基于物理层网络编码和基站辅助的无线网络容量研究

摘要

无线网络是近些年来重要的热点研究课题,包括无线自组织网络和机器间通信网络(物联网)。分析无线网络的容量性能对于无线网络的架构设计、路由算法和调度策略等具有根本性的指导意义。采用渐进性分析方法研究大规模无线网络的性能是一种有效的手段。该领域的代表性工作指出,大规模无线自组织网络的节点容量会随着节点数增多而趋向于零,即网络不具有可拓展性。研究提升无线网络性能的技术方法,以使得网络性能更优甚至具有可拓展性,具有重要意义。
　　本文研究了基站辅助、物理层网络编码、多跳传输三种技术方法对于大规模无线网络容量的提升程度。本文首先回顾了研究课题的背景,梳理该领域的研究现状与重要工作。然后,介绍大规模无线自组织网络容量渐进性分析方法的基础知识,包括网络模型、传输模式、干扰模型以及容量定义等。
　　接着本文研究了具有基站辅助的大规模无线自组织网络的多播容量。本文采用最大L跳资源分配策略来分配调度自组织模式与基站模式下的传输,首先分别确定自组织模式和基站模式下的容量,然后再研究整个混合网络的总容量。接着,分析混合网络的容量与跳数L的关系,推导得出达到最大多播容量的最优跳数L,以及相应的最大多播容量。在此基础上,本文对比分析基站辅助对于无线自组织网络容量的提升程度,以及使得网络可拓展的条件。
　　本文进一步分析了物理层网络编码技术应用于随机无线自组织网络时的每节点单播容量增益。分别研究了在一维网络、二维网络中,传统的流式传输、网络编码、物理层网络编码这三种方案下网络节点的吞吐量容量。结果表明,相对于传统的流式传输方案和网络编码方案,物理层网络编码能够带来每节点吞吐量的常数倍提升,具有实用价值。
　　对于大规模的机器间通信网络,本文研究多跳传输方式对于网络性能的影响。本文考虑一种具有典型机器类型通信特性的网络,分别评估其采用单跳传输方式和多跳传输方式时,吞吐量容量、时延和能量消耗等关键性能参数的表现。结果表明,多跳方式能够有效降低网络的时延,但不能提升吞吐量。同时,本文研究了节点的平均能量消耗与传输范围的关系,表明存在一个最优的传输范围值使得平均能量消耗最小,而单跳方式是更加耗能的。对于具有不同机器类型通信特性的网络,本文分别提出相应的最优传输范围值来适应不同的特性要求。
　　本文分析了三种技术方法对大规模无线网络的性能的影响程度,对于设计网络结构、路由调度策略等具有一定指导意义。

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插图索引

主要符号对照表

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 研究现状和重要文献回顾

1.3 本文主要研究内容和结构安排

第二章 大规模无线网络渐进性分析的基本模型

2.1 基本数学概念

2.2 网络拓扑

2.3 传输模式

2.4 干扰模型

2.5 随机网络的渐进容量

2.6 本章小结

第三章 具有基站辅助的无线自组织网络多播容量研究

3.1 引言

3.2 混合无线网络模型

3.3 自组织模式下的多播容量

3.4 基站模式下的网络多播总容量

3.5 混合网络的多播总容量

3.6 分析与讨论

3.7 本章小结

第四章 基于物理层网络编码的无线自组织网络单播容量分析

4.1 引言

4.2 无线网络模型

4.3 一维随机无线网络的吞吐量增益

4.4 二维随机无线网络的吞吐量增益

4.5 讨论

4.6 结论

第五章 基于多跳传输的机器间通信网络性能分析

5.1 引言

5.2 系统模型

5.3 多跳方式下机器间通信网络的吞吐量容量和时延

5.4 单跳方式下机器间通信网络的吞吐量容量和时延

5.5 分析和讨论

5.6 本章小结

全文总结

参考文献

致谢

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