基于干扰管理的巷道无线网络优化研究及算法设计

摘要

矿业安全生产形势严峻，井下事故频发，其中运输事故占很大比例。井下机车无人驾驶运输系统通过对运输现场的视频、机车的位置及运行的速度等信息的远程监控来实现机车的无人驾驶，从而提高运输安全性并有效减少井下人员数量，被认为是解决井下运输安全问题的根本措施。
　　井下机车无人驾驶运输系统的基础是构建巷道移动宽带互联网络，并对其性能提出了一些新的要求，主要表现在多机车在移动过程中流媒体数据的并发上行大吞吐率、下行控制指令的高实时性以及机车在多接入点之间的无缝切换等网络性能的优化。干扰管理理论中的串行干扰消除技术针对并发上行传输，采用迭代运算消除干扰实现并发接收，为巷道移动宽带互联网络性能的提升提供了新的思路。论文基于串行干扰消除技术，采用跨层设计的思想，提出了较完整的巷道移动宽带互联网络的优化方案，实现了单接入点下多机车并发上行传输的网络传输性能优化、多接入点下的接入点部署优化，以及衰落信道下的并发接收性能的评估及功率分配优化等。论文完成的主要研究工作如下:
　　(1)分析构建了单接入点下基于串行干扰消除的多用户并发上行传输网络优化模型，并利用机车调度的规律性特点简化了该模型。在简化模型基础上，提出了物理层串行干扰消除与数据访问层分时复用相结合的网络优化方案，并设计了实现算法。仿真结果表明，当采用串行干扰消除技术后，网络平均传输速率提高了40％以上,且随着机车数量的增加，有进一步提高的趋势。
　　(2)分析构建了多接入点组成的带状网下基于串行干扰消除的网络优化模型，通过理论推导发现了网络传输速率与机车行驶速度、聚集密度之间的联系，提出了可自修正的无线网络优化方案，并设计了实现算法。随后，对应用场景中可能存在的非均匀接入点部署方式进行了分析，给出了相应的调整策略。仿真结果表明，当采用串行干扰消除技术后，接入点的部署数量与机车通过全线路时间的二者综合性能均有较大提升。
　　(3)考虑实际环境中存在多径传播导致的信道多径衰落，基于串行干扰消除引入了抗干扰因子，针对一般性无线网络分析构建了多用户多信道的资源分配优化模型。通过理论推导得出了在一定成功解析概率下的最佳功率分配比，并给出了三种功率与信道的分配方案。瑞利衰落和莱斯衰落条件下的网络场景仿真结果表明，最佳功率比的快速资源分配方案具有最优的综合性能。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 论文研究背景

1．1．1 井下运输安全的迫切性及技术现状

1．1．2 井下机车无人驾驶技术发展及基础

1．1．3 IEEE 802．11协议簇巷道环境下不足

1．1．4 干扰管理技术在巷道移动网络应用

1．2 国内外研究现状

1．2．1 车地通信研究现状

1．2．2 干扰管理研究现状

1．3 论文研究意义

1．4 论文主要内容及结构

第二章 无线网络及干扰管理相关技术

2．1．1 井下无线网络

2．1．2 井下无线信道

2．2．1 干扰管理和SIC

2．2．2 SIC应用方案

2．3 数学理论及求解工具

第三章 巷道单接入点网络优化及算法设计

3．1 单接入点接入模型

3．1．1 单接入点模型分析

3．1．2 约束定理及证明

3．2 模型化简与算法设计

3．2．1 基于应用规则的新模型分析

3．2．2 算法设计与复杂度分析

3．3 仿真结果及分析

3．3．1 一个通过20辆机车场景的仿真

3．3．2 更多场景下的仿真分析

3．4 本章小结

第四章 巷道多接入点网络优化及算法设计

4．1 多接入点接入模型

4．2 可自修正的巷道移动宽带互联网络优化策略

4．3 非均匀连续基站调度方案

4．3．1 非均匀连续接入点模型分析

4．3．2 多接入点预调整策略

4．4 仿真结果及分析

4．5 本章小结

第五章 衰落信道下的最佳功率分配及算法设计

5．1 多径衰落下的网络模型

5．2 最佳功率比分析

5．2．1 瑞利衰落下的功率比推导

5．2．2 瑞利衰落下抗衰落因子计算

5．3 多种功率资源分配算法

5．3．1 基于模拟退火算法

5．3．2 基于最佳功率比算法

5．3．3 基于随机功率比算法

5．4 仿真结果及分析

5．4．1 瑞利信道下的场景仿真测试

5．4．2 莱斯信道下的场景仿真测试

5．4．3 不同功率分配方案的性能评估

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文研究总结

6．2 论文的创新点

6．3 未来研究方向

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况