无线自组织网络容量的研究

论文摘要

近年来,无线自组织网络成为无线通信又一新的技术领域,它具有无需预先架设基础设施,可临时快速组网等优点,吸引了越来越多的学者,其容量问题开始受到关注。无线自组织网络的容量是由网络平均每秒成功传输的数据量来衡量的,它的研究十分复杂。在给出合理定义后,就需要对网络模型进行抽象与建立,其中包括各种网络节点的功能模型、网络的拓扑模型、以及传输链路模型等。确定这些模型都非常困难,模型太简单不足以反应网络结构的本质,太复杂在数学理论上又难于处理。另外,通信方式的选择、业务模型、路由与媒体接入方法、甚至一些新技术的采用,都会对网络容量产生影响。无线自组织网络容量问题的研究目前只是刚刚起步,该领域还存在极大的研究空间。本文针对无线移动通信环境、基于所构建的自组网数学模型进行容量分析,目的是希望改善网络容量的性能,为构建优质网络提供理论依据。论文首先提出了一种中继业务下无线自组织网络的模型,讨论了相应的容量问题。不同的业务模式,自组织网络的容量也会有所不同。以往对中继业务的研究,是假定自组织网络仅存在一个源点和目的节点,其它节点均发挥中继作用。而本文对其研究进行扩展,假定网络同时存在若干个源点,但源点数目不超过ns,即网络中最多存在ns个节点同时发送数据,并允许多址接入或者多播传输方式,利用图形理论中经典的最大流最小切割定理推导相应的容量极限。整个分析过程采用的是高斯信道模型,结论具有重要意义。将超宽带技术应用于无线自组织网络的容量研究中。与以往对自组网容量问题的研究相比,本文将超宽带技术应用到了自组织网络,建立了相应的三维与二维网络模型,整个过程限制了节点的最大传输功率,使用任意大带宽,链路自适应调整。对于三维模型利用图形理论Voronoi小区特性进行分析,二维模型采用渗透理论（The theory of percolation）来研究,得出结论:超宽带技术下无线自组织网络的容量将随着节点数目的增加而增大。这一方面说明物理层设计不同对网络性能会有不同影响,另一方面也说明超宽带技术自身固有的优点可显著提高自组网的容量性能。从一个全新的角度——图形理论对无线自组织网络建模,并展开相应的容量研究,其目的是研究如何使无线自组织网络容量达到最大,核心思想是在成功传输的条件下使网络节点传输消耗资源最小,则网络容量达到最大。依据图形理论对网络建模,将节点传输需考虑的所有因素都包含进去并抽象成一个集合域,所有因素都是该域中不交的子集。列出了网络容量的线性规划方程,运用多端短路思想求解,分析将自组织网络的容量与路由问题结合,提出了方程求解的快速算法。以传输延迟时间为基准,研究了混合无线网络的容量问题。混合无线网络是在自组织网络中添加基站的新型网络模型,数据传输既可采用自组网的多跳方式,也可选择通过基站来完成,它的容量研究更加复杂。本文构造了同时包含静态与动态节点的混合无线网络,以传输延迟时间为基准提出了新的路由方案,运用图形计算的方法推导了混合无线网络容量数学期望的分析表达式,并在动态-动态阶段采用系统业务相关自适应路由算法,它使容量随网络拓扑结构与业务分布自适应变化。讨论了引入超宽带技术后混合无线网络的容量性能,提出了超宽带技术下的混合无线网络模型,分析确定了超宽带技术下自组网分量节点多跳传输占用的带宽,说明多跳传输采用码分多址的媒体接入方式是最优的,以小区为单位探讨多跳传输与基站传输各自承载数据的能力,运用极限定理推导超宽带技术下混合无线网络的容量极限,其结果与未引入超宽带技术时相比,容量增长至少为12dB。论文最后建立了码分多址机制下的混合无线网络模型,采用马尔可夫链的数学分析方法,在特定路由策略下,推导出混合无线网络平均吞吐容量的数学表达式。分析表明,若基站数目保持不变,随节点数目的增加,网络容量增长到一定程度后会保持稳定。对于每个给定条件,混合无线网络的容量存在理论极限值,该值应与基站数目有关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 概论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 无线自组网网络容量的研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容及创新
• 2 无线自组网网络容量研究的基础理论
• 2.1 引言
• 2.2 无线自组网网络容量的定义
• 2.3 两种静态自组网的网络模型
• 2.4 网络容量的推导
• 2.5 仿真结果
• 2.6 本章小结
• 3 中继业务下无线自组织网络的容量区域
• 3.1 引言
• 3.2 网络模型
• 3.3 中继业务下的网络容量
• 3.4 仿真结果
• 3.5 本章小结
• 4 基于超宽带技术的无线自组网网络容量
• 4.1 引言
• 4.2 自组织网络在三维球体表面上的网络容量
• 4.3 自组织网络在二维平面上的网络容量
• 4.4 本章小结
• 5 基于图形理论的无线自组织网络容量
• 5.1 引言
• 5.2 无线自组织网络的建模
• 5.3 基于无线自组织网络模型的多端短路问题
• 5.4 矩阵扩展算法
• 5.5 仿真结果
• 5.6 本章小结
• 6 混合无线网络的容量及延迟性能
• 6.1 引言
• 6.2 混合无线网络模型
• 6.3 混合无线网络的容量
• 6.4 系统业务相关自适应路由算法
• 6.5 仿真结果
• 6.6 本章小结
• 7 基于超宽带技术的混合无线网络容量
• 7.1 引言
• 7.2 超宽带条件下混合无线网络的模型
• 7.3 系统理论分析
• 7.4 仿真结果
• 7.5 本章小结
• 8 码分多址系统下混合无线网络的容量
• 8.1 引言
• 8.2 码分多址系统下的混合无线网络模型
• 8.3 性能分析
• 8.4 仿真结果
• 8.5 本章小结
• 9 全文总结与展望
• 9.1 全文总结
• 9.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 英文缩写对照表
• 附录3 数学符号说明