无线通信网接入性能分析的建模与优化研究

论文摘要

随着个人通信的普及,以及无线通信技术的飞速发展,无线通信网中的业务种类不断丰富,业务量急剧增加。无线通信网络的带宽有限性,使得其接入性能分析变得十分重要。信道接入问题,是如何合理分配相互竞争用户之间的信道资源,而有效的信道接入模型和性能分析方法则是无线通信网络合理分配信道资源的前提。本论文应用基于排队理论的精确模型方法,构建了多种无线通信网接入模型,通过对模型的解析,得到了无线通信网络的性能指标的表达式。进行了系统的仿真分析,得到了系统参数设置的优化结果,为无线通信网优化设计及合理配置提供了理论依据和分析方法。首先,针对数字移动通信网的特点,建立了离散时间Geom/Geom/c/c排队模型和有限群体并带有无限Buffer（Geom/Geom/c/c/N）、有限Buffer（Geom/Geom/c/K/N）的排队模型。利用这三个模型分别对无线通信系统的接入过程进行建模;通过Markov链和生灭过程的方法,推导出了重要的性能指标的解析表达式;比较了在不同模型中系统性能指标与系统负载的关系。其次,针对无线通信网多业务接入特性,构建了两类业务的M1,M2/M1,M2/c/c,∞混合消失系统模型;递进地建立了对应于时延敏感型业务优先接入策略的无限和有限Buffer两种离散时间排队模型;通过拟生灭过程与矩阵几何解方法求解,得到了各类业务的阻塞概率、平均等待时间以及系统信道平均利用率等重要性能指标,给出了对各种QoS约束下系统参数的优化结果。再次,基于无线Ad hoc网中的移动节点的能量管理,引入部分服务台休假排队系统对无线通信网的接入性能进行建模。提出了用部分服务台异步N-策略休假排队模型和带启动时间（e, d）策略同步休假排队模型对Ad hoc网中的移动节点的无线链路建立过程进行建模。设置了休眠阈值与唤醒阈值等系统休眠参数,比较了这些休眠参数对系统性能的影响,并通过系统仿真得到其最优值,比较了同步与异步休眠策略对系统性能的影响。最后,基于无线通信网络用户的移动特性,引入空间排队（Spatial Queues）理论,用空间位相型到达过程（SPHAP）描述无线小区中来自不同服务区域到达过程的空间结构,建立了基于不同服务区域的无线通信网络的业务接入模型SPHAP/M/c/c。推导出用于空间结构上的分析和设计的无线通信系统性能指标的解析表达式,给出了优化策略,通过系统仿真得到了优化结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无线通信网概述
• 1.1.1 无线通信网结构
• 1.1.2 几种典型的无线通信网络
• 1.1.3 无线通信网的发展趋势
• 1.2 无线通信网的多址接入协议
• 1.2.1 有中心接入点（或者基站）的单跳网络中的多址接入协议
• 1.2.2 Ad hoc 网络中的多址接入技术
• 1.3 无线通信网接入性能分析的研究现状
• 1.3.1 无线通信网接入性能分析的分类
• 1.3.2 基于业务模型的建模方法
• 1.3.3 基于吞吐量的建模方法
• 1.3.4 基于优先级机制的建模方法
• 1.3.5 基于能量管理的建模方法
• 1.4 多服务台休假排队与排队系统的优化
• 1.4.1 休假排队模型的分类
• 1.4.2 多服务台休假排队模型的发展史
• 1.4.3 多服务台休假最新进展与部分服务台休假
• 1.4.4 排队系统的优化问题
• 1.5 研究主要内容与技术路线
• 1.5.1 研究的主要内容
• 1.5.2 技术路线
• 1.6 课题来源与研究意义
• 1.6.1 课题来源
• 1.6.2 课题研究意义
• 1.7 论文结构
• 第2章 Erlang 消失系统性能分析
• 2.1 连续时间Erlang 消失系统
• 2.1.1 模型描述
• 2.1.2 排队模型分析
• 2.1.3 系统性能指标与Erlang-B 公式
• 2.2 连续时间Erlang 时延损失系统
• 2.2.1 模型描述
• 2.2.2 排队模型分析
• 2.2.3 系统稳态分布及系统性能指标
• 2.3 离散时间Erlang 损失系统
• 2.3.1 模型的建立
• 2.3.2 稳态分布
• 2.4 数值仿真与优化设计
• 2.4.1 性能指标参数优化设计
• 2.4.2 系统性能指标曲线图
• 2.4.3 系统性能指标分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 有限群体无线通信网络建模分析
• 3.1 连续时间有限群体消失系统建模
• 3.1.1 系统模型描述
• 3.1.2 M/M/c/c/N 排队模型描述
• 3.1.3 M/M/c/c/N 排队模型的分析
• 3.2 离散时间有限群体消失系统建模
• 3.2.1 模型的建立背景
• 3.2.2 模型描述
• 3.2.3 阻塞概率和消失母函数
• 3.2.4 平均信道利用率
• 3.2.5 在N= c 条件下的特例
• 3.3 离散时间有限群体混合消失系统建模分析
• 3.3.1 系统模型的建立与描述
• 3.3.2 系统的稳态分布
• 3.3.3 系统性能指标分析
• 3.4 数值仿真与优化设计
• 3.4.1 离散时间有限群体消失系统
• 3.4.2 离散时间有限群体混合消失系统
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于无线通信网多业务接入性能分析模型
• 4.1 Erlang 消失系统空闲服务台的利用
• 4.1.1 模型描述与QBD 模型
• 4.1.2 排队模型稳态指标分析
• 4.2 混合业务接入控制的离散排队分析
• 4.2.1 模型的建立背景
• 4.2.2 系统建模
• 4.2.3 系统性能指标分析
• 4.3 混合业务接入的有限Buffer 离散排队分析
• 4.3.1 系统模型描述
• 4.3.2 系统状态转移概率矩阵P
• 4.3.3 系统稳态分布
• 4.3.4 系统性能指标分析
• 4.4 数值仿真与优化设计
• 4.4.1 两类用户的Erlang 混合消失系统
• 4.4.2 混合业务接入控制的离散排队
• 4.4.3 混合业务接入的有限Buffer 离散排队
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于能量管理的Ad Hoc 网络接入性能分析
• 5.1 部分服务台异步N-策略休假排队建模
• 5.1.1 模型的建立
• 5.1.2 模型的稳态分布
• 5.1.3 信道休眠对系统性能的影响
• 5.1.4 系统性能指标分析
• 5.2 带启动时间和同步（e, d）策略休假排队建模
• 5.2.1 模型的建立
• 5.2.2 系统转移率阵和系统平衡条件
• 5.2.3 系统平稳分布
• 5.2.4 系统性能指标分析
• 5.3 同步与异步休眠的性能指标仿真比较
• 5.3.1 部分服务台异步N-策略休假模型
• 5.3.2 异步和同步休眠策略的比较
• 5.4 带启动时间的休假排队性能指标比较
• 5.4.1 系统参数设定
• 5.4.2 参数e 与d 对信道平均休眠率的影响
• 5.4.3 参数e 与d 对信道平均启动率的影响
• 5.4.4 参数e 与d 对信道平均利用率的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 无线通信网接入的空间性能指标分析
• 6.1 空间排队模型描述
• 6.1.1 模型建立背景
• 6.1.2 空间到达模型
• 6.1.3 空间Poisson 需求过程
• 6.1.4 空间位相型用户需求过程
• 6.2 SPHAP/M/c/c 消失系统
• 6.3 空间性能指标及最优化设计
• 6.4 数值仿真与优化
• 6.4.1 系统设计与参数设置
• 6.4.2 性能指标曲面图
• 6.4.3 系统参数优化表
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介