具有空时随机特征的新业务无线传输理论与方法

The emergence of new applications such as Internet of things, wearable devices, etc., has brought new type of traffic to wireless networks, which is different from the traditional traffic in that it has the property of spatial and temporal fluctuation. The spatial and temporal fluctuation complicates the coupling between traffic and service, bringing new challenge to the design of wireless networks. Few existing works consider the spatial and temporal aspects of traffic simultaneously. In this proposal, we take advantage of stochastic geometry in spatial modeling and of queuing theory in the modeling of arrival and service, and establish theoretical model for traffic based on the novel idea of combining stochastic geometry and queuing theory. From the aspect of analysis, the difficulty of combining the two theories lies in the coupling of multiple queues. This proposal will extend the classical interacting queues problem to the case where there are multiple randomly deployed queues and will introduce the notion of dominant system and simplified system to settle this problem. The theory and approach in this proposal will help to analyze the delay, explore the coupling between traffic and service, and design the transmission mechanisms that match the traffic in wireless networks.

物联网、可穿戴设备等新兴应用为无线网络引入了区别于传统业务的具有空时随机特征的新业务。此随机特征使新业务与传输服务间的耦合进一步复杂化，并给承载新业务的无线网络设计带来新挑战。针对传统方法无法处理业务空时两方面随机特征的问题，本项目首次提出基于随机几何和排队论相结合的全新业务建模思路，充分利用随机几何建模拓扑随机性以及排队论建模业务动态到达与服务的优势，为新业务分析奠定了理论基础。分析方法上，两种理论交叉的难点在于多队列耦合交互，本项目拟拓展经典简单交互队列问题，首次提出存在大量空间随机部署队列的网络场景下的交互队列问题，并探索性地引入主导系统、简化系统等概念来解决此核心难点。本项目所提出的理论、方法和所得结果为分析无线网络链路时延等关键系统性能指标、理解新业务与传输服务耦合机理、设计匹配新业务的传输机制提供了重要的理论支撑和指导。

随着无线通信系统演进，无线网络业务呈现时空高动态化、需求极端差异化的特点，经典面向点对点连接的香农定理无法描述无线网络规模结构（如网络时空拓扑）动态变化与系统通信服务能力之间的数学关系，亟需新理论新方法来实现无线资源按需多尺度调度，解决网络规模结构与业务动态适配难、网络服务与业务需求智能适配难的挑战，建立大规模无线网络传输优化的理论基础。本项目围绕着无线业务空时随机性理论刻画、无线业务与传输服务耦合机理探究、以及业务需求适配传输机制设计开展研究工作，阐明了大规模网络拓扑结构与通信服务质量之间的作用机理，创造性将随机点过程理论与排队论相融合提出了一种大尺度网络业务时空分布模型，采用独立等价代换队列方法解决了多尺度无线网络业务与服务质量深度耦合难分解问题，为大规模时空网络资源适配和多尺度数据优化传输机制提供了重要理论支撑。该研究工作得到了国际同行的高度认可，部分成果被OPPO移动通信有限公司应用于手机终端传输协议改进，实现了Android移动通信终端上TCP协议的优化、TCP/IP数据流识别算法、以及Android移动通信终端上数据传输跨层优化算法。本项目的研究严格按照计划书展开，各项研究内容进展均比较顺利。在此项目资助下，在IEEE JSAC等期刊及会议上发表论文10篇，申请发明专利15项，其中9项获得授权。培养博士生1名，硕士生14名，其中4名硕士研究生已毕业并通过了论文答辩，项目负责人2020年入选中国科协第五届“青年人才托举工程”。此外，课题组成员和多位国际知名学者开展了深入的学术合作，资助多名研究生参加国际学术会议。本项目的研究所提出的理论、方法和所得结果为分析无线网络链路时延等关键系统性能指标、理解业务与传输服务耦合机理、设计匹配业务的传输机制提供了重要的理论支撑和指导。