毫米波无线网络中继探测和选择方法研究

There are large chunks of available spectrum in Millimeter-wave (mmWave) frequency band. However mmWave transmission suffers from the high path loss, as well as other losses due to rain and oxygen absorption. Relay is a significant manner to solve these problems and improve the mmWave connectivity. Because mmWave communication usually use narrow beams by beamforming to fight path loss and fading, the mmWave signals are with high directivity and long steering time. Besides, mmWave communication time is likely to be randomly intermittent due to bad penetrativity signals. Conventional probing and selection schemes will cause heavy bad efficiency and availability problems, if the random steering time and random communication time are not considered..This project is going to build theorem models for mmWave relay probing and selection process, research the probability features of relay probing time and communication time in different scenarios and propose innovative relay probing and selection schemes. The final target is solving the key technique problems of mmWave networks and promoting mmWave wireless networks application.

毫米波频段具有极为丰富的空闲频谱资源，但毫米波信号具有传输路损高、雨衰氧衰严重、穿透性差等问题。中继是解决这些问题提升毫米波无线网络连通性的重要手段。毫米波通信链路通常采用波束赋形对抗路损和衰落，所以信号具有较强的方向性且需要较长的中继探测时间；此外，由于毫米波穿透性差，很多场景下障碍物遮挡导致通信可持续时间具有随机断续的特点。所以，毫米波中继探测和中继选择如果直接采用传统的方法而不考虑中继探测时间和通信可持续时间这两个随机变量的影响，就会导致严重的效率低下和可用性差的问题。. 本项目拟建立毫米波无线网络中继探测和选择过程相关理论模型，探索不同场景中中继探测时间和通信可持续时间的概率统计特征，提出创新的中继探测协议和中继选择方法，解决毫米波组网中面临的关键技术问题，推动毫米波无线网络走向实际应用。

本项目针对毫米波中继组网面临的硬件非理想、传输路损高和信号易被阻挡等问题，建立了毫米波中继通信性能分析理论模型，提出了运动中继探测中的毫米波波束分配优化方案和毫米波中继选择及优化方案。提升了毫米波组网能力，为毫米波网络应用提供了有力的支撑。.利用排队论建立了阻塞模型，并提出了离散化仿真实验方法，通过误差分析，将模型相对误差控制在千分之三以下，所提出的理论模型和建模方法可以应用于毫米波中继阻塞和通信持续时间等研究。在模型的基础上，模拟了阻塞和固定时间间隔探测的详细过程，提出了面向系统吞吐率最大化的探测时间间隔以及波束宽度优化方法，达到了提高毫米波无线通信系统的性能的目的。基于泊松点过程，增加了两跳链路之间的夹角作为新的系统变量，基于夹角的不同取值修正了中继第二跳链路的易阻塞面积，得到了优化后的系统覆盖率评估方法，所提方法能更为准确的评估中继布设密度、天线高度、波束宽度等参数对系统覆盖率的影响，从而支撑毫米波中继网络规划设计。.针对运动中继探测优化了毫米波波束分配方案，以提高时变毫米波信道的平均成功跟踪概率。本项目在更普适的框架下对组合探测多个波束对的方案进行了优化，探测波束对序列的设计是一个整数非线性规划问题。通过将问题的区域分解为可行的子区域集合，再递归的使用分支-界限算法，得到了最优解的求解方法，并进一步提出了一种低复杂度的次优解法。数值结果显示所提波束分配方案获得了很好的性能提升。.基于毫米波中继组网模型特点，在毫米波中继搜索和选择方案研究中，针对传统最大接收功率选择方式带来的负载非平衡问题，通过引入负载因子广播，建立理论模型，采用最优停止理论研究了吞吐率最大化的问题，得到了可以通过求解定点方程解决最优化问题的结论，并进一步提出了可行的迭代求解方法，同时证明了该方法的收敛性。在所建理论模型的基础上通过仿真分析和理论分析证明了所提方案的正确性和优越性。