基于随机几何的无线网络干扰范围问题研究

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在无线网络中,干扰是限制网络性能的主要因素之一。协议干扰模型是描述网络中干扰的主要模型之一,被广泛用于无线网络协议设计中。干扰范围作为协议干扰模型的关键部分,其取值直接影响协议干扰模型的准确性。如何设置干扰范围使得协议干扰模型更准确值得深入研究。在无线网络中接收节点处引入干扰范围,可减少无线网络中节点之间的相互干扰,能够在一定程度上提升无线网络性能。无线网络中接收节点处干扰范围设置的过小,接收节点与干扰节点距离将过近,接收节点将受到较大的干扰,这将导致节点的平均性能下降;干扰范围设置的过大,接收节点与干扰节点距离将过远,信道复用距离过大,网络中同一信道下允许传输的节点数过少,网络的总体性能也不高。因此无线网络干扰范围的设置是一个比较复杂的问题,干扰范围的研究对提高协议干扰模型准确性和提升网络性能具有重要意义。干扰范围对无线网络性能影响最直接的是成功传输概率。成功传输概率的研究是干扰范围研究的基础。二极点过程由成对的收发节点构成,适合无线网络建模及干扰分析。已有的二极网络分为泊松二极网络和泊松蜂窝网络,泊松二极网络中收发机距离是固定值,泊松蜂窝网络中收发节点位置相互独立。兼具收发节点距离随机性和位置相关性的二极网络的成功传输概率研究尚属空白。为提高协议干扰模型的准确性,可以使用二元假设检验构建贝叶斯风险优化问题,通过最小化物理干扰模型下协议干扰模型的贝叶斯风险,确定干扰范围的最佳取值。目前这种贝叶斯方法只适用于无限泊松网络,对于有限网络并不适用。为了提高网络性能,可以直接构建考虑干扰范围的网络性能度量表达式,通过凸优化求解最佳网络性能对应的干扰范围。目前最大化传输容量的干扰范围设置方法中,关于累加干扰的处理不够严谨,对所有接收机干扰范围的考虑不够充分。且传输容量考量的是参考链路的平均性能,对网络性能的度量略粗糙。针对现有干扰范围研究存在的不足,本文从随机距离二极网络成功传输概率、有限网络中最小化贝叶斯风险的干扰范围以及最大化空间中断容量的干扰范围展开研究。主要研究内容和创新工作如下:(1)随机距离二极网络成功传输概率研究。针对现有二极网络对收发节点距离随机性和位置相关性考虑不够全面的问题,提出了兼具收发节点距离随机性和位置相关性的随机距离二极网络模型,并推导随机距离二极网络成功传输概率。利用雅可比变换得到发射节点到参考接收节点的距离分布,并利用直接方法推导了随机距离二极网络的成功传输概率。通过蒙特卡洛仿真验证了本文提出的随机距离二极网络成功传输概率计算方法较用泊松点过程方法更准确。仿真实验表明,在大规模网络中随机距离二极网络与泊松二极网络成功传输概率趋于一致。(2)最小化有限网络贝叶斯风险的干扰范围研究。针对现有贝叶斯方法只适用于无限泊松网络的问题,提出适用于有限网络的贝叶斯方法。分别用二项点过程和有限的泊松点过程来建模二项网络和有限泊松网络;用直接方法推导了二项网络和有限泊松网络的条件成功传输概率,根据条件成功传输概率求得贝叶斯风险;利用凸优化方法得到最小化贝叶斯风险的干扰范围,并理论证明了已有方法是本文提出方法在无限泊松网络中的一个特例。仿真实验表明在有限网络中使用二项点过程和有限泊松点过程的贝叶斯方法性能优于使用无限泊松点过程的方法,在参考接收机处引入干扰范围能增加参考接收机的平均性能。(3)最大化二极网络空间中断容量的干扰范围研究。针对现有最大化传输容量的干扰范围设置方法中对累加干扰考虑不够严谨、对所有接收节点干扰范围考虑不够充分、传输容量对网络性能度量不够细粒度的问题,提出最大化空间中断容量的干扰范围设置方法。将无线网络建模为二极点过程,推导了随机距离二极网络的可靠链路密度。分析干扰范围对二极网络中发射节点活跃概率的影响,推导考虑所有接收节点干扰范围的可靠链路密度。利用凸优化得到最大化空间中断容量的最佳干扰范围。仿真实验表明在密集泊松二极网络中引入干扰范围可提升网络的空间中断容量,在泊松蜂窝网络和随机距离二极网络中引入干扰范围会减小空间中断容量。
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