分布式多跳自组网络性能评估与建模研究

As a new kind of broadband wireless networks, Distributed Multi-hop Self-Organizing Networks cater to the development of communication networks technology. It is widely used in Heterogeneous Ubiquitous Network, LTE-Advanced, The Internet of things, etc. There's no doubt that it will bring significant changes to the related fields of broadband wireless communications. However, in Distributed Multi-hop Self-Organizing Networks, there are still many technical problems to be solved. For example, the lack of the basic theoretical models, which leads to the related achievements still remaining on the low level. Therefore, it has great influence on the network algorithm and protocol design. Besides, more performance improvements are needed in the relevant protocols and the key technologies. As a result, the basic theoretical models of Distributed Multi-hop Self-Organizing Networks will be studied in the project, including the network capacity model, the network interference and coverage model, the network performance model, and the related extreme model. On this basis, the mixed Multiple Access Protocol supporting the Distributed Multi-hop Self-Organizing Networks and multi-hop forwarding mechanism will be put forward. The project aims at improving the effective network capacity and quality of Distributed Multi-hop Self-Organizing Networks, banding the inner mechanisms of each layer in protocol stack together, combining designing and modeling. While the simulate and validate platform will be setted up in order to provide the methods for verifications and improvements.

分布式多跳自组网络作为一种新型的宽带无线网络架构，迎合了通信网络技术发展的方向，在快速发展的异构泛在网络、LTE-Advanced、物联网等技术中都有着广泛的应用，必将给宽带无线通信领域带来重大变革。目前，分布式多跳自组网络仍存在诸多技术瓶颈亟待解决：基础理论模型缺失，导致现有的相关成果基本都还停留在定性的或渐近的层面上，对于指导网络算法和协议设计具有局限性；相关协议与关键技术有待完善。对此，本项目首先研究分布式多跳自组网络的基础理论模型，包括网络容量模型、网络干扰覆盖模型与网络性能模型以及相关极限模型。在此基础上，进一步提出支持分布式多跳自组网络的混合多址协议与多跳转发机制。本项目旨在提高分布式多跳自组网络的有效容量与质量，将协议各层内在机理有机结合起来，联合设计与建模。同时搭建仿真与验证平台，提供验证与完善的手段。

分布式多跳自组网络具有组网灵活、扩展性强、运维成本低等优势，对比于集中式多跳网络可有效解决运维成本增加、中心点设置复杂、规模化性能急剧恶化、控制信息开销大和路由难以优化等一系列问题，在5G超密集组网和低时延传输、分布式D2D以及工业无线传感网等领域具有广阔的应用前景。分布式多跳自组网络仍存在基础理论模型缺失、相关协议与关键技术有待完善等诸多瓶颈亟待解决，本项目将协议各层内在机理有机结合起来，联合建模与优化，以提高分布式多跳自组网络的有效容量与质量；同时搭建仿真与验证平台，提供验证与完善的手段。本项目依据项目进度安排，主要完成了以下三个方面的工作：. 1. 在基础理论建模方面，建立了网络容量模型、网络干扰覆盖模型、网络性能模型以及网络资源效率极限模型，定量分析了网络、协议、信道和业务等关键参数对于分布式多跳网络容量和性能的影响，以进一步指导网络协议（包括选举调度机制、网络维护机制等）和协议参数（包括维护跳数、控制数据比（C/D）、退避指数等）的设计与优化。. 2. 在分布式多跳自组网络协议和关键技术研究方面，设计了提升可靠性以及降低时延的分布式调度机制，优化了选举退避指数和维护范围等关键参数；设计了区分路由频次的混合路由协议、面向业务需求的多路径路由协议、跨层路由机制和自适应路由缓存更新机制等，对分布式自组网络的协议设计和优化提供了重要参考。. 3. 在软件仿真与硬件验证平台搭建方面，完成了帧同步模块、消息管理模块、邻居管理模块、管理消息调度模块、数据调度模块等的设计和开发，搭建了跨层仿真平台；设计并开发了基于软件无线电架构的硬件验证平台。同时基于软件仿真与硬件验证平台分析验证了基础理论模型以及协议和关键技术，为分布式多跳自组网络的研发和优化提升奠定基础。. 本项目自2014年启动以来，共发表学术论文21篇，其中SCI论文6篇，EI论文10篇，其他论文5篇；申请发明专利10项，申请软件著作权11项。