航空自组网连通性研究

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1、航空自组网连通性研究重庆大学博士学位论文学生姓名：刘学指导教师：曾孝平教授专业：电路与系统学科门类：工学重庆大学通信工程学院二O一五年十月StudyontheConnectivityofAANETAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByLiuXueSupervisedbyProf.ZengXiaopingSpecialty:Circui

2、tsandSystemsCollegeofCommunicationEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaOctober,2015中文摘要摘要航空自组网络指在民航飞机飞行时由飞机、卫星和地基基站以及相互间的通信链路构成的航空通信网络。作为一种新的航空通信方式有望成为跨洋民用航空通信网络的重要补充，得到全球诸多科研机构和研究人员的广泛关注。航空自组网中飞机节点高速运动且随机分布，通信链路高动态变化，在飞机与地基站密度一定，且假设飞机最大通信半径均相同时，

3、网络中任意两节点满足通信要求的节点连通性问题，是航空自组网组网可行性分析中的基础研究课题之一。航空自组网连通性已有成果大多数只针对一维单双航路中节点连通概率进行分析，对二维双向航路及多航线航空自组网节点连通概率研究甚少，尤其缺乏对网络中两节点连通持续时间分布的研究，不能对复杂的航空自组网网络拓扑进行连通性分析。论文作者结合国家自然科学基金课题“跨洋民用航空宽带移动通信组网及关键技术研究”的研究基础，基于空中飞机通过空-空链路和地-空链路接入地基站的指导思想，针对民用航空通信网络中飞机节点高速运动、网络拓扑高动

4、态、网络空间跨度大等特点，围绕航空自组网中二维单航线双向航路网络连通性、多航线空域网络连通性与机群密度及运动的关系，以及不同区域地基站跨度与全网连通性的内在联系等问题对航空自组网连通性进行深入研究。具体研究内容及主要贡献包括以下几个方面。①单航线双向航路网络连通性研究。将一维场景下的覆盖理论进行推广应用，对二维单航线双向航路航空自组网中飞机的单跳连通概率及持续时间概率分布、单跳与多跳连通概率及持续时间概率分布的递推关系、连通概率与连通持续时间的内在联系、多跳长链连通距离的概率分布等问题进行分析，得出单航线双向

5、航路航空自组网中飞机密度与网络连通性的数学关系，为该场景下的组网可行性分析提供重要支撑。②多航线网络连通性研究。结合相关航空规约，提出多航线民用航空自组网降维模型，给出任意网络中飞机度分布及集群系数等重要网络参数的计算方法，同时针对网络中任意两点的连通概率、连通持续时间分布及连通平均跳数等问题进行深入分析，得出多航线民用航空自组网中飞机密度与网络连通性的数学关系，对多航线航空自组网组网可行性分析具有重要意义。③地基站跨度与网络连通性的关系研究。在多航线航空自组网模型基础上，提出利用聚类算法，按照不同区域中的飞

6、机密度将空域中多个区域进行聚类，给出在飞机密度一定的情况下，不同区域中的地基站跨度与网络连通性的数学关系，I重庆大学博士学位论文可为任意空域下地基站的部署提供参考依据。通过搭建模拟民用航空飞机飞行场景对所提出的方法进行仿真分析。仿真结果验证了航空自组网连通性与飞机密度和地基站密度的理论关系，并分析了影响航空自组网连通性的一些关键参数，为航空自组网组网可行性分析提供了重要支撑。关键词：航空自组网，连通概率，连通持续时间，网络模型II英文摘要ABSTRACTAeronauticaladhocnetworks(AA

7、NET)isanaeronauticalcommunicationnetworksthatformedbyplanes,satellites,basestationsandthecommunicationlinksamongthemwhenplanesflying.InAANET,high-speedplanesarerandomlydistributedwithcommunicationlinkschanginghigh-dynamically.Whendensitiesofplanesandbasesta

8、tionsaregiven,andthecommunicationrangeofthemisassumedsettoasamevalue,theconnectivityoftwoarbitrarynodes,whichmustmeetcommunicationrequirements,isoneofthefundamentalissuesofthenetworkingfeasibilityofAAN