面向应急通信的中继网络部署问题研究

发布时间：2020-06-26 18:56

【摘要】：在有蜂窝网覆盖,但是无法满足骤然增加的通信需求的场所,如大型集会场所等；在没有蜂窝网覆盖,但是存在通信需求的场所,如存在通信需求的地下环境或者偏远地区等；在蜂窝网基础设施被摧毁,但是存在通信需求的场所,如地震或者海啸的灾后现场等,应急通信系统综合利用各种通信资源,提供暂时性的无线覆盖和满足需要的通信手段。本文针对实际的应用场景,讨论基于中继网络的应急通信系统,研究中继网络部署相关问题。将中继节点部署在最优位置最优化系统性能,或者在系统性能约束下部署最少的中继节点以降低系统成本。主要的研究内容和贡献如下：针对矿难或者隧道事故等应用场景,采用沿途部署便携式中继节点的方式建立一维中继网络。本文系统地研究了收发端距离已知时,最优的中继部署与资源配置最小化中断概率或者最大化传输速率。收发端距离未知时,中断概率或者传输速率约束下,最优的中继部署与资源配置最大化传输距离。当中断概率作为系统性能指标时,只需要优化中继部署,优化问题为凸问题。采用凸优化理论可以得到全局最优解。当传输速率作为系统性能指标时,需要联合优化中继部署与资源配置,优化问题为非凸问题。分析了链路分配总资源与链路距离一阶导数的非负性质和凸性质,并利用这些性质设计低复杂度的求解算法,可以得到全局最优解。针对火灾或者抓捕等应用场景,采用部署基站和移动中继节点的方式建立二维移动中继网络。本文系统地研究了最优的基站部署、中继部署与资源配置问题。在基站部署方面,最优的基站部署最大化目标区域内的最小信噪比。基站可以部署在目标区域内外的任意位置时的优化问题为凸问题。基站只能够部署在目标区域边上或者外面时的优化问题为非凸问题。对于两个优化问题,采用几何分析的方法,给出低复杂度的求解算法,得到全局最优解。在中继部署与资源配置方面,最优的中继部署与资源配置最小化所有用户中的最大中断概率,或者最大化所有用户中的最小传输速率。当中断概率作为系统性能指标时,只需要优化中继部署。优化问题为非凸问题。采用低复杂度的贪婪算法获得次优解,并与穷搜索算法得到的全局最优解进行比较。通过仿真可得两者的所有用户中的最大中断概率基本重合。当传输速率作为为系统性能指标时,需要联合优化中继部署与资源配置。优化问题为非凸问题。由于每个用户只会选择资源效率最高的一条链路。集中式算法遍历用户的链路选择,得到全局最优解,复杂度较高。分布式算法基于用户分类,交替迭代得到次优解,复杂度较低。通过仿真可得两者的所有用户中的最小传输速率基本重合。针对地震或者海啸等应用场景,采用部署基站和随机中继节点的方式建立二维随机中继网络。针对中继部署的随机性、位置不可控的特征,本文系统地研究了中继密度和路径选择问题。在中继密度方面,用户与最近的中继节点通信。采用随机几何工具分析用户成功发送一个数据包至最近的中继节点,和用户从最近的中继节点成功接收一个数据包的时延。并进一步分析不同的调制编码方式对时延的影响。在给定时延需求的情况下,给出低复杂度的求解算法得到最小的中继密度。在路径选择方面,为每个中继节点与基站间建立中继链路。考虑实时业务,时延较大的数据包不具有实际价值。在限制每跳链路的重传次数上界的情况下,分析每个设备的最优发送功率,端到端成功传输一个数据包的能耗与剩余能量的比值。然后根据网络特点,以最小化能耗与剩余能量的比值为准则,改进OLSR协议,采用Dijkstra算法,实现分布式且低复杂度的路径选择。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN925
【图文】：

中继,中断概率,最小化,节点

T为己知常量，仿真中取值为lOdB。当收发端距离为500m，频谱资源为7MHzB寸，最优的中继部署如图2.3所示。可以看到：1)固定中继数时，中继节点与中继节点间链路距离相等。这是由于每个中继节点具有相同的发送功率，中继节点与中继节点间链路具有等价性。2)固定中继数时，基站与中继节点间链路距离，大于等于中继节点与中继节点间链路距离，大于等于中继节点与用户间链路距离。这是由于基站发送功率，大于中继节点发送功率，大于用户发送功率。当中继数为3时，最优的中继部署对应的距离元组为丨132.3，132.3

中继,中断概率,节点,链路

噪比门限值7和r为己知常量，仿真中取值为10 dB。当收发端的中断概率不大于5%，频谱资源为7MHz时，最优的中继部署如图2.8所示。可以看到：1)固定中继数时，中继节点与中继节点间链路距离相等。这是由于每个中继节点具39

【共引文献】