絡(luò)的性能及其相應(yīng)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。
　　首先，本文研究高速公路場景，即源-中繼-目的節(jié)點移動場景的通信鏈路中斷概率和最優(yōu)功率分配方案。在本研究中，假設(shè)中繼節(jié)點只受到噪聲的影響，目的節(jié)點只受到共道干擾(co-channel interference，CCI)的影響，并且干擾處于高移動狀態(tài)，即每一個時刻，干擾節(jié)點的數(shù)目和位置都有所不同。在這一模型的基礎(chǔ)上，本文得到了中斷概率的分析表達式和緊的下界，分析了兩跳鏈路對于端到端中斷概率的影

3、響，源節(jié)點、中繼節(jié)點的發(fā)送功率對于端到端中斷概率的影響。此外，得到在源-中繼-目的節(jié)點鏈路移動過程中，中斷概率的變化情況。當(dāng)源節(jié)點和中繼節(jié)點的發(fā)送功率之和受限時，得到了中斷概率最小的最優(yōu)功率分配方案。
　　接著，本文分析多跳車輛移動通信網(wǎng)絡(luò)的端到端時延，并得到時延最小的最優(yōu)跳數(shù)的分析結(jié)果。在傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)時延分析中，通常假設(shè)中繼節(jié)點等間距分布在源節(jié)點和目的節(jié)點的連線上，并忽略了多跳鏈路跳數(shù)對于時延的影響。事實上，隨著跳數(shù)增多，

4、每一跳的距離減小有利于時延的減小，但同時需要處理數(shù)據(jù)的時間會增多，從而使時延變大。本文對這一場景進行了擴展，考慮中繼服從三種分布場景下的端到端時延性能及最優(yōu)跳數(shù)分析，包括中繼等間距分布、中繼服從均勻分布以及中繼服從隨機路徑點移動(random waypoint mobility，RWPM)模型分布。假設(shè)單跳網(wǎng)絡(luò)在干擾受限和噪聲受限場景下有相同的接收信干比(signal-to-interference ratio，SIR)和信噪比(sig

5、nal-to-noise ratio，SNR)，論文分析了單跳通信網(wǎng)絡(luò)在這兩種場景下的時延性能。通過比較中繼等間距分布和中繼服從均勻分布這兩種場景的時延性能，研究表明選擇在源節(jié)點和目的節(jié)點連線上等間距分布的中繼節(jié)點可以更有效地降低時延。中繼服從均勻分布類似于靜止中繼節(jié)點的場景，中繼服從RWPM模型可視為移動中繼節(jié)點場景。通過比較這兩種場景，本文的分析和仿真實驗表明，移動性有利于減小多跳信息傳輸?shù)臅r延。
　　其次，本文分析了干擾受限

6、場景車輛移動通信網(wǎng)絡(luò)的連通度與移動性之間的關(guān)系。在傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)連通概率分析工作中，大多假設(shè)接收節(jié)點不受干擾的影響，忽略了節(jié)點密度以及移動場景下節(jié)點移動性對于連通概率的影響。當(dāng)考慮節(jié)點之間的干擾時，節(jié)點密度增大，節(jié)點之間的距離減小，則接收節(jié)點接收有用信號的強度增大，從而有利于提高通信質(zhì)量和連通概率。但節(jié)點密度增大，將導(dǎo)致接收節(jié)點受到的干擾增強，從而通信質(zhì)量下降，直接影響網(wǎng)絡(luò)的連通概率。根據(jù)這一基本想法，本文推導(dǎo)出干擾場景下有限區(qū)間內(nèi)

7、線性網(wǎng)絡(luò)全連通概率的上、下界，并得到全連通概率是節(jié)點密度的擬凹函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，分析了移動場景下節(jié)點移動的平均速度與有限線性網(wǎng)絡(luò)連通概率之間的關(guān)系。
　　再次，本文分析了隨機多址接入?yún)f(xié)議下，半雙工(half-duplex)和全雙工(full-duplex)單跳信息傳輸系統(tǒng)的隨機接入傳輸容量(random access transport capacity，RATC)。假設(shè)接收節(jié)點選擇離它最近的節(jié)點作為發(fā)送節(jié)點進行傳輸，從而節(jié)點之間

8、的距離不是固定值，而是一個隨機變量。當(dāng)節(jié)點的隨機接入概率增大時，意味著發(fā)送節(jié)點發(fā)送信息的機會增多，隨機接入傳輸容量可能提高，但同時，接收節(jié)點受到的共道干擾節(jié)點數(shù)目增多，從而成功傳輸?shù)母怕蕼p小，傳輸次數(shù)可能增多，隨機接入傳輸容量可能減小。類似地，當(dāng)SIR閾值增大時，信道的最大傳輸速率會增大，隨機接入傳輸容量可能增大，但同時意味著單跳鏈路的成功概率減小，隨機接入傳輸容量可能變小。通過仿真實驗驗證了，隨機接入傳輸容量是節(jié)點的發(fā)送概率、SIR閾

9、值的擬凹函數(shù)，并得到全雙工系統(tǒng)的性能優(yōu)于半雙工系統(tǒng)的性能。
　　最后，本文分析線性多跳譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(decode-and-forward，DF)通信鏈路的吞吐量并得到對應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。在傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量分析中，一般僅分析某一個系統(tǒng)參數(shù)與吞吐量之間的關(guān)系，少有系統(tǒng)參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化的方案分析。本文研究了多跳無線通信網(wǎng)絡(luò)的跳數(shù)、SIR閾值與吞吐量之間的關(guān)系，揭示了固定跳數(shù)或SIR閾值，吞吐量是另一個參數(shù)的擬凹函數(shù)。根據(jù)吞吐量函數(shù)的結(jié)構(gòu)