基于随机几何的多跳无线网络干扰模型及跨层容量优化技术研究-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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基于随机几何的多跳无线网络干扰模型及跨层容量优化技术研究

项目名称：基于随机几何的多跳无线网络干扰模型及跨层容量优化技术研究
项目类别：面上项目
批准号：61171094
申请代码：F010202
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2012-01-01-2015-12-31

项目负责人：朱琦
依托单位：南京邮电大学
批准年度：2011

中文摘要：

多跳无线网络被认为是无线通信未来发展的一种重要形式，本项目以多跳无线网络为背景，结合跨层优化技术，从网络中干扰源空间随机分布的角度出发，以干扰分析、干扰建模以及跨层容量优化为主线，基于随机几何理论、图论和信息论，研究各种多跳网络节点的随机分布情况并将之抽象为相应的数学模型，建立其累积干扰模型，获得干扰的统计特征参数。基于衰落信道模型，引入连接函数概念，将无线网络的部分连通性问题抽象为一类特殊随机图的渗流问题，推导出保证无线网络处于部分连通状态的临界节点密度，构建基于SINR模型的泊松信干比图，分析并确定网络拓扑结构以及节点密度。基于干扰、容量和连通性的分析模型，以网络容量最大化为目标，在QoS的约束下，对多跳无线网络进行跨层优化。本项目研究的内容在Ad Hoc网络、无线网状网、传感器网络和多跳蜂窝网络等各种新型网络中都极具应用价值，是下一代无线通信发展必须突破的关键技术之一。

中文主题词：随机几何；多跳无线网络；干扰分析；容量优化；连通性

英文摘要：

stochastic geometry；multi-hop wireless networks；interference analysis；capacity optimization；connectivity

英文主题词： stochastic geometry；multi-hop wireless networks；interference analysis；capacity optimization；connectivity

结论摘要：

无线通信中的一个重要特征是存在干扰问题，对于多跳无线网络尤其突出，研究干扰分布及其统计特性极为重要。本项目以多跳无线网络为背景，从干扰源空间随机分布的角度出发，以干扰分析建模以及容量优化为主线，围绕着建立基于随机几何的干扰与容量分析模型、网络连通性与拓扑结构、基于干扰模型的容量优化机制等方面展开了研究，取得了一系列成果。主要创新如下（1）考虑通信系统中数据传输速率及传输距离的动态变化，利用随机几何理论对瑞利衰落环境下中断概率的闭合表达式及渐近表达式、传输容量的渐近表达式进行了推导；（2）针对多天线多跳Ad Hoc网络场景，构建了一种新的度量网络容量及端到端时延的分析框架，定义了度量该网络容量及端到端时延的性能指标，针对Rayleigh衰落信道，推导了不同路由策略下网络容量及端到端时延的闭合式；（3）将ALOHA协议下的SINR分析模型进一步推广到了非时隙ALOHA及CSMA协议中，基于不同的调制方式及纠错编码方案，分析了在最大分组错误概率受限条件下网络中断概率及传输容量的性能；（4）建立了基于随机几何理论的中继OFDM系统容量模型，以干扰积分上限值替代实际干扰值等理论分析，在中继和基站节点功率受限的情况下，得到了系统容量的闭合表达式；（5）在衰落信道下，采用随机几何理论，建立了基于信干比的连通性模型，推导了Nakagami-m信道衰落情况下网络连通概率的闭合式；（6）结合MAC协议，针对高密度的Ad hoc 网络建立了基于信干比的连通性模型，推导了Ad hoc网络中任一节点成为孤立节点的概率，从而得到整个网络中没有孤立节点概率；（7）在多跳中继OFDM网络中，以系统容量最大化为目标提出了一种功率分配和子载波配对联合算法，通过定义等效信道增益，并基于柯西-施瓦茨不等式，对优化模型进行了简化并求得最优解；（8）在多跳中继OFDM网络中，提出了分布式的干扰协调及载波、功率联合分配算法，该算法以最大化系统容量为目标，将优化目标划分为三个子层优化问题，从而将原混合整数非线性规划问题转化为易于求解的凸优化问题。基于以上研究，本项目共发表论文80篇，其中SCI检索19篇，EI检索66篇，申请专利38项，其中14项已获得授权，培养博士生6名，硕士生25名，其中有7人获得江苏省优秀硕士学位论文。本项目的研究成果可以降低干扰，提高频谱利用率，对改善多跳网络性能具有重要意义。

成果综合统计