基于复杂网络理论的无线接入网中继传输研究

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

目前 5G 研发已经进入第二阶段，我国在 5G 的概念、需求、无线技术和网络架构等方面，取得了一系列成果。5G 通信系统可以提供更高的传输速率、更低的延迟和更好的服务质量（Quality of Service，QoS）[1]。5G 时代的一大特点是“万物互联”，实现人、机器、智能终端、家用电器等数据交互。未来世界里，几乎所有物体都被连接到网络当中，每一个物体都有传感器和独立的 IP，它们之间彼此协同工作。单个物体不仅可以传递自己需要发送的数据，也能够作为中继，将其它物体的数据进行转发[2]。由此可见，中继传输具有广阔的应用前景，研究网络的中继传输问题，具有重要的现实意义。中继传输已经被应用在一些典型的无线接入网当中。网络中的中继节点协助源节点进行数据传输，可以在一定程度上扩大网络覆盖范围，降低通信能耗，延长网络的生命周期。例如在无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）中，待检测区域随机部署大量传感器节点，这些节点对待检测区域的数据进行收集，然后通过单跳或者多跳的形式将数据传递给汇聚节点[3]。这种多跳的传播形式就用到了中继传输。中继传输另一个比较典型的应用是多跳蜂窝网络（Multi-hopCellular Network，MCN），，在多跳蜂窝网络当中的中继站一般包括固定中继和移动中继两种情况，固定中继就是建设位置固定的中继站协助终端设备进行数据传输，移动中继就是将移动台作为中继站，把其它移动台的数据转发给基站[4]。

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1.2 国内外研究现状

中继技术最早应用于多跳蜂窝网络当中时是以固定中继的形式，文献[9]针对固定中继的多跳蜂窝网络给出了两类中继选择方案，一类是将物理距离作为评价指标进行中继选择，另一类是将路径损耗作为评价指标进行中继选择。文献[10]将网络模型分为内圆和外圆，内圆为非中继区域而外圆为中继区域，内圆的移动台直接与基站进行通信，外圆的移动台通过中继协助与基站进行通信。文献[11]给出了一种机会中继选择技术来满足未来绿色多跳蜂窝网络的目标，并给出了一个仿真模型，综合考虑了路径损耗、阴影衰减、内环干扰和一些其它服务要求。文献[12]面向多跳中继网络中移动的终端设备提出了一种固定中继选择策略，并且分别对低速移动的终端设备和高速移动的终端设备进行分析。

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第二章 无线接入网中继传输与复杂网络理论

2.1 中继传输技术

自古以来，人类一直都在追寻高速、低成本的通信方式。根据《左传》的记载，公元前 7 世纪的春秋时期，楚国建立了楚长城，其利用“烽火相传”的方式将信息由边关传向都城，这可以说是最早的无线中继通信系统，而烽火台这个“中继”起到了扩大通信范围、提高传输速率的作用。时至今日，无线接入网络仍然面临着扩展覆盖和提高速率等挑战，而中继成为了解决这些挑战的重要技术之一[34]。中继就是一种根据需求来转发信号从而协助发送端到接收端进行数据传输的技术，它一方面可以扩大无线系统的覆盖范围，另一方面也可以提高无线通信链路的质量。将中继的概念泛化来讲，认为无线网络中任意一个节点都可以成为其他节点的中继转发点，作为网络中的一份子，一个用户并不再局限于只发送自己的数据，也应该利用的闲置资源或者利用其他可用的资源推动整个网络中数据流的最大化。从个体的角度来讲，在进行中继传输的过程中，可能会耗费自己一些额外的资源；但从整体上讲，系统的总体的资源消耗是下降的，也就是说，个体平均消耗的资源是下降的，这种方式符合目前被世界所推广的绿色、低碳的概念。

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2.2 典型的无线接入网

中继传输作为无线通信研究当中的热点问题，具有广阔的应用场景，并被广泛应用于各种无线接入网络当中，不仅可以用在有基础设施的有中心无线接入网，也可以用于无基础设施的无中心无线接入网，中继传输的使用在很多方面提高了网络的性能。典型的应用场景包括无线自组织网络，多跳蜂窝网络，无线传感器网络，无线 Mesh 网络等等。Ad-hoc 网络是一种多跳无中心的自组织无线接入网络。网络中所有节点的地位平等，节点间通过分布式算法完成所有的网络操作，结点不仅具有普通移动终端的功能，而且具有路由器的功能，可以对报文进行中继转发，同时网络不需要设置特定的基础设施[39-40]。与普通的无线网络相比，它具有以下特点：（1）无中心无线自组织网络没有特定的中心节点。所有节点的地位平等，是一个对等式网络。网络中的节点可以随时加入和离开。单个节点的故障不会影响整个网络的运行，因此网络的抗毁性很强。

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第三章 基于无标度网络 BA 模型的无线接入网中继传输方法............... 20

3.1 网络模型和基本假设................20

3.2 基于 BA 模型的中继传输方法............... 22

第四章 具有拓扑重构机制的无线接入网中继传输方法............... 35

4.1 网络模型...............35

4.2 具有拓扑重构机制的中继传输方法...............37

第四章 具有拓扑重构机制的无线接入网中继传输方法

4.1 网络模型

蜂窝移动通信结合了传统蜂窝网络和 Ad-hoc 网络的优势，采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道进行连接，进而实现用户之间的相互通信。基于移动中继的多跳蜂窝网网络，数据以多跳的形式进行传输，其主要特征是终端的移动性。因此，本章继续选择基于移动中继的多跳蜂窝网络，将其作为一类节点移动的无线接入网的例子，对中继传输方法进行研究。随着经济的发展，我国的互联网信息技术在不断发展的同时，移动通讯业务也取得了较快的进步。在电信业务方面，3GPP 定义了四种基本业务类型：会话类业务、流媒体业务、交互类业务和后台业务[52]。

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