面向应急通信的中继网络部署问题研究.pdf

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1、UniversityofScienceandTechnologyofChina博士学位论义论文题目面急吉的中部署问题研究作者姓名—学科专业積息与通信工程：‘导师姓名城完成时间二—工年工月—令舞苓在尤大參博士学位论文面向应急通信的中继网络部署问题研究作者姓名：李旭学科专业：通信与信息系统导师姓名：卫国教授完成时间：二零一五年五月UniversityofScienceandTechnologyofChinaADissertationforDoctorDegreeResearchoftheDeploymentofRelaysAssistedPublicSafetyBroadbandN

2、etworksAuthor:XuLiSpeciality:CommunicationandInformationSystemSupervisor:Prof.GuoWeiFinishedTimeMay,2015中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人己经发表或撰写过的研宄成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：成知签字日期：中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学

3、位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。开口保密年作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：摘要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

4、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，研宄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。主要的研宄内容和贡献如下：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。本文系统地研宄了收发端距离己知时，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

5、，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、中继部胥与资源配置问题。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

6、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摘要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

7、。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，本文系统地研宄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